Étude et modélisation de structures d'échange de colonnes de distillation cryogéniques

par Walid Said

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Denis Clodic.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    L'industrie chimique et pharmaceutique actuelle connaît une croissance en demande d'oxygène et d'azote purs, obtenus principalement par séparation cryogénique des constituants de l'air. La séparation s'effectue dans des colonnes de distillation, où deux phases liquide et vapeur de l'air circulent à contre-courants et échangent les constituants pour aboutir à des corps purs aux extrémités. La séparation est favorisée par l'utilisation de contacteurs liquide-vapeur, dont les plus modernes sont les garnissages structurés. Pour prédire l'efficacité de séparation, la capacité et la perte de pression de ces colonnes, il est indispensable de modéliser les trois phénomènes physiques intervenant : distribution liquide, distribution vapeur et transfert de masse. Le liquide s'écoule sous forme de films liquides sur la surface des garnissages. La distribution du réseau des films est modélisée par un modèle de comportement local. L'épaisseur des films et la surface effective mouillée des garnissages sont déterminées localement par des corrélations. La distribution de la vapeur et la perte de pression sont modélisées par des simulations numériques des équations de Navier-Stokes effectuées sur des éléments représentatifs des garnissages. Une corrélation générale pour cette perte de pression est établie en fonction de la vitesse de la vapeur, la géométrie des garnissages et le volume du film liquide. Les coefficients de transfert de masse sont évalués dans chaque phase par des corrélations. La discrétisation et la résolution des équations de conservation et de diffusion des espèces dans les deux phases permettent de déterminer l'évolution des compositions molaires des phases dans la colonne. Le modèle final réalisé permet d'évaluer l'effet d'une mauvaise distribution des fluides, d'une modification des dimensions de la colonne et de la géométrie des garnissages ainsi que l'effet de variation des conditions opératoires sur l'efficacité de séparation des colonnes.

  • Titre traduit

    Modeling and structured packing contact devices in cryogenic distillation columns


  • Résumé

    The current pharmaceutical and chemical industry is in growing demand for pure oxygen and nitrogen, mainly obtained by cryogenic separation of air components. The separation takes place in distillation columns, where counter-current liquid and vapor flows exchange air components and produce pure substances at the columns exit. The separation is enhanced by liquid-vapor contact devices, the most common are the structured packings. The prediction of the separation efficiency, the capacity and the pressure losses inside the distillation columns requires modeling the two-phase flow hydrodynamics and the mass transfer in structured packings. The liquid flows as rivulets on the structured packing surface. The spreading of the rivulet network is modeled by a mechanistic model. The local film thickness and the effective wetting area of the packing are determined by correlations. Vapor distribution and pressure loss are modeled by CFD simulations, which solve the Navier-Stokes equations in representative elementary units of the packing. An equation for the pressure loss is established as a function of the vapor velocity, packing geometry, and the liquid hold-up. The mass transfer coefficients in the liquid and vapor phases are evaluated through correlations. The discretization and resolution of the mass conservation equations of the species lead to determine the phases molar composition evolution in the column. The developed final model was used to evaluate the effect of poor fluid distribution, change of column dimensions or geometric packing parameters, and variation of operating conditions on the separation efficiency of the distillation columns.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (194 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 19 novembre 2020
  • Annexes : Bibliographie 93 ref.

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  • Cote : EMP 160.360 CCL TH 1279
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