Transcript 2-Principe de fonctionnement de la DA

2-Principe de
fonctionnement de la DA
Introduction à la distillation du pétrole brut
Université de Marseille St Jérome
Nov.2014
Thomas Battaglieri
1
Sommaire
Schéma de principe
Comment fonctionnent les plateaux?
Pression de marche de la DA
Pouvoir de séparation
Rebouilleurs
Stripping des liquides
Condenseurs
Draw off nozzle hydraulics
2
Schéma de principe de
l’unité de Distillation
Distillation atmosphérique et sous vide
Vue sur site
3
Schéma de l’unité de distillation
Schéma Technip DA + DSV
4
Vue sur site
Distillation
du brut
Séparation
propane-butane
Séparation
gaz -essences
Séparation
des essences
5
rebouilleurs
Comment fonctionnent
les plateaux?
Eléments d’un plateau
Efficacité des plateaux
Fonctionnement des plateaux
Flooding
Dumping
Vue sur site
6
Elements des plateaux
Principe de fonctionnement des plateaux
7
Plateaux perforés (1)
La phase vapeur quitte les trous sous forme d’un
jet de bulles résultant en une phase liquide trés
aérée avec un bon transfert liquide vapeur
Gradient hydraulique du a la perte de charge
nécessaire pour déplacer le liquide le long du
plateau. Grand plateau = risques d’instabilité
8
Plateaux perforés (2)
Plateaux perforés
Poutres de soutien des
éléments de plateau
45 à 70 cm
Trous de
passage
de la vapeur
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Plateaux à clapets (1)
Les clapets sont fermés ou ouverts selon le
régime de fonctionnement, le nombre total de
clapets ouverts ou fermés dépend du débit de
vapeur.
10
Plateaux à clapets (2)
Plateaux à clapets
11
Plateaux à clapets fixes
Limite les intéractions entre les jets vapeur
adjacents, liquide aéré plus homogène, robuste.
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Plateaux à cloches (1)
La cloche ne bouge pas.
Bon contact, perte de charge élevée.
Cheminée centrale empèche le passage du
liquide: bon pour les applications avec niveau de
liquide faible sur le plateau.
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Plateaux à cloches (2)
14
Efficacité des plateaux (1)
Efficacité 100%: La vapeur qui quitte le plateau a
la même température que le liquide qui quitte le
plateau
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Efficacité des plateaux (2)
Quel est l’efficacité
des plateaux cicontre?
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Fonctionnement des plateaux
Rôle du plateau?
Rôle du downcomer
(déversoir)?
A quel point la pression
est la plus haute et
pourquoi?
Comment le liquide passe
donc du déversoir au
plateau?
Qu’est ce qui définit la
hauteur de liquide sur le
plateau et dans le
déversoir?
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A
B
Principe de fonctionnement des plateaux
Déversoir conventionnel (1)
Flow path
length
Bubbling
area
DC Clearance
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Bubbling areas
Déversoir conventionnel (2)
Expliquer la pente du déversoir.
Expliquer pourquoi il n’y a pas d’aire active
sour le déversoir.
Expliquer les inconvénients du déversoir.
Expliquer la raison des plateaux multi passes.
Indice:
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Plateaux multipasses
Lw ~ Dc et
Q ~ Dc2
La longueur du barrage augmente moins vite que
l’aire de la colonne, quand le débit traité
augmente, la hauteur de liquide sur le plateau
augmente. Pour éviter ce phénomène on
augmente le nombre de passes.
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Flooding/Engorgement
Définir l’engorgement?
Dans quel sens se propage l’engorgement?
Quelles sont les causes possibles?
Loss of downcomer seal
21
Downcomer clearance
Jet Flood/Entrainement
La hauteur « entrainée »
dépend de la hauteur de
liquide sur le plateau et
de la vitesse de la
vapeur à travers le
plateau.
Pourquoi veut on un peu
de spray mais pas trop?
Jet Flood
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Incipient flood point (1)
La température fond de
tour et la pression de
tête sont maintenues
constantes.
Depuis le redémarrage,
la teneur en butane
dans le propane est un
peu haute.
Qu’est ce qu’on fait?
Débutaniseur
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Incipient flood point (2)
On augmente le
reflux.
La teneur en butane
dans le propane
augmente. Le niveau
fond de tour baisse.
Qu’est ce qu’il se
passe?
Qu’est ce qu’on fait?
Comment optimiser la
séparation?
Débutaniseur
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Incipient flood point (3)
Définition:
Fonctionnement optimum des plateaux
Incipient flood point
25
Dumping/Pleurage
Plateaux mal nivelés
Plateaux endommagés
Perte du niveau dans le déversoir
Mauvais niveau du plateau
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Perte du niveau dans le déversoir
Pression de marche
d’une colonne de
distillation industrielle
Rappel ELV corps pur et pression partielle
Critères de choix de la pression
Profil de pression
Contraintes de température
Régulation de la pression
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Rappel: Notion de pression de bulle
ELV du corps pur
Psat
T bulle du liquide
T rosée de la vapeur
Diagramme de phase du corps pur
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Rappel: Notion de pression partielle
Définition
Pression Partielle Constituant C
=
P totale * fraction molaire de C dans le Gaz
Applications
Stripping
Zone de flash
Distillation sous vide
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Ptotale = PPH20 vapeur + PPHC vapeur
Critères de choix de pression de
fonctionnement
On cherche la pression optimale de
fonctionnement de la colonne qui permet de
réaliser la séparation recherchée à moindre coût
Rebouillage
Limitation de la condensation de tête
Diamètre de la colonne (volume des vapeurs)
Physiquement, la pression de fonctionnement de
la colonne est déterminée par les conditions au
ballon de reflux:
Composition
Température
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Pression au condenseur
La pression de base au ballon de reflux est la tension de
vapeur du distillat liquide à la température du ballon
Pballon
=
PPHC vapeur + PPH20 vapeur
=
Psateau + Psat HC liq du ballon
Tête de colonne à distiller
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Profil de pression
Pertes de charges
Perte de charge dans le circuit de tête (Aéros,
Echangeurs…)
Usuellement entre 0,2 et 0,5 bars
Perte de charge de la colonne
*Perte de charge du plateau lui-même
*Perte de charge due à la vitesse de la vapeur
*Perte de charge due au franchissement du niveau
liquide du plateau
Usuellement entre 6 et 10 mbar par plateau. 3mbar
correspond à des plateaux spécialement
dimensionnés et 20 mbar est très haut.
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Contraintes de température (1)
Température du ballon de reflux
Approche froide (Tb = Tballon)
Aéro condenseur:
Tb = Tair + 15°
°C = 40-50°
°C
Aéro réfrigérant:
Tb = Teau + 10°
°C = 35°
°C
Fluide frigorigène:
Tb = Tvap + 5°
°C
Dans ce cas on condense les vapeurs de tête en
vaporisant un fluide frigorigène
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Contraintes de température (2)
Température de fond de colonne
La T la plus élevée est atteinte au rebouilleur
Température élevée + temps de séjour: Craquage
Le seuil de craquage des résidus pétroliers (coupe
de fond de tour) est de l’ordre de 400°
°C.
En pratique: Tfond DA <= 385°
°C
Tfond DSV <= 430°
°C
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Régulation de la pression (1)
La pression de fonctionnement d’une colonne à distillation
influence directement les températures opératoires, les
caractéristiques des fluides et les conditions d’échange
thermique au bouilleur et au condenseur
Variations de pression : perturbent
fonctionnement de la colonne d’où la mise en
œuvre d’une régulation
Action sur le condenseur pour adapter sa capacité
de condensation
Action sur les conditions au ballon de reflux
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Régulation de la pression (2)
Action sur le condenseur
36
Régulation de la pression (3)
Action sur le ballon de reflux
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Augmenter / Abaisser la pression
On dispose d’un
stripper iso butane
normal butane dont
la performance est
mauvaise.
La perte de charge
totale dans la
colonne est basse.
Identifier la cause
Action?
Optimisation?
Séparation N C4 et i C4
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Pouvoir de séparation
Quel est le moteur de la distillation?
Rôle du taux de reflux
Préchauffe de la charge
Reflux circulant
Position correcte d’alimentation
Choix des conditions optimum
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Application: étude économique d’un dépropaniseur
Quel est le moteur de la distillation?
On augmente le taux
de reflux.
Comment évolue la
température de tête?
Comment évolue la
masse de vapeur
montant dans la
colonne?
Comment évolue le
volume de vapeur?
Comment évolue le
duty du rebouilleur?
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Débutaniseur
Rôle du taux de reflux
Reflux externe:
Arrive liquide sur
le plateau de tête
Il reçoit le débit de
chaleur nécessaire
pour se vaporiser
Cela condense les
fractions les plus
légères de la
coupe vapeur
arrivant en tête
Améliore la
séparation
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Principe du taux de reflux
Préchauffe de la charge
Reflux et soutirage du
produit de tête constants.
On augmente le débit de
vapeur de préchauffe.
Comment évolue le duty au
rebouilleur?
Comment évolue le débit
massique de vapeur dans
la section supérieure?
Comment évolue le débit
massique de vapeur dans
la section inférieure?
Comment évolue l’efficacité
des plateaux?
Débutaniseur
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Colonnes à soutirages multiples
Une colonne à
soutirages multiples
est une série de
colonnes à 2
produits combinées
en une seule
colonne, ou
fractionnateur
principal.
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Extraction de chaleur par reflux circulant (1)
Principe:
Un reflux circulant
agit comme un
condenseur partiel
intégré et la
quantité de vapeur
qu’il condense est
directement
proportionnelle au
débit de chaleur
extrait
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Reflux circulant
Extraction de chaleur par reflux circulant (2)
On augmente le
taux de reflux. La
température en
haut de la colonne
augmente et on a
plus de lourds en
tête.
Qu’est ce qu’il se
passe?
Action?
Reflux circulant
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Améliorer la fractionation
Pb: Le diesel est contaminé
par le GO et le GO par le
diesel. Le débit vapeur est
constant.
On diminue le débit de
diesel. Comment évolue la
teneur en GO dans le
diesel? Comment évolue la
teneur en diesel du GO?
Dois je augmenter ou
diminuer le débit de fluide
froid dans le pump around?
Optimisation?
utilisation des reflux circulants
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Liaison taux de reflux taux de rebouillage
Démarche courante: privilégier le taux de reflux
pour fixer les conditions opératoires de la
colonne pour une séparation fixée
Fixe le trafic liquide dans la colonne
Fixe la charge thermique du condenseur
Fixe la charge thermique du bouilleur
Fixe le taux de rebouillage
Dans ces conditions il ne reste que deux
éléments permettant d’ajuster le pouvoir de
séparation.
?
?
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Liaison taux de reflux taux de rebouillage
Démarche courante: privilégier le taux de reflux
pour fixer les conditions opératoires de la
colonne pour une séparation fixée
Fixe le trafic liquide dans la colonne
Fixe la charge thermique du condenseur
Fixe la charge thermique du bouilleur
Fixe le taux de rebouillage
Dans ces conditions il ne reste que deux
éléments permettant d’ajuster le pouvoir de
séparation.
Nbr total d’étage théoriques
La position du plateau d’alimentation
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Position correcte d’alimentation (1)
Le niveau
d’alimentation
doit être optimisé
pour ne pas
dégrader la
qualité de la
séparation. On
parle
d’alimentation
correcte.
Alimentation correcte
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Position correcte d’alimentation (2)
Nombre minimum d’étage Nmin:
Limite inférieure du nombre d’étage nécessaire
lorsque rf et rb tendent vers l’infini
Rf min et Rb minimum:
Limite inférieure des trafics liquide vapeur
admissibles pour lesquels le nombre d’étage
théorique nécessaire est infini. En fait, cette limite
défini la dépense énergétique minimale en
dessous de laquelle la séparation est impossible
50
Choix des conditions optimum
Choix des conditions optimums
51
Etude économique d’un dépropaniseur
52
Etude économique d’un dépropaniseur
Quel point de fonctionnement choisiriez vous?
Pourquoi ne voit pas le nombre de plateaux
apparaitre sur cette figure?
Expliquer pourquoi on trouve un optimum pour
chaque pression?
On trouve un optimum absolu à 17 bars.
Expliquer pourquoi l’optimum économique est
moins bon lorsqu’on baisse la pression.
Expliquer pourquoi l’optimum économique est
moins bon lorsque on monte la pression.
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Rebouilleurs
Types de rebouilleur
Thermosiphon « once-through »
Thermosiphon « circulating »
Kettle
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Types de rebouilleur
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Thermosiphon once-through (1)
Expliquer pourquoi l’eau
monte dans le riser?
Comment puis je
augmenter la circulation
d’eau?
J’augmente encore le débit
d’air. Le débit d’eau
diminue. Pourquoi?
Aquarium
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Thermosiphon once-through (2)
La vanne A est
fermée.La
température sortie
rebouilleur est 300
degC. Quelle est la
température du
produit soutiré?
Quelle est l’efficacité
théorique du
dispositif?
thermosiphon once-through
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Thermosiphon once-through (3)
La vanne A est
fermée.La
température sortie
rebouilleur est 300
degC. La
température du
produit est 250
degC.
Cause?
Action?
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thermosiphon once-through
Comparaison once-through et circulating
Expliquer pourquoi le second est moins
performant.
thermosiphon once-through et circulant
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Kettle
Expliquer ce qui
contrôle le
niveau fond de
tour.
J’augmente le
duty du Kettle.
Comment évolue
le niveau de fond
de tour?
A partir de quel
niveau peut on
engorger?
Kettle
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Stripping des liquides
Objectif
Principe
Efficacité
Limitations hydrauliques?
61
Objectif
Objectif:
Liquides soutirés ne peuvent satisfaire les spécs
de teneur en léger (Flash point) car:
Coupes légères sans cesse en contact avec coupes
plus lourdes
Ce qui entraîne une solubilisation excessive des
fractions légères dans la coupe
Le but est donc de re-vaporiser les fractions
légères de la coupe concernée pour en
améliorer le point éclair
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Schéma de principe
Expliquer pourquoi la
température du diesel
est plus basse. Indice:
Bol de soupe.
On imagine que le
débit de vapeur est
nul. Quel est le
pourcentage de diesel
vaporisé?
Expliquer alors la
différence de
température du diesel
entre l’entrée et la
sortie du stripper.
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Principe du stripping
Equilibre liquide vapeur
Principe:
Diminution de la pression partielle en HC
Principe du stripping
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Efficacité du stripping (1)
Efficacité du
stripping:
Vaporisation
préférentielle
des fractions
légères
Point 5% distillé
de la coupe
Optimisation
du taux de
stripping
Kg vapeur/t de
produit
Figure 31: efficacité du taux de stripping
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Efficacité du stripping (2)
La vapeur contient de l’eau liquide. Expliquer
pourquoi l’efficacité du stripping est diminuée.
Comment le voir?
Vapeur
seche
P1,
T1
P2,
T2
X=Cp. (T2-T3)/HLV
Vapeur
humide
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P1,
T1
P2,
T3
Efficacité du stripping (3)
Trop de naphtha dans le
jet.
Qu’est ce qu’on fait?
On augmente la vapeur,
on perd alors le niveau
dans le stripper. La
pression en A monte de
13 à 15 psi.
Qu’est ce qu’il se passe?
Comment le vérifier?
1 psi = 2.31 ft d’eau
densité du kéro = 0.6
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Hydraulique
Condenseurs
Condenseurs noyés
Tube calandre
Subcooling
aérocondenseurs
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Condenseurs noyés
40% de la surface d’échange est noyée à cause
de l’encrassement du drain d’évacuation.
Je tape sur le drain pour casser les dépots, et
les condensats se vident. Le duty échangé
augmente –il de 40% ou plus?
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chauffage
Condensation dans un échangeur tube calandre
Hypothèses: Condensation totale et liquide à son
point de bulle. 100% propane en tête
Pourquoi le ballon est
plus haut que la
pompe?
Est-ce que le niveau
liquide dans le pipe
avant le condenseur
est aussi haut que le
niveau entre le
condenseur et le
ballon?
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condenseur de tête
Subcooling/Liquide sous refroidi
Un rat est entré dans le
pipe. Il crée de la perte
de charge.
Est-ce que le propane
va flasher?
Comment alors le
propane peut continuer
à monter dans le riser
pipe?
condenseur de tête
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Aéro condenseurs
2 types d’aéro-condenseurs
Aéro-condenseur
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Efficacité des aéro-condenseurs
Aéro condenseurs en parallèles.
Aéro-condenseurs en parallèle
Quels sont les aéro les plus efficaces?
Peut on le voir avec les delta P?
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Aérocondenseurs: vue sur site
ventilateur
Air chaud
Faisceau tubulaire
(Passage produit)
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Draw-off nozzle
hydraulics
Principe
Limitation hydraulique
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Limitations hydrauliques
Pourquoi si je bouche le sommet de l’évent,
je ne peux plus évacuer correctement l’eau
des toilettes?
Schéma de principe de l’evacuation des
toilettes
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Limitations hydrauliques (2)
Le liquide soutiré est à son point de bulle.
Quel schéma est correct et pourquoi?
J’augmente la pression dans la colonne, est ce
que çà aide?
Limitation hydraulique sur les soutirages
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