rapport ffinal.mokhtari

Optimisation des sécheurs à gaz Partie théorique

I - INTRODUCTION :

Le pétrole constitue une source d’énergie mondiale très importante et occupe une place de choix. Ces derniers temps, le gaz naturel voit son ampleur s’étendre par rapport aux autres sources d’énergie.Ainsi, les complexes de traitement de gaz algériens sont appelés à intensifier la production d’une manière continue et déterminée afin de participer au renforcement de l’amont national.Le complexe d’Alrar, cette usine qui est en pleine expansion, est composé de quatre trains parallèles et identiques. Chaque train est doté de deux sécheurs à gaz comportant un tamis moléculaire 4A° afin de déshydrater le gaz avant son traitement dans les sections froides, et éviter ainsi le givrage.Ce phénomène (givrage) est malheureusement fréquent au niveau de la batterie d’échangeurs, de l’échangeur à plaques ainsi qu’au niveau des dééthaniseurs suite à la présence d’eau dans ces sections.Ainsi, l’objectif tracé dans ce mémoire est d’optimiser les sécheurs, et de choisir le tamis approprié. La procédure de cette étude se déroulera comme suit :Dans la partie théorique, on procédera à la description du procédé, à la présentation : des généralités sur le gaz, de la théorie d’adsorption et de désorption, des différents types d’adsorbant et de leurs caractéristiques.Dans la partie calcul, on procédera au dimensionnement des sécheurs, au calcul du temps de rupture, ainsi que le débit de gaz de régénération.Enfin, on termine le travail par des recommandations et une conclusion générale.

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II- PRESENTATION DE LA REGION : Le champ d’Alrar qui s’étend sur une superficie de 900 Km 2 a été découvert en 1961.Il est localisé dans le bassin d’Illizi, à 1800 Km au sud d’Alger, et à 40 Km au nord du champ pétrolifère de Zarzaitine. Il est caractérisé par une importante accumulation de gaz à condensât.Les travaux de réalisation du complexe d’Alrar ont débuté en 1978 par la firme Américaine « Fluor-Texas » et est mis en service par la Sonatrach en 1984. Les travaux de l’extension de l’usine ( quatrième train ) ont été réalisé par « Mitsubishi » , et la mise en service a été faite en 1997.Les installations de traitement de gaz d’Alrar sont conçues pour traiter 24 millions Sm3/jour de gaz d’alimentation dans quatre trains parallèles, dont la capacité de chaque train est de 6 millions Sm3/jour, afin de récupérer le maximum du produit propane plus.Les gaz associés produits sur les champs d’huile de Stah et de Mereksen sont récupérés à l’aide des compresseurs puis envoyés vers Alrar où ils sont traités dans une section à part.La production journalière en condensât est de l’ordre de 4300 tonnes expédié vers Ohanet, et celle du GPL est de 2500 tonnes expédié vers Haoudh- El-Hamra.Le gaz sec produit est destiné pour: - la vente, via GR1/GR2 vers Hassi- R’mel, -Zarzaitine, - les besoins de la réinjection à travers 26 puits injecteurs dans le gisement d’Alrar Est, - les besoins de la réinjection au niveau des champs de Stah et de Mereksen.

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Composition de l’alimentation :

Composants Gaz d’Alrar (% molaire )

Liquide de Stah / Mereksen (% molaire )

N2 0,32 0,02C1 75,37 15,14C2 9,23 16,63

CO2 4,39 0,81C3 4,25 26,86iC4 0,81 5,63nC4 1,45 18,19iC5 0,58 5,23nC5 0,51 6,03C6 0,76 3,43C7 0,56 1,45C8 0,51 0,46C9 0,38 0,11C10 0,28 0,01C11 0,18 0,00C+

12 0,42 0,00 100,00 100,00

Poids moléculaire 24,49 46,52

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III- DESCRIPTION DU PROCEDE:

. Séparation à l’entrée des trains :

Le gaz pénètre dans le séparateur d’entrée V-101 à une pression de 67.4 bars effectifs et à une température de 74°C, l’eau est évacuée dans le système de drainage par le régulateur de niveau, le gaz s’échappe vers le haut, passe dans la conduite de gaz d’alimentation, et les hydrocarbures liquides récupérés sont refroidis à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-105, et à 27°C dans l’échangeur à propane E-104, et passent dans le ballon de flash V-103 après avoir être mélangés avec ceux, du V-102,du V-122 et du V-470. Les liquides récupérés sont véhiculés à l’aide d’une pompe P-131A ou B vers le coalisceur ME-131 pour éliminer une certaine quantité d’eau avant d’être introduits dans l’un des sécheurs V-131 A ou B.

.Refroidissement et déshydratation du gaz :

- Refroidissement :

Le gaz d’alimentation provenant du V-101 est refroidi , à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-101, à 48°C à travers l’échangeur à gaz E-102 , et à 27°C au niveau de l’échangeur à propane E-103.Les liquides récupérés dans le ballon V-102 sont mélangés aux effluents de E-104 et dirigés vers V-103. L’eau est drainée de l’appendice sous la commande du régulateur de niveau de l’interface eau- condensât.

-Déshydratation : ( Voir la théorie d’adsorption )

Afin d’éviter la formation des hydrates dans la section froide on sèche, les gaz dans les sécheurs à gaz V-121 A ou B et les liquides dans les sécheurs V-131 A ou B.

A- Déshydratation des gaz :

Le gaz du V-102, qui suit une direction descendante dans le V-121 A ou B, est séché durant 12 heures à travers un lit de tamis moléculaires, jusqu’à un point de rosée inférieur à -101°C.

- Régénération :Une partie du gaz déshydraté prélevée après le filtre F-121, est chauffée

jusqu’à 274°C dans l’échangeur à circulation d’huile chaude E-122,passe à travers le déshydrateur, sèche le tamis moléculaire en vaporisant les molécules d’eau adsorbées, puis refroidie dans l’aéroréfrigérant E-123 jusqu’à 60°C, et acheminée vers le ballon séparateur vertical V-122.Les hydrocarbures liquides entraînés, sont mélangés avec ceux du V-102 et sont acheminés vers le ballon V-103, l’eau est évacuée vers bourbier.

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Le gaz refroidit est comprimé jusqu’à 70 bars à l’aide des soufflantes (C-121 A/B ) pour rejoindre le gaz d’alimentation à la sortie du V-101.

- Refroidissement:Le gaz déshydraté, utilisé durant la phase précédente, contourne l’échangeur E-122, et pénètre dans le déshydrateur d’une direction ascendante Pendant que l’un des sécheurs est en service, l’autre est en préparation.

-Phases de préparation des déshydrateurs à gaz :

1 - Chauffage : 15’ 2 - Régénération: 5 heures 3 - Refroidissement : 2 heures 4 - Stand-by.

B - Déshydratation des liquides :

Les hydrocarbures liquides sont déshydratés d’une direction ascendante dans l’un des sécheurs V-131 A ou B à 1 PPM, pendant 24 heures,.Pendant qu’un sécheur est en service, l’autre est en phase de préparation .

Régénération :

Avant la régénération on draine les liquides du sécheur vers V-103 sous la pression du gaz d’alimentation prélevé après le filtre F-121.Une partie du gaz résiduel, prélevée à la sortie de E-102 côté calandre, est chauffée à 274°C par la circulation d’huile chaude dans l’échangeur E-132, pénètre dans le sécheur, passe à travers le tamis d’une direction descendante, et le régénère.A la sortie du sécheur le gaz passe dans le E-133 pour être refroidi jusqu’à 60°C et entre dans le ballon V-132, l’eau et les hydrocarbures condensés sont évacués dans le système de drainage, le gaz est dirigé vers le collecteur de fuel- gaz HP.

- Refroidissement:On effectue le refroidissement avec le même gaz utilisé pendant la régénération

si ce n’est qu’il contourne le E-132, et enfin, on remplit le sécheur avec des liquides secs, pris à la sortie du déshydrateur en adsorption.

Phases de préparation des sécheurs à liquides :

1- Drainage : 45’ 2- Chauffage : 5 heures 3- Régénération: 10 heures 4- Refroidissement : 3 heures 5- Remplissage : 45’ 6- Stand-by.

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.Refroidissement et détente du gaz d’alimentation:

La récupération des hydrocarbures liquides se fait à travers le turbo-expander.Le gaz d’alimentation déshydraté est filtré dans le F-121, puis passe à travers une série d’échangeurs à gaz et à propane ( E-141, E-142, E-143 et E-144 ) pour être refroidi jusqu’à -34°C, ensuite acheminé vers le ballon d’alimentation (V-141) du turbo-expander EC-141,.Le gaz en provenance du V-141 est détendu dans le turbo-expander de 60,3 bars à 30 bars , suivi d’un abaissement de température de -34°C à -65°C. Le turbo-expander travaille en parallèle avec la vanne Joule-Thomson FV-101 .Après la détente, les hydrocarbures sont condensés et la séparation définitive est effectuée dans le ballon séparateur V-142; les gaz dégagés sont destinés à refroidir les vapeurs de tête de dééthaniseur au niveau du E-161, ainsi que le gaz d’alimentation dans les échangeurs E-143, E-141 et E-102.Les liquides récupérés dans les ballons V-141 et V-142 sont introduits au niveau du 19ème plateau du dééthaniseur.L’énergie résultante de la détente du gaz d’alimentation dans le turbo-expander est utilisée pour entraîner le compresseur de gaz résiduel directement accouplé. Le gaz résiduel est comprimé de 27.2 à 32 bars puis envoyé vers V-171, ballon d’aspiration du deuxième étage du compresseur C-171.

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Section de fractionnement :

1- Description du dééthaniseur V-161:

Les deux circuits d’alimentation du dééthaniseur sont les suivants:a- les liquides en provenance de V-141 et V-142 sont introduits au niveau du 19ème plateau ( alimentation froide ),b- les liquides en provenance de V-131 A ou B, les liquides de Stah/Mereksen et les liquides en provenance de V-171 sont introduits au niveau du 6ème plateau ( alimentation chaude).La colonne est conçue pour rejeter l’éthane et le méthane et ainsi on aura un produit de fond exempt de ces constituants.L’alimentation de la section inférieure du V-161 est chauffée au préalable jusqu’à 140°C par échange de chaleur avec les résidus de la colonne de stabilisation du condensât dans le préchauffeur E-166.Le V-161 est une colonne de reflux comportant 30 plateaux, fonctionnant à une pression de 26 bars effectifs.La vapeur de tête est partiellement condensée dans le condenseur E-161 qui est refroidi par les vapeurs de l’expander. Les produits éthane et méthane sont recueillis sous forme de vapeur et acheminés vers le compresseur de gaz résiduel C-171. Le liquide condensé est recueilli dans le ballon de reflux V-162 puis pompés vers le plateau supérieur comme produit de reflux.Le rebouilleur E-162 du dééthaniseur réchauffe une partie des liquides du plateau 1 avec transfert de chaleur par circulation d’huile chaude dans le rebouilleur, côté tubes.Le E-162 fournit la chaleur nécessaire pour vaporiser et éliminer le méthane et l’éthane du produit de fond.Les produits de fond du dééthaniseur sont des hydrocarbures propane et plus et sont acheminés vers la colonne de stabilisation de condensât.

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2- Description du débutaniseur V-163:

Le résidu du dééthaniseur est préchauffé dans le E-163 avec les produits de fond de V-163 et ensuite introduits au niveau du 16ème plateau du débutaniseur.La colonne fonctionne à une pression permettant de condenser les vapeurs du propane et du butane à une température de 61°C en utilisant un refroidissement à l’air.La vapeur de tête est entièrement condensée dans l’aérocondenseur E-164.Une partie du produit de tête recueillie dans le ballon de reflux V-164 de la colonne de stabilisation de condensât est acheminée par les pompes P-161 A ou B vers le plateau supérieur à titre de reflux. Les P-162 A ou B servent également à acheminer le GPL vers le stockage, à alimenter les pompes d’alimentation de la colonne de fractionnement de GPL (P-401A ou B) ainsi que les pompes d’injection de GPL (P-163 A ou B)La colonne de stabilisation de condensât comprend 36 plateaux. La vapeur de fractionnement est obtenue en chauffant une partie du liquide du premier plateau en utilisant un rebouilleur à circulation d’huile chaude (E-165)Les produits de fond de V-163 (condensât) sont refroidis à 38°C par échange de chaleur avec les produits de fond de V-161 au niveau du E-163, avec les liquides de flash au niveau du E-166 et avec le propane dans le E-167 avant d’être acheminés vers les bacs de stockage.

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Boucle de la réfrigération au propane :

Chaque train de traitement de gaz est équipé d’une boucle de refroidissement au propane dans le but de faire descendre la température du gaz à traiter à des températures très basses, pour arriver à un meilleur traitement et une grande récupération de GPL et du condensât.

Equipement de la boucle de propane : - C-151 : compresseur à trois aspirations et un refoulement, entraîné par une turbine à gaz (GT-151).-V-151 : ballon d’aspiration du 1er étage (0,1 bar, -40°C)-V-152 : ballon d’aspiration du 2ème étage (1,.4 bar, -21°C)-V-153 : ballon d’aspiration du 3ème étage ( 7,9 bars, 21°C)-V-154 : ballon d’appoint de propane (19,4 bars, 57°C)-E-151 : aéroréfrigérant (24) du refoulement du C-151-E-152 : échangeur propane / gaz de tête du V-161-E-167 : échangeur propane/condensât vers stockage-E-103 : échangeur propane / gaz d’alimentation-E-104 : échangeur propane / liquides non déshydratés-E-142 et E-144 : échangeur propane / gaz déshydratés

NB: Dans tous les échangeurs cités ci-dessus, le propane circule côté calandre.

-Description de la boucle de propane:

Le système de réfrigération au propane fournit trois niveaux de réfrigération: -40°C, -21°C et +21°CLe propane est principalement utilisé pour refroidir le gaz d’alimentation en vue de la condensation des composants les plus lourds; le réfrigérant est également utilisé pour le refroidissement de l’alimentation liquide et pour sous refroidir les produits de fond de la colonne de stabilisation de condensât.Les niveaux de pression du réfrigérant correspondant aux températures sus-mentionnées sont les pressions des trois étages du compresseur du propane (C-151). Les vapeurs du réfrigérant sont comprimées jusqu’à une pression de refoulement égale à 20,5 bars effectifs. Les vapeurs chaudes refoulées par le compresseur sont refroidies et condensées dans l’aérocondenseur E-151. Le propane liquide est recueilli dans le ballon tampon V-154 qui fournit le réfrigérant aux divers échangeurs.Une dérivation à débit minimal ( propane à l’état gazeux) maintien le débit vers les trois ballons d’aspiration pour permettre un fonctionnement en continu indépendamment de la charge du procédé.Un circuit partiel de réfrigérant liquide (trempe) en provenance du ballon V-154 se mélange avec le circuit de dérivation de gaz chaud (débit minimum). Le débit de ce circuit de trempe est contrôlé par la température du gaz des ballons d’aspiration prévus à chaque étage. Ainsi, même si l’unité est mise à l’arrêt le compresseur reste chargé

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automatiquement et restera en service.Le réfrigérant liquide haute pression en provenance de V-154 est refroidi jusqu’à 53°C dans le E-152 en chauffant les vapeurs de tête du dééthaniseur.Le liquide en provenance de E-152 alimente: - E-167 pour refroidir les produits de fonds de la colonne de fractionnement de

condensât. - E-104 pour le refroidissement du liquide du séparateur d’entée. - E-103 pour refroidir le gaz d’alimentation.Les vapeurs du réfrigérant sortant des échangeurs sus-mentionnés se mélangent au propane de la dérivation minimale avant d’entrer dans le ballon V-153 (à 7,9 bars effectifs et 21°C), ces vapeurs alimentent le troisième étage du compresseur.Le liquide de ce même ballon est réparti en deux circuits : une partie est acheminée vers le ballon du deuxième étage et l’autre constitue le propane de réfrigération pour le refroidissement du gaz d’alimentation dans E-142.Les vapeurs en provenance de E-142 se mélangent au circuit de la trempe de la dérivation à débit minimal avant d’entrer dans le V-152.Les vapeurs du réfrigérant à une pression de 1,4 bar effectif et une température de-21°C en provenance de V-152 alimentent le deuxième étage du compresseur.Le propane liquide du V-152 sert à refroidir d’avantage le gaz d’alimentation dans E-144.Le propane évaporé au niveau de E-144 est mélangé au circuit de trempe de la dérivation à débit minimal, puis pénètre dans le ballon V-151. Les vapeurs du propane à 0,1 bar et -40°C constituent l’alimentation du premier étage du compresseur C-151.Le ballon V-151 est normalement sec, lorsque du liquide est présent dans ce ballon, il est vaporisé par du gaz chaud provenant du refoulement du compresseur.Ce ballon reçoit également les purges des échangeurs E-152, E-103, E-104, E-167 et E-142, car il possède un pot de purification à travers lequel on peut évacuer les liquides et les impuretés vers bourbier.Les impuretés lourdes pouvant se produire dans le propane se déposent par gravité dans les pots de purification situés sous V-151 et E-144.Les hydrocarbures légers se vaporisent, et les composants lourds seront vidangés vers bourbier.

N.B: Les niveaux de réfrigération au propane du train 4 diffèrent des autres trains, les pressions diffèrent aussi. Ces paramètres sont portés dans le tableau suivant:

Pression de vaporisation du propane

Température du réfrigérant Propane vaporisé vers

1,2 bar (g) -22°C 1er étage du C-1513,6 bars (g) -1°C 2ème étage du C-1517,8 bars (g) +21°C 3ème étage du C-151

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Avantages de la boucle de refroidissement au propane:

La boucle de refroidissement au propane joue un rôle très important lors du traitement du gaz naturel, car elle influe directement sur la production.Parmi les avantages de la boucle:

1- Protection contre la corrosion:

En l’absence de la boucle, il faudra abaisser la température au niveau de E-101 au dessous de 48°C, et à cette température et avec une pression de 68 bars, l’eau se condense à travers les aéroréfrigérants.L’eau condensée se combine avec le CO2 et forme l’acide carbonique, (vu que le gaz d’Alrar est riche en CO2 ):

CO2 + H 2O H2 CO3

Et il y aura combinaison de cet acide avec le fer pour donner les carbonates de fer: Fe + H2 CO3 FeCO2 + H2

Alors que si la boucle est en service, on peut garder la température à la sortie de E-101 à 60°C et à cette température, on n’a pas une grande condensation d’eau à travers les aéroréfrigérants E-101.

2- Augmentation de la production :

L’avantage de la boucle, on le voie clairement lorsque celle-ci est à l’arrêt, car on doit réduire le débit de gaz d’alimentation.Pourqoui la réduction de la charge ?Les déshydrateurs de gaz installés dans chaque train ont une certaine capacité d’adsorption d’eau durant leur durée de service. La quantité d’eau entraînée par le gaz vers les sécheurs est variable selon la variation de la température, pour cette raison, la boucle de propane est utilisée pour atteindre une température de 27°C à la sortie de E-103. A cette température une grande quantité d’eau est récupérée dans le ballon V-102 et par conséquent une réduction de la quantité d’eau à l’entrée des sécheurs.Si la boucle de propane est à l’arrêt, la température du gaz à la sortie de E-103 augmente et peut atteindre les 40°C en été. A cette température la récupération d’eau au niveau du ballon séparateur V-102 diminue, et la quantité d’eau vapeur dans le gaz augmente, et on aura la saturation immédiate des sécheurs à gaz.Donc on a une seule solution : réduire la charge afin de garder le fonctionnement normal des sécheurs.

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Le système d’huile chaude :

Le système d’huile chaude fournit le fluide chauffant pour les utilisateurs suivants:1- Rebouilleurs : - E-162 du dééthaniseur, - E-165 du débutaniseur, - E-403 du dépropaniseur.2- Réchauffeurs de gaz de régénération : E-122 et E-132.3- Vaporisateur de GPL : E-177.4- Autres : - E-146 réchauffeur du gaz d’étanchéité de l’expander. - E-153 réchauffeur d’urgence de gaz de tête du V-161. - E-430 réchauffeur du fuel-gaz. - E-406 réchauffeur du gaz de dégivrage.L’huile chaude circule dans une boucle fermée, elle est contenue dans le ballon tampon V-181 à une température de 204°C. L’huile est pompée par deux des pompes P-181 A/B/C/D et envoyée partiellement aux échangeurs utilisateurs E-146 et E-153, et le reste passe dans l’économiseur H-181 où l’huile est préchauffée jusqu’à 216°C par les gaz d’échappement des turbines à gaz GT-171, ensuite chauffée dans le four à 288°C. L’huile chaude sortante de H-182 est distribuée aux échangeurs suivants : E-122 , E-132, E-165, E-177, E-403, E-406 et E-430.L’huile provenant de chaque échangeur est collectée dans un pipe et renvoyée au ballon tampon V-181.Pour maintenir le débit minimum de l’huile chaude dans l’économiseur et le four, une ligne de by-pass d’huile et un aéroréfrigérant E-181 sont prévus’ ainsi le système d’huile chaude peut fonctionner en circuit complètement fermé à tout moment..

N.B: En cas d’arrêt de la circulation d’huile dans les tubes, il faut arrêter les brûleurs, sinon le serpentin risque d’être surchauffé très rapidement car il n’est plus refroidi par la circulation d’huile. Pour cela le four est prévu d’une sécurité de bas débit du fluide à réchauffer (FSL 158), et éventuellement, un système coupant l’arrivée du gaz combustible aux brûleurs.

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Séchage du four :

Quand le four est à l’arrêt pour une longue durée, il est nécessaire de faire un séchage (du four) avant sa mise en service, et si cette procédure est effectuée convenablement, le four donnera un service maximum sûr et sans problèmes.Durant le séchage, il ne faut pas chauffer très rapidement car la vapeur produite dans le revêtement réfractaire entraînera un éclatement thermique et la perte éventuelle de la paroi réfractaire.La procédure à suivre:- traiter le revêtement réfractaire à l’air pendant 24 heures au moins.- mettre en ligne le circuit d’huile chaude du four H-182.- commencer l’écoulement en faisant démarrer l’une des pompes P-181.- vérifier l’alimentation en fuel-gaz ( pilotes et brûleurs).- allumer tous les pilotes de telle manière d’atteindre une température entre 148°C et

204°C.- allumer un brûleur et chauffer doucement, si cela n’est pas suffisant, en allumer un

autre.- maintenir la température de la cheminé (TJI 185) entre 148 et 204°C pour une

période d’au moins quatre heures.- si la température est de 204°C, mettre la TIC sur auto.- allumer suffisamment de brûleurs pour amener la température de la cheminé à 204°C

et maintenir cette température pendant deux heures.- augmenter le chauffage de manière à ce que la température de la cheminé augmente

de 10°C par heure et jusqu’à ce qu’elle atteigne 343°C, la maintenir pendant une période d’au moins quatre heures.

N.B: S’il se produit un surchauffage à n’importe quel moment, éteindre tous les pilotes et brûleurs immédiatement et laisser refroidir.

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- Compression du gaz résiduel : La température de la vapeur sortante du ballon de reflux V-162 , est de -40 °C, cette vapeur doit être chauffée avant d’être comprimée. La réfrigération que ce circuit offre est utilisée pour refroidir le GPL dans E-168 ainsi que le propane dans E-152. Un préchauffeur d’urgence E-153 est prévu pour ramener la température des vapeurs à 49°C ( si nécessaire); ces dernières se dirigent vers le ballon V-170 pour alimenter le premier étage du compresseur du gaz résiduel à 21.9 bars et 49°C. Le gaz chaud refoulé est refroidi à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-174..Le gaz refroidi sortant de E-174 est mélangé avec le gaz résiduel provenant du compresseur EC-141 à une pression de 32.2 bars effectifs et à une température de 75°C ainsi que le GPL des pompes P-163 A ou B et P-421 A ou B vaporisé dans le E-177. Ce gaz résiduel est introduit dans le ballon V-171 pour être ensuite acheminé vers l’aspiration du deuxième étage du compresseur C-171 à une pression de 31.9 bars effectifs et une température de 70°C.Le gaz refoulé par C-171 à 84,2 bars est refroidi jusqu’à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-171.Une dérivation à débit minimal est prévue pour permettre le fonctionnement en continu du compresseur indépendamment de la charge du procédé pour le premier et le deuxième étage.Le gaz résiduel passe dans le collecteur des boosters des trains; une partie est envoyée vers Hassi-R’mel à 65bars à travers GR1/GR2 , l’autre vers Zarzaitine et les trois groupes des compresseurs de réinjection à 84 bars effectifs.A noter que le premier et le deuxième étage des boosters sont banalisables et que les gaz du C-471 peuvent être envoyés irréversiblement vers le premier étage des C-171 des quatre trains.

N.B : Dans le cas du train 4, lorsque le gaz du 04-C-171 est comprimé par C-171 des autres trains, le train 4 ne peut pas récupérer la chaleur perdue de GT-171 par H-181 et l’apport de chaleur de l’huile chaude est inférieur à celui du fonctionnement non banalisé.Le fonctionnement normal peut être réalisé sans réduire le débit de gaz d’alimentation( soit 6,2 .106 Sm3 / jour). Toute fois, le débit de gaz d’alimentation doit être réduit pour l’injection de GPL.

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Le débit de gaz d’alimentation doit être diminué comme suit :

INJECTION GPL,ETE INJECTION GPL, HIVERAvec GT-171 Sans GT-171 Avec GT-171 Sans GT-171

Charge usine % 100 89,7 100 86,8Gaz d’alimentation 106 Sm3/jour 6,2

5,56 6,2 5,38

Capacité calorifique

H-181 (106 Kcal/h)

H-182 (106 Kcal/h)

1,603

18,13

-

18,13

2,11

18,13

-

18,13

Cas des trains Fluor :

INJECTION GPL,ETE INJECTION GPL, HIVERAvec GT-171 Sans GT-171 Avec GT-171 Sans GT-171

Charge usine % 100 100 100 100Gaz d’alimentation 106 Sm3/jour 6,2 6,2

6,26,2

Capacité calorifique

H-181 (106 Kcal/h)

H-182 (106 Kcal/h)

10,33

24,37

-

24,37

10,33

24,37

-

24,37

Sans la GT-171, la capacité à traiter reste inchangée lors de l’injection de GPL vu la capacité calorifique importante du four.

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- Différents cas de fonctionnement d’un train :

Au cas ou le compresseur de propane C-151 est a l’arrêt ou si le turbo-expander serait à l’arrêt, ou en cas d’arrêt de tous les deux, le train peut fonctionner. Toutefois, le débit du gaz d’alimentation doit être réduit comme suit :

Normal fonctionnement avec J-T

C-151 à l’arrêt

J-T et C-151à l’arrêt

C-151EC-141

en serviceen service

en serviceà l’arrêt

à l’arrêten service

à l’arrêtà l’arrêt

Charge de l’usine 100% 100% 60% 48%Gaz d’alimentation

(MM Sm3/jour) 6,20 6,20 3,72 2,98

Remarques Non recommandable

Comme c’est indiqué ci-dessus, le fonctionnement avec la J-T peut se faire sans réduire la charge. Toutefois, lorsque C-151 est à l’arrêt, le débit de gaz d’alimentation doit être réduit à 60%. Si la vanne Joule-Thomson et le C-151 sont à l’arrêt, le débit de gaz d’alimentation doit être réduit jusqu’à 48%. Le débit de gaz d’alimentation de chaque cas est défini par le débit d’humidité vers V-121Le train ne doit pas être mis en service sans C-151 en hiver, car le givrage sera provoqué à la sortie de E-101.

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ZONE 15 : Réinjection du gaz résiduel :

Le gaz résiduel acheminé vers le collecteur est mélangé avec celui du C-471, puis passe dans le ballon d’aspiration (V-251) du premier étage du compresseur C-251 à une pression de 80.7 bars effectifs et à une température de 60°C, le C-251 comprime le gaz à 163 bars effectifs. Le gaz chaud refoulé à 168°C est refroidi jusqu’à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-251, une partie est prise comme dérivation à débit minimal pour permettre le fonctionnement normal du compresseur indépendamment de la charge du procédé, l’autre est introduite dans le deuxième étage du compresseur C-252 par l’intermédiaire du ballon d’aspiration V-252 à une pression de 160.5 bars effectifs et à une température de 60°C,pour être comprimée à 321.3 bars effectifs . Une fois refoulé le gaz est refroidi jusqu’à 85°C dans l’aéroréfrigérant C-252.Une conduite de minimum flow est prévue pour le deuxième étage.Le gaz de sortie de E-252 est acheminé vers Stah/Mereksen et le collecteur des trois dorsales menant aux puits injecteurs.

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Récupération des liquides et compression du gaz Stah et Mereksen :

Le gaz d’alimentation en provenance de Stah et Mereksen entre dans le ballon séparateur V-470 à une pression de 26,5 bars et une température de 54°C. Après cette séparation préliminaire les liquides sont acheminés vers le E-104 des trains 1, 2 et 3 par les pompes P-471 A ou B, et les gaz sont dirigés vers la batterie d’échangeurs (E-471, E-472, E-473 et E-474) pour être refroidis jusqu’à -18°C par échange de chaleur avec le gaz résiduel froid dans E-471 et E-473 et avec le propane frigorigène dans les échangeurs E-472 et E-474.Le gaz froid est introduit dans le ballon V-471, les liquides résultant de la séparation sont utilisés pour sous-refroidir le propane dans E-470 puis acheminés vers le E-166 du dééthaniseur V-161 des trains 01, 02 et 03 par l’une des pompes P-472 A ou B; et le gaz refroidit le gaz d’alimentation dans les échangeurs E-473 et E-471, puis introduit dans le ballon d’aspiration V-472 du compresseur C-471 pour le comprimer de 20,7 bars effectifs à 85,3 bars effectifs. Le gaz résiduel chaud refoulé par C-471 est refroidi jusqu’à 60°C dans l’aéroréfrigérant E-475.Une partie comme dérivation à débit minimal est prévue pour maintenir le compresseur en fonctionnement indépendamment de la charge du procédé.Le gaz résiduel à une pression de 84 bars effectifs et une température de 60°C est envoyé vers Zarzaitine ou bien combiné avec les gaz résiduels des quatres trains puis acheminés vers les ballons d’aspiration des compresseurs C-251 A/B/C pour la réinjection.

N.B: Actuellement, le gaz résiduel de C-471 est envoyé vers Hassi-R’mel à 65 bars, à travers les gazoducs GR1/GR2.

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Boucle de réfrigération à propane :

Le système de réfrigération au propane fournit deux niveaux de réfrigération, -23°C et +2°C.Les niveaux de pression du réfrigérant correspondant aux températures sus-mentionnées sont les pressions d’aspiration des deux étages du compresseur C- 472 : 1,2 et 4,1 bars effectifs. A signaler que ce dernier est entraîné par un moteur électrique.Le réfrigérant est principalement utilisé pour refroidir le gaz d’alimentation de Stah/Mereksen et le propane sortant du dépropaniseur V-401.Les vapeurs du propane frigorigène sont comprimées dans le compresseur C-472 jusqu’à 21,2 bars effectifs puis refroidies à 60°C et condensées dans l’aéro-condenseur E-479. Le propane liquide est recueilli dans le ballon V-476, il est refroidi jusqu’à 16°C dans le E-470 en préchauffant le liquide de V-471, et passe aux utilisateurs suivants: - E-405 pour refroidir le propane allant vers stockage , - E-472 pour refroidir le gaz d’alimentation Stah/Mereksen, - V-474 pour alimenter le E-474.Les vapeurs du propane en provenance des échangeurs E-405 et E-472 sont combinées avec le débit minimum et le circuit de trempe puis acheminés vers V-474 Les vapeurs de ce dernier (V-474) alimentent le second étage du compresseur. Les liquides de V-474 servent à refroidir le gaz de Stah / Mereksen dans E-474.Les vapeurs de propane en provenance de E-474 se mélangent avec le débit minimum et le circuit de trempe et alimentent le ballon d’aspiration du premier étage (V-473) à 1,2 bars effectifs et -23°C

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Fractionnement des GPL :

Une partie des produits de tête du débutaniseur V-163 est acheminée par l’une des pompes P-162 A ou B, puis introduite au 21ème plateau du dépropaniseur V-401, par l’intermédiaire de P-401 A ou B.La colonne fonctionne à une pression de 21 bars effectifs pour condenser les vapeurs de tête dans le condenseur E-402 à 55°C en utilisant un refroidissement à l’air. Les liquides du ballon de reflux V-402 sont pris par l’une des pompes P-402 A ou B ; une partie est envoyée vers le plateau supérieur à titre de reflux, le reste est acheminé vers stockage ou V-154 des quatres trains et V-476 comme appoint, après son refroidissement jusqu’à 27°C dans l’échangeur à propane E-405.La vapeur de fractionnement est obtenue en vaporisant partiellement une partie du liquide du fond de la colonne par l’intermédiaire du rebouilleur E-403. Le butane liquide est acheminé vers l’aéroréfrigérant E-404 pour y être refroidi jusqu’à 60°C avant d’être envoyé vers le stockage.

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Les utilités :

1- Air service et air instrument: L’air est fourni par quatre compresseurs ( deux de marque Tide-Air et deux Sullair) et trois compresseurs mobiles de secours; et en cas de besoin par les compresseurs axiaux des GT-171 des trains Fluor et des GT-251 A/B et C.Deux compresseurs envoient l’air vers le ballon V-432 où une partie assure le besoin d’air service à 8,6 bars effectifs après être refroidi à 54°C dans l’aéroréfrigérant E-431 A ou B.L’autre partie est séchée dans les sécheurs ME-403, filtrée et introduite dans le ballon d’air instrument V-433 à 6,9 bars pour être acheminée vers les ballons V-184 des quatre trains et d’autres utilisateurs.

2- Eau de refroidissement:

L’eau de refroidissement aspirée du ballon V-440 à 0,35 bars et 63,6°C par les pompes P-433 A/B est refoulée à 4,3 bars effectifs, puis refroidie jusqu’à 54,4°C dans l’aéroréfrigérant E-432 A ou B pour l’envoyer aux divers utilisateurs à savoir les pompes P-471, P-472, P-421 et P-181. Sur le chemin de retour vers le ballon tampon V-440 l’eau est filtrée dans le filtre F-403.

3-Réseau du gaz combustible:

Les différentes sources de fuel-gaz sont les suivantes:- V-103 à travers la PV-107,- V-132 à travers la PV-129,- V-470 à travers la PV-580,- piquage pris de l’alimentation du compresseur EC-141 et commandé par la FV-124,- piquage pris du gaz de sortie de V-162 après la PV-138 commandée par la FV-134.Toutes ces sources alimentent le ballon séparateur du fuel-gaz haute pression V-430 à 26,5 bars et 54°C.Les gaz sortants du V-430 sont préchauffés dans E-430 par l’huile chaude avant d’alimenter le collecteur de fuel-gaz haute pression des turbines à gaz à une pression de 17,2 bars effectifs et à une température de 60°C; ainsi que le ballon V-431 de fuel-gaz basse pression à 3,45 bars effectifs après une détente à travers la PV-581A. Le fuel-gaz basse pression alimente les pilotes et les brûleurs des fours, les pilotes des torches, du CRD et du HCD, les ballons tampons de l’huile chaude V-181, les pots d’épuration, les cigares, les sphères, le T-402 ainsi que les lignes des torches, HCD et CRD pour le balayage.

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Stockage et expédition :

- Le GPL:

Le GPL conforme aux spécifications est stocké, dans les trois sphères T-403 A/B/C ayant une capacité individuelle de 3978 m3, à une pression de 3 bars effectifs et une température de 2°C. L’expédition du GPL conforme vers Haoudh-El-Hamra à travers le LR1 se fait par les pompes P-408 A/B/C à 73 bars effectifs, alimentées par les P-407 A/B/C.Le GPL hors spécifications est stocké dans la sphère T-404 d’une capacité de 949 m3. Les pompes P-421 A/B servent à acheminer le GPL non conforme vers le E-104 des quatre trains pour retraitement ou vers l’évaporateur de GPL pour réinjection.Pour transférer le GPL entre les bacs les pompes P-411 A/B sont prévues.

- Le condensât :

Le condensât en provenance de E-167 à une pression de 3,4 bars effectifs et une température de 38°C est stocké dans les réservoirs à toit flottant T-401 A/B/C à 1 atm et 38°C.La capacité de chaque tank est de 7276 m3.Le condensât conforme aux spécifications est expédié vers Ohanet à 45 bars au moyen des pompes P-404 A/B ou C alimentées par les P-403 A/B ou C .Le condensât qui ne répond pas aux normes est stocké dans le réservoir à toit fixe T-402, la capacité de ce dernier est de 7994m3.Pour retraiter le produit hors spécifications on l’envoie à l’aide des pompes P-405 A ou B vers le V-103 des quatre trains, et pour le transfert inter-bacs on utilise l’une des pompes P-406 A ou B.

- Le propane et butane:

Le propane conforme aux spécifications est stocké dans les cigares V-405 A et B d’une capacité individuelle de 75 m3, à une température de 27°C et à une pression de 9,9 bars effectifs. Le chargement des camions citernes, pour la vente du propane, se fait par la pompe P-413.Quant au butane on spec, il est stocké dans les ballons cigares V-406 A et B à une température de 65°C et une pression de 6,5 bars effectifs, pour la vente par P-415. La P-422 est une pompe commune (propane- butane) pour la vente ou le transfert vers les sphères.Le propane ou le butane off spec est envoyé vers la sphère de GPL à retraiter T-404.

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IV – GENERALITES SUR LES GAZ:

Le gaz naturel est l’une des formes les plus courantes des hydrocarbures que l’on extrait des gisements.Le gaz naturel peut exister à l’état liquide ou gazeux selon les conditions de pression et de température qui règnent dans leur gîte naturel ou dans les installations de production par les quelles il transite.

On distingue plusieurs types de gaz :

1- Gaz à condensât :Si la température du réservoir est comprise entre la température critique du mélange et la température maximum d’équilibre des deux phases, et si la pression du réservoir est supérieure ou égale à la pression de saturation à la température d’équilibre alors le gisement contient du gaz à condensât.

2- Gaz humide :Un gaz est dit humide s’il est associé à une production de liquides dans les conditions ambiantes de surface sans donner lieu à une condensation rétrograde dans le réservoir.

3- Gaz sec : Un gaz sec ne produit de liquides ni dans les conditions de surface ni dans le réservoir.

Caractéristiques de base des gaz naturels :

Les gaz naturels peuvent être caractérisés essentiellement par trois propriétés :la densité, le pouvoir calorifique et la composition chimique.

1- Densité : Habituellement la densité d’un gaz est définie par le rapport de la masse volumique dans les conditions de référence choisies ( par exemple : pression atmosphérique et température normale) à celle de l’air dans les mêmes conditions.La densité des gaz naturels est couramment mesurée par des balances qui comparent à la même température la poussée d’Archimède, sur un flotteur, de l’air et du gaz à étudier.La densité d’un gaz peut être aussi déterminée à partir de sa masse moléculaire, que l’on peut définir au moyen de sa composition chimique, en utilisant la relation :

Densité du gaz = masse moléculaire / 29.

2- Pouvoir calorifique : Définition :On appelle pouvoir calorifique d’un combustible liquide ou gazeux, la quantité de chaleur dégager par la combustion d’une unité de masse ou de volume. Pour un gaz, le pouvoir calorifique s’exprime en joules par mètre cube mesuré dans les conditions de référence.

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On utilise deux valeurs de pouvoir calorifique : pouvoir calorifique supérieur (PCS) et inférieur (PCI).

PCS : correspond à la chaleur totale dégagée lorsque tous les produits de la combustion sont ramenés à la température ambiante. L’eau formée reste à l’état liquide.

PCI : correspond à une réaction de combustion dans laquelle l’eau resterait à l’état de vapeur.Le PCS diffère du PCI d’une quantité qui est égale à la chaleur latente de vaporisation de l’eau.On mesure le pouvoir calorifique d’un gaz par combustion dans un calorimètre. On peut aussi le déterminer indirectement à partir de sa composition chimique.Le PCS d’un gaz naturel dépend de sa composition, et il est de l’ordre de 40 mégajoules/Nm3.

3- Composition chimique : Elle indique la nature des composés hydrocarbures et autres constituants de gaz et leur importance relative dans le mélange.

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V- THEORIE DE L’ADSORPTION :

L’un des problèmes majeur rencontré lors de transport du gaz naturel par pipe-line ou lors de son traitement est celui de la formation de bouchons de glace appelés les hydrates qui se forment lors de la combinaison physique des molécules d’eau avec celles du gaz.

Phénomène de formation d’hydrates :

Les hydrates sont des structures cristallines qui peuvent se former lorsque les hydrocarbures et l’eau libre ( sous forme liquide ) sont en contact sous certaines conditions de pression et de température.

Les constituants qui participent généralement à la formation des hydrates sont les composants volatils tels que : CH4, C2H6, n-C4, i-C4, CO2 et H2S.

Les hydrates résultent d’une combinaison de molécules de gaz qui viennent s’insérer dans les espaces laissés libres par les molécules d’eau sans liaison chimique.

Types d’hydrates :

On distingue deux (2) types d’hydrates :Le premier concernant les molécules de petites tailles :

- le méthane lié avec 6 à 7 molécules d’eau ( CH4, 7 H2O )- l’éthane lié avec 6 à 7 molécules d’eau (C2H6, 7 H2O )- le dioxyde de carbone avec 6 à 7 molécules d’eau(CO2 , 7 H2O ).

Le deuxième type est relatif aux molécules plus grosses telles que le C3H8 et le C4H10

avec 17 molécules d’eau (C3H8, 17 H2O ).

Les tailles des molécules au-delà du n-C4 sont importantes et ne permettent donc pas la pénétration dans le réseau cristallin et, par conséquent, inhibent la formation d’hydrates.

Facteurs favorisant la formation d’hydrates :

1- Facteurs primaires :a- Le gaz est au-dessous de son point de rosée d’où présence d’eau à l’état

liquide dans le gaz.b- Les basses températures favorisent la formation d’hydrates.c- Les hautes pressions favorisent aussi la formation d’hydrates.

2- Facteurs secondaires : a- Les hautes vitesses en créant une forte turbulence.b- Les pulsations de pression.c- L’agitation.

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Prévention contre la formation d’hydrates :

a- Réduction de la pression de service :

Ceci n’est pas possible car le but de la liquéfaction est de faire acquérir au gaz une certaine énergie cinétique ( augmentation de la pression ) afin de le détendre après refroidit.

b- Augmentation de la température au-dessus de celle du début de formation d’hydrates :

Ceci est à éviter aussi pour des raisons de principe de liquéfaction et de perte de production ( grand volume gazeux mis en jeu ).

c- Injection d’inhibiteurs de formation d’hydrates :

Ce sont des produits chimiques jouant le rôle d’antigel ( abaissant le point de formation d’hydrates) tels que le méthanol, le glycol …

Il est intéressant de souligner que le méthanol a un rôle préventif, c’est-à-dire, qu’il n’est efficace que quand il est injecté avant le début de formation d’hydrates.

d- Déshydratation du gaz a un point de rosée plus faible en éliminant le maximum d’eau :

Les méthodes utilisées pour l’élimination de l’eau sont nombreuses et parmi celle-ci on cite :

- l’absorption - pérméation gazeuse- adsorption

Déshydratation par absorption :

Le séchage du gaz naturel est assurer dans ce cas par un lavage à contre courant avec un solvant présentant une forte affinité pour l’eau : ce solvant est le plus souvent un glycol.Le gaz déshydraté sort en tête de colonne, le glycol sortant en fond est régénéré par distillation et recyclé.

Déshydratation par pérméation gazeuse :

Les études on montrés l’intérêt potentiel d ‘un tel procède, qui par rapport a une unité de déshydratation au glycol, pourrait s’avérer plus économique et plus compact, mais à l’heure actuelle, il n’existe pas de procédé industriel de déshydratation par perméation gazeuse.

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Déshydratation par adsorption :

L’adsorption fait partie des opérations physiques de séparation des mélanges. Elle se manifeste lorsqu’on met en contact un fluide et un solide, par une différence de composition entre la phase adsorbée au voisinage immédiat de solide et la phase fluide, donc l’adsorption est un phénomène superficiel qui se produit à la couche séparatrice de deux milieux et qui consiste en une adhésion des molécules à la surface d’une matière adsorbante grâce à l’attraction moléculaire ; cela implique que seules les molécules se trouvant à la surface de la matière adsorbante sont actives tandis que celles qui se trouvent au sein de celle-ci n’y participent pas parce que leur force d’attraction sont neutralisées par celles des molécules voisines.

On distingue deux types d’adsorption : physique et chimique. Dans la première, les molécules adhèrent à la surface et ne donnent pas lieu aux réactions chimiques, ce qui n’est pas le cas dans l’adsorption chimique.L’adsorption physique est un phénomène exothermique.

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Isotherme d’adsorption :

On représente le phénomène d’adsorption quantitative par la courbe isotherme qui relie la quantité de substance adsorbée ( en moles, en poids ou en volume ) par unité de poids d’adsorbant à la concentration ( pour un mélange liquide ) ou à la pression partielle ( pour un mélange gazeux ) à une température constante.

Les isothermes sont ordinairement tracées à partir de données empiriques.La figure ci-dessous représente les courbes correspondant à deux températures différentes. On s’aperçoit que la quantité de substance adsorbée augmente avec la pression partielle ( concentration pour las liquides )et diminue avec la température.

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Adsorption g/g

Concentration ou pression partielle

T2 > T1

T1, 2 : Températures.


Parmi les équations d’adsorption, c’est celle de Langmuir

a = K (b . c ) / (1 + b .c )

et celle de Freundlich

a = K.C1/ n

qui sont les plus couramment utilisées avec :a : quantité d’adsorbât / unité de poids d’adsorbant,c : concentration d’adsorbât ( pour les mélanges gazeux cette valeur peut être remplacée par la pression partielle ),K, b, n : constantes relatives respectivement à l’adsorbât, l’adsorbant et la température.

Différents types d’isothermes :

On représente graphiquement les variations de q ( quantité adsorbée ) en fonction de la pression à une température constante, on obtient des isothermes d’adsorption qui selon Brunauer, S et W. Deming et Teller peuvent être classées en cinq (5) types.

Quelque soit leurs types, les isothermes se rapprochent de l’axe des pressions quand la température augmente : ceci est une conséquence du caractère exothermique de l’adsorption.

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P P0 P P0

I II

P P0 P P0

III IV

P P0

V


Influence des paramètres sur l’adsorption :

1-la température :La capacité d’adsorption décroît avec la température élevée, autrement dit, la capacité d’adsorption est inversement proportionnelle à la température.

Le dégagement de chaleur a pour conséquence de réduire la capacité utile d’adsorption. Cependant les tamis moléculaires sont beaucoup moins affectés par ce phénomène que les autres adsorbants.

2- Vecteur de l’adsorbât :La phase vecteur contenant l’adsorbât influe sur la longueur de la zone de transfert de masse.

En phase liquide, la mobilité des molécules à adsorber est très faible. La vitesse de diffusion par suite la cinétique d’adsorption est nettement inférieure à celle constatée en phase gazeuse.

E n conséquence, la vitesse de passage d’un liquide sera choisie notablement plus faible que celle d’un gaz de manière à maintenir la longueur de la zone de transfert de masse et celle de la colonne dans des dimensions raisonnables.

30

0 50 100 150

30

25

20

15

10

5

0


3 – Vitesse de passage : La vitesse de passage du fluide ne doit pas être trop élevée afin de ne pas conduire à des hauteurs de lits excessives. Elle ne doit pas être non plus trop basse, mais être suffisante pour assurer une bonne répartition du fluide aussi uniforme que possible sur toute la section droite du lit et surtout éviter les chemins préférentiels.

Généralement les vitesses de passage appliquées se situent en phase gazeuse entre 3 et 30 m / minute et en phase liquide entre 0,1 et 1 m / minute.

4- Concentration de l’adsorbât :La capacité d’adsorption croit avec la concentration de l’adsorbât. Cependant, les tamis moléculaires ont la particularité de présenter, à faible concentration des capacités d’adsorption sensiblement supérieures à celles des autres adsorbants. Cette propriété impose bien souvent le choix des tamis moléculaires.

5- Impuretés :Certaines molécules organiques présentent dans le fluide à traiter ou dans le gaz de régénération, peuvent être des poisons pour les tamis moléculaires.Les impuretés adsorbées et accumulées réduisent l’efficacité des tamis moléculaires.

6- La pression :Une augmentation de la pression globale du système gazeux entraîne un accroissement de la pression partielle de l’adsorbât ainsi la capacité d’adsorption augmente.

Application de l’adsorption au séchage du gaz naturel :

La façon la plus courante d’effectuer une opération de séchage consiste à faire passer le gaz sur un lit fixe d’adsorbant solide et poreux. Les molécules d’eau sont piégées dans les pores du solide.

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0 0,01 0,1 1 5 10

30

25

20

15

10

5

0

Pression partielle de l’eau (mm Hg)

Influence de la pression sur l’adsorption sur tamis moléculaire 4A° et l’alumine


L’opération se déroule d’une manière cyclique et continue : chaque cycle comprend essentiellement :

- une phase d’adsorption au cours de laquelle la charge est envoyée sur l’adsorbant frais ;

- une phase de désorption au cours de la quelle l’adsorbant est débarrassé de l’adsorbât.

Description d’une colonne d’adsorption :

Une colonne d’adsorption est principalement constituée d’une virole et deux fonds bombés. Elles comportent :- Deux distributeurs, d’entrée et de sortie,- Plusieurs tubulures (évent, trou d’homme…)- Un support pour le lit,- Des supports intermédiaires peuvent être additionnés si le lit est profond.

Le support de lit dans une colonne d’adsorption est un facteur important pour assurer des performances satisfaisantes.Il est généralement constitué de poutres et de grilles capables de supporter le lit de dessicant, puis de la toile placée sur les grilles, dont le périmètre est calfeutrée avec un cordon d’amiante.Au-dessus de ces toiles, se trouvent des billes de céramique qui peuvent être disposées en plusieurs couches.Généralement, une seule couche suffit dans la partie supérieure du lit afin d’éviter les mouvements de turbulences de l’adsorbât a la surface qui peuvent être causés par un débit d’alimentation trop élevé ( les turbulences créées risquent de provoquer une perturbation et la formation de « dunes » de 30 cm d’où une hauteur de lit insuffisante pour l’adsorption).

Dans la partie inférieure du lit, les billes de céramique sont disposées en deux ou trois couches de différentes granulométrie.La première couche est de diamètre suffisamment grand pour être retenue sur la grille. La dernière elle, retiendra l’adsorbant.Ces billes ont aussi pour fonction de :

- minimiser la formation de poussière au niveau de la surface métallique ( car l’adsorbant et l’acier ont des coefficients de dilatation thermique différents, si bien qu’il y a broyage et formation de poussière durant le cycle thermique).

- éviter le colmatage des ouvertures des grilles qui aura pour conséquence de diminuer les débits.

- éviter les passages préférentiels qui peuvent éroder gravement l’adsorbant. Evolution des concentrations dans un lit fixe :

On suppose qu’on a affaire à un mélange binaire dans lequel un seul des constituants est adsorbé.

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Les figures montrent quatre étapes successives de l’opération :

La figure a, correspond à un instant où peu de fluide a encore pénétré dans la colonne, la première couche d’adsorbant reçoit un mélange appauvri par l’adsorption dans les couches précédentes, par la suite, la concentration du fluide diminue, quant on s’éloigne de l’entrée.

La première couche se met rapidement en équilibre avec la charge par la suite sa concentration ne variera plus.

A une certaine distance de l’entrée, le fluide est pratiquement débarrassé de soluté : C = 0. On a donc à un instant voisin de l’état initial, un profil de concentration tel que celui de la figure b. Dans la partie inférieure du graphe on a figuré l’état des concentrations dans la colonne par des hachures d’autant plus serrés que la concentration est plus forte.

Plus tard, une partie plus importante de la colonne est saturée : les concentrations ne commencent à varier qu’à une certaine distance de l’entrée et s’annulent avant l’extrémité de la colonne.

La zone où les concentrations varient s’appellent l’onde d’adsorption ou la MTZ (Zone de Transfert de Masse ). C’est dans cette surface que se produisent les phénomènes d’échange entre le fluide et l’adsorbant.

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Propriétés des adsorbants :

Les adsorbants utilisés industriellement se présentent sous forme d’un solide généralement très poreux, en granulés ou en poudre.

La quantité de matière adsorbée ne dépend pas seulement de la température opérationnelle et de la pression, mais elle dépend aussi des propriétés des adsorbants utilisés, parmi ces propriétés on cite :

1- La taille des adsorbants :

Elle intervient essentiellement de deux manières sur le cours de l’adsorption :

1-a. par son influence sur la vitesse de transfert diffusionnel des constituants vers et dans les particules solides.

2-b. par son influence sur le comportement hydrodynamique de l’adsorbeur.

2- Le diamètre équivalent :

Dans les corrélations concernant les pertes de charge on a besoin d’une caractérisation plus précise ( et pour des particules non sphériques ) : c’est la notion du diamètre équivalent qui est le diamètre de la sphère dont la surface est égale à la surface extérieure de la particule.

3- La porosité :

Dans l’étude des lits fixes, on utilise généralement une autre grandeur qui est la porosité, elle est liée à la forme des particules ainsi qu’à la manière dont elles sont disposées.La porosité ε, est la fraction volumétrique du lit constitué par l’espace laissé libre entre les particules.Les grains d’adsorbant sont eux même poreux, ce qui leur permet de développer une grande surface pour l’adsorption. Elle est donnée par la fraction des volumes des pores sur le volume total du lit.

4- Le diamètre moyen des pores :

C’est le diamètre du cylindre ayant même volume et même surface latérale que l’ensemble des pores.

5- La surface spécifique :

C’est la caractéristique la plus importante d’un adsorbant : c’est la surface offerte par les pores d’un gramme de solide.

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Différents types d’adsorbants :

Après avoir donné leurs caractéristiques, on va examiner séparément les principaux types d’adsorbants.

1- L’alumine activée :

L’alumine activée est obtenue par la déshydratation partielle de certaines alumines par voie thermique. Ses principales propriétés sont les suivantes :

Tailles des particules de 0,8 à12 mmMasse volumique 1 g / cm3

Chaleur spécifique 0,21 cal/mole °CVolume des pores 0,35 ml/gSurface spécifique 300 à 350 m2/gDiamètre moyen des pores 40 °A Cet adsorbant est stable jusqu’à 500°C ; sa régénération se fait par voie thermique entre 200 et 250 °C.

2- Le charbon actif :

Cet adsorbant peut être préparé à partir d’un certain nombre de matières premières dont les principales sont aujourd’hui les coquilles de noix et le charbon. Le traitement s’effectue thermiquement en l’absence d’air. Gans le cas du charbon il est suivi d’une activation par la vapeur d’eau à haute température. L’activation d’un adsorbant consiste en l’élimination, par un traitement chimique ou thermique, des substances bloquant une partie des pores, ou d’une partie de l’adsorbant lui-même, créant ainsi de nouveaux pores.

Il existe une grande variété de charbons actifs qui se présentent généralement sous forme de granulés. Leurs propriétés physiques sont les suivantes :

Tailles des particules de 1 à 6 mmMasse volumique 0,7 g / cm3

Chaleur spécifique 0,3 cal/mole °CVolume des pores 0,6 ml/gSurface spécifique 1000 m2/gDiamètre moyen des pores 24 °A

La température d’utilisation ne doit pas dépasser 150°C ( en particulier lors de la régénération par la vapeur d’eau ).Les charbons actifs sont de bons adsorbants pour les hydrocarbures et les matières organiques en général. Ils sont surtout utilisés pour la récupération des solvants.

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3- Le silica-gel :

Il se présente sous forme de grains, il contient 92 % de silice, 6 % d’eau et 2 % de sels minéraux.Les propriétés du silica-gel sont potées dans le tableau suivant :

Tailles des particules de 1 à 6 mmMasse volumique 1,1 g / cm3

Chaleur spécifique 0,26 cal/mole °CVolume des pores 0,37 ml/gSurface spécifique 700 m2/gDiamètre moyen des pores 21 °A

Le silica-gel est stable jusqu’à 400 °C. on le régénère entre 120 et 250 °C. il est principalement utilisé pour le séchage de l’air et des gaz.

4- Les tamis moléculaires :

Ce sont des cristaux poreux de silico- aluminates alcalins ou alcalino-terreux. Leur système cristallin est tel que après élimination de l’eau de cristallisation, à température élevée, il conserve une structure constituée par un réseau de cavités de même diamètre reliées entre elles par des pores de tailles uniforme.Le diamètre effectif des pores varie, suivant le type de tamis ( il en existe actuellement cinq commerciaux) entre 3 et 10°A.

On les prépare, par cristallisation hydrothermique, à partir de gels d’aluminosilicates entre 20 et 175 °C. Les cristaux obtenus sont desséchés dans le même intervalle de température. L’activation ( élimination de l’eau contenue dans les cavités ) s’effectue entre 400 et 650 °C.

Les tamis moléculaires se présentent sous forme de poudre cristalline ou en granulés obtenus en agglomérant la poudre avec un liant inerte ( environ 20 % en poids ).Les tamis désignés par des lettres différentes ont des systèmes cristallins différents. Le diamètre effectif des pores varie suivant la nature de l’ion métallique chargé de neutraliser la charpente anionique des cristaux, c’est ainsi que, par échange de la majorité des ions sodium par les ions calcium, on passe des tamis type 4A aux tamis 5A, le diamètre effectif des pores passant de 4,2 à 5 °A.

La formule chimique des tamis moléculaires est :

(M1 , M11)x (Al x Si y O2)(x+y) z.H2O.

M1 : élément du groupe 1 ( Li, Na, K…)M11 : élément du groupe 2 ( Mg, Ca, Sr…)( ) : composition de la cellule élémentaire.

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La structure atomique de ces zéolithes qui présente de grandes « cages » communiquant par des « tunnels » plus ou moins larges où se logent des cations et les mol écules d’eau, leur confère des propriétés physico-chimiques remarquables.Ainsi, ces cations agissent comme le lieu d’une forte charge positive localisée qui attirent électrostatiquement la charge négative des molécules polaires qui existent dans l’alimentation.Ils sont capable de séparer des cations ou des molécules de dimensions différentes grâce à leur facilité d’échange des cations.

Exemples :Tamis moléculaire type 4A° :Na12[(AlO2)12(SiO2)12].z H2O.

Tamis moléculaire type 10A° :Na86[(AlO2)86(SiO2)106].z H2O.

Leur dénomination vient du fait qu’ils sont susceptibles de séparer des molécules suivant leur taille : les molécules trop grosses ne peuvent pas avoir accès aux cavités à travers les pores. C’est ainsi que les tamis moléculaires 5A° adsorbent les paraffines normales (diamètre 4,9A°), mais pas les isoparaffines.

Les tamis moléculaires sont stables jusqu’à 700°C, on les régénère entre 200 et 400°C. Ils sont extrêmement avides d’eau et fournissent les meilleurs adsorbants pour le séchage des gaz et des liquides

Le tableau suivant rassemble quelques propriétés des tamis moléculaires :

Désignation 3 A 4A 5A 10X 13XNature de cation potassium sodium calcium calcium sodiumVolume des cavitésCm3/g

0,28 0,28 0,28 0,35 0,35

Surface interne 700 à 800 m2/gSurface externe 3 à 10 m2/gDiamètre effectif des pores

3A° 4A° 5A° 8A° 10A°

Les propriétés désirables des adsorbants utilisés dans les procédés industriels, en plus des propriétés citées précédemment, sont les suivantes :

- une densité élevée (occupe un volume faible de la colonne),- une régénération facile et économique,- de bonnes propriétés mécaniques (résistance à l’écrasement élevée),- une stabilité de volume (V entre l’adsorption et la désorption est faible),- une inertie chimique lors de l’adsorption ainsi que lors de la désorption.- Ne subit pas de phénomènes de corrosion dans les conditions d’exploitation,- Une faible dégradation des performances en fonction de la durée de service,- Le critère de prix n’est qu’un élément d’ensemble.

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Choix du tamis moléculaires :

Pour notre cas le tamis moléculaire 4A° est un bon choix puisqu’il évite la coadsorption. Pour ce qui est de la taille de particules le tamis 1/8 e est préférable car in n’engendre pas des pertes de charge aussi importantes que celles provoquées par des tamis 1/16 e.

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V- DIMENSIONNEMENT DES SECHEURS A GAZ :

1. Calcul du diamètre minimal de l’adsorbeur : Nous avons :

Avec : D : diamètre de la colonne [ft] Q : débit volumique du gaz = 202,97 MM Scuft/jour P : pression de service = 954,7 psia T : température de service = 539,67 °R Vg : vitesse superficielle admise [ ft/min]

Vg est estimée ; puis calculée ; il faut qu’on ait Vgréelle < Vg

estimée ; pour notre cas (à P=954,7 psia) on prend Vg = 25 ft/min

1-a- Calcul du coefficient de compressibilité Z :

Composants Mi Yi Tci(°R) YiTci Pci Yi Pci YiMi

N2

CO2

CH4

C2H6

C3H8

nC4H10

iC4H10

nC5H12

iC5H12

C6H14

C7H16

C8H18

C9H20

28441630445858727286100114128

0,00340,04550,79440,09220,03840,01060,00640,00260,00330,00210,00070,00030,0001

238,37547,57343,04549,67665,8765,32734,65845,37828,77913,37972,471023,891070,35

0,810424,9144272,510950,679525,56678,11234,70172,19792,73491,91750,68070,30710,1070

188,11071667,8707,8616,3550,7529,1488,6490,4436,9396,8360,6332

0,639548,7305530,500365,259123,66595,83743,38621,27031,61830,91740,27770,10810,0352

0,09522,00212,74952,77241,69330,61610,37200,18760,23810,18100,07010,03420,0128

Σ 1 395,241 682,2432 21,01

Tc mélange = Σ YiTci = 395,241 °R

Pc mélange = Σ Yi Pci= 682,2432 psia

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d’après l’abaque universelle donnant Z, on aura :( 1,36 ; 1,4) Z = 0,815

1-b- Calcul de la vitesse superficielle Vg :

Vg = G/ρg ;

G est la vitesse massique admise [Lb/h ft2]Supposant que le gaz obéit à l’équation d’état suivante :

P.V = Z.n.R.T

d’où

avec :

ρg : masse volumique du gaz d’alimentation [Lb/ft3] ρb : masse volumique de l’adsorbant [Lb/ft3]Dp : diamètre moyen des particules [ft]C = 0,8 à 1,06 est une constante.

- Calcul de la vitesse admise G :

- C = 1,06- ρb = 45,38 [Lb/ft3]- Dp = 0,0104 ft

- Lb/ft3

A.N :

G = 5249,27 Lb/ft3

Nous avons: Vg = G/ ρg

Vg = 5249,27 / 4,25 = 1235,12 ft/h

40

ρg = 4,25 Ib/ft3


Vg = 20,58 ft/min

On remarque que Vg < Vgestimée ; donc la condition est vérifiée.

N.B : Pour la suite des calculs on prend Vgestimée.

A.N :

D = 2951 mm

Le diamètre minimal est de 9,68 ft, et celui du design est de 10 ft.

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2- Calcul de l’épaisseur de la tôle : Nous avons :

P = 954,7 psia, pression de serviceS = 15500 psia, contrainte maximum de travailR = rayon de la colonne [inch]E = coefficient d’assemblage ; pour le soudage E = 100 %R = D/2 = 58,11 inch.

A.N :

=3,716 inch

Avec 3 mm de surépaisseur de corrosion e = 97,02 mm. e (design) = 104,7 mm.

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e = 94,02 mm


3- Calcul de la hauteur minimale du lit d’adsorbant : ht

3-a- Calcul du flux d’adsorption q : [ Lb H2O / h ft2]

Yw : teneur en eau dans le gaz.En utilisant l’abaque donnant la teneur en eau dans la gaz ; on aura :A 80,6°F et 954,7 psia ; Yw = 35 Lb / MM scuft de gaz.

A.N : Lb/hft2

q = 3,83 LbH2O/hft2

3-b- Calcul de la MTZ : hZ

; [inch] ; avec A = 225 pour le tamis 4A°

on prend Rs = 100 % (en supposant que le gaz est saturé)

hZ = 2,71 ft

- Capacité d’adsorption utilisable : X

Xneuf = 10 LbH2O/100 Lb tamisXs est la capacité d’adsorption jusqu’à saturationXs = Xneuf . 70 % ; suite à la chute d’efficacitéXs = 10.0,7 = 7 LbH2O/100 Lb tamis

(1)

on a :

(2)

θ = 12 h, durée d’un cycle

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de 1 et 2 on aura :

A.N :

ht = 15,8 ft

La hauteur minimale du lit (calculée) est de 4817 mm, celle du design est de 4877 mm.

44


4- Calcul du temps de rupture :

A.N :

= 13

θR = 13 heures

Nous avons θcycle < θR donc il n’y a pas de problème de rupture.

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5- Calcul du débit de gaz de régénération :

- Le cycle de régénération peut être divisé en 4 périodes : Pendant la période « A » presque tous les hydrocarbures adsorbés sont extraits de

l’adsorbant en atteignant la température T2 = 110 °C. Pendant la période « B » la totalité de l’eau contenue dans le lit est désorbée quand

le lit atteint T3=195°C. Pendant la période « C » se déroule l’épuration T4= 274°c. Pendant la période « D » correspond au refroidissement du lit jusqu’à la

température T5=50°C.

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5-1 Détermination de la quantité de chaleur nécessaire pour le chauffage.

5-1-a : Quantité de chaleur nécessaire pendant la période « A ». T1= 27°cT2= 110°C.

Q nécessaire pour le chauffage des dessicants :Q1= mT.CpT(T2-T1)

mT = v.ρ = s.h.ρ = π.r2.h.ρ = 3,14.2,32.4,877.720= 25580 Kg

mT= masse du tamis = 25580Kg

CpT=0,2 Kcal/kg°K

Q1= 25580.0,2(110-27) = 424 628 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage du métal :Q2 = mcv.Cpm (T2-T1)

mcv= masse de la colonne vide = 143405 Kg

Cpm = 0,12 Kcal/Kg°K

Q nécessaire pour le chauffage des billes de céramique :Q3 = MB.CpB.(T2-T1)

CpB = 0,25 Kcal/Kg°K

MB = ?

MB = (π.di2/ 4 ).hc.ρB

hc = hauteur de la couche formée par les billes (m) = 0,61 m

ρB = 1200 Kg/m3

di = diamètre intérieur de la colonne (m)

di = 3,048 mA.N :MB = (3,14.(3,048)2/4).0,61.1200 = 5338,39 KgQ3 = 5338,39.0,25.(110-27) = 110771,59

Q3 = 110771,59 Kcal/h

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Q1 = 424628 kcal/h

Q2 =1 428 313,8 Kcal/h


Q nécessaire pour le chauffage d’eau :Q4= MH2O.CpH2O.(T2 -T1)

MH2O = ? quantité d’eau adsorbée par cycle.

On a la capacité d’adsorption de 10 Kg d’eau/100 Kg de tamis.

10 kg H2O 100 kg tamis

g Kg H2O 25580 Kg tamis.

G = 2558 Kg d’eau

Q4 = 2558 (110-27) = 212314 kcal/h

Q4 = 212314 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage des hydrocarbures :

On suppose que 10 % de la masse d’eau adsorbée sont des hydrocarbures (i.e : poids

hydrocarbures = 10 % du poids d’eau)

Q5 = 0,1 MH2O.Cpgaz(T2 – T1)

= 0,1.2558.0,61.(110-27) = 12951,15

Q5 = 12951,15 kcal/h

Q nécessaire pour la vaporisation des hydrocarbures :

Q6 = 0,1 MH2O.ΔHH-C

ΔHH-C = 111 Kcal/Kg °K, chaleur latente de vaporisation des hydrocarbures.

Q6 = 0,1.2558.111 = 28393,8

Q6 = 28393,8 Kcal/h

- On suppose que les pertes de chaleur à travers les parois sont estimées à 10 % de la

quantité de chaleur :

Donc :

QA = 1,1 [ Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6]

QA = 2439109,57 kcal/h

48


5-1-b : Quantité de chaleur nécessaire pendant la période « B » :

T2 = 110 °C ; T3 = 195 °C

Q nécessaire pour le chauffage des dessicants :

Q1 = MT.CpT. ΔT

Q1 = 416514,28 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage du métal :

Q2 = Mcv.CpA. (T3-T2)

Q2 = 1462731 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage des billes :

Q3 = 113440,78 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage d’eau :

Q4= MH2O.CpH2O.(Tb –T2)

Tb = (T3 –T2)/2 = 152,5 °C

Q4 = 2558 (152,5-110) = 108715

Q4= 108715 Kcal/h

Q nécessaire pour la vaporisation de l’eau :

Q5 = MH2O.ΔHH2O

Q5 = 2558 . 1000 Kcal/h

Q5 = 2 558 000 Kcal/h

QB = 1,1 [ Q1+Q2+Q3+Q4+Q5]

QB = 5125341,16 Kcal/h

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5-1-c : Quantité de chaleur nécessaire pendant la période « C » :

T3 = 195 °C

T4 = 274 °C

Q nécessaire pour le chauffage des dessicants :

Q1 = MT.CpT. (T4-T3)

Q1 = 387113,27 Kcal/h

Q nécessaire pour le chauffage du métal :

Q2 = Mcv.CpA. (T4-T3)

Q nécessaire pour le chauffage des billes :

Q3 = Mcv.CpT. ΔT

Q3 = 105433,2 kcal/h

Qc = 1,1 Σ Qi

Qc = 2037228,45 kcal/h

50

Q2 = 1359479,4 kcal/h


5-2- Détermination de la quantité de chaleur nécessaire pour le refroidissement :

T4 = 274 °C

T5 = 50°C

Q pour refroidir les dessicants :

Q1 = MT.CpT. (T4-T5)

Q1 = 1097637,63 kcal/h

Q pour refroidir le métal :

Q2 = m.Cp. ΔT

Q2 = 3854726,4 Kcal/h

Q pour refroidir les billes en céramique:

Q3 = 298949,84 kcal/h

- On suppose que les pertes de chaleur à travers les parois sont estimées à 10 %

de la quantité de chaleur échangée :

QD = 0,9 Σ Qi

QD = 4726182,48 Kcal/h

51


5-3 : Quantité de chaleur nécessaire pour la régénération :

- quantité de chaleur nécessaire pendant la période de chauffage :

Qch = 9 601 679,18 Kcal/h

pour une durée de 5h et 15 mn on aura de :

Qch = 50 408 815,7 Kcal

-quantité de chaleur nécessaire pendant la période de refroidissement :

Qref = 4 726 182,48 Kcal/h

Pour une période de 2 heures on aura :

Qref = 9 452 364,96 Kcal

La quantité de chaleur totale nécessaire est :

Qt = Qch + Qref

Qt= 59 861 180,66 Kcal

Q = m Cp ∆T d’où m = Q / Cp ∆T

m = 59 861 180,66/0,62.247 = 390 891,86 Kg/h

m = 9 381 404,83 Kg/jour

la masse volumique du gaz en ces conditions est ρ = 30,6 Kg/m3

m vol = m / ρ = 306 581,85 Sm3/jour

m vol = 327 631,55 Nm3/jour

pour les deux sécheurs on aura:

m vol = 655 263,1 Nm3/jour

Le résultat nous laisse dire que le débit utilisé pour la régénération est suffisant.

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VI - CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS :

Au terme de cette étude, et d’après les résultats obtenus, on dira que les données

de design sont acceptables et que les dimensions du déshydrateur ne seront pas mises

en cause.

Par ailleurs, il est recommandé d’effectuer la régénération convenablement en

respectant le débit de gaz nécessaire pour l’opération, ceci est possible en évitant les

pertes à travers les KV, ce qui nous amène à suggérer l’inspection de ces dernières.

Il est aussi intéressant de souligner que la remise en service des hygromètres sera

d’une grande utilité puisqu’ils nous donnent la teneur exacte en eau à la sortie des

sécheurs, et on pourra ainsi éviter le passage d’eau dans les sections froides.

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rapport ffinal.mokhtari

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