Study of the transfer conditions in diabatic distillation columns: study of the flow distribution

Étude et modélisation des conditions d'échanges dans les colonnes de distillation diabatiques : étude de la distribution de fluides

Joelle Rizk (1)

1 CEP/Paris

Distillation columns are one of the main methods used for separating the components of the air. Their inconvenient is the high energy consumption. In order to produce the oxygen needed for oxycombustion with low energy costs, a diabatic distillation column for cryogenic air separation is designed and modeled. It consists of a shell and tubes heat exchanger where the tubes constitute a first column operating at low pressure and the shell a second one operating at high pressure. Coupled mass and heat transfers are modeled and the diabatic column simulated. A comparative exergy analysis between three types of distillation columns for cryogenic air separation shows that the exergy efficiency of the diabatic column designed is 23 % higher than that of the conventional double columns. The distribution of the mixtures in the tubes and the shell is a key point in the distillation process in the shell and tubes heat exchanger. The different forms of uneven distribution are studied and solutions are proposed. A pilot is designed in order to validate experimentally the theoretical concept of diabatic distillation of cryogenic air.

Les colonnes de distillation de l'air constituent l'un des procédés principaux de séparation des composants de l'air mais posent le problème des consommations énergétiques élevées. Dans le but de produire les quantités d'oxygène nécessaire pour les procédés d'oxycombustion à faibles coûts énergétiques, une colonne de distillation diabatique pour la séparation de l'air cryogénique est conçue et modélisée. Elle consiste en un échangeur tubes-calandre où les tubes constituent une première colonne opérant à basse pression et la calandre en constitue une deuxième opérant à haute pression. Les transferts de masse et de chaleur couplés sont modélisés et le fonctionnement de la colonne est simulé. Une analyse exergétique comparative entre trois types de colonnes de distillation d'air cryogénique montre que l'efficacité exergétique de la colonne diabatique conçue est 23 % fois plus élevée que celle des colonnes doubles conventionnelles. La distribution des mélanges dans les tubes et dans la calandre est un point clé dans le procédé de distillation dans l'échangeur tubes-calandre. Les différentes formes de mal répartition sont étudiées et des solutions proposées. Une colonne pilote est dimensionnée pour valider expérimentalement le concept théorique de la distillation diabatique de l'air cryogénique.

Mots clés: distillation columns; diabatic; flow distribution; heat exchangers; energy consumption; exergy analysis; film flow; uneven distribution

Mots clés: colonne de distillation; diabatique; distribution de flux; oxycombustion; échangeurs; consommation d'énergie; analyse exergétique; écoulement de films; mal répartition

Domaines: Génie des procédés

Joelle Rizk. Étude et modélisation des conditions d'échanges dans les colonnes de distillation diabatiques : étude de la distribution de fluides. Génie des procédés. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENMP0064⟩. ⟨pastel-01003516⟩