PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE PROCÉDÉ DE DISTILLATION

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1 Ingénieurs en Sécurité Industrielle Information Amont-Aval-Transport PROCÉDÉS ET UNITÉS DE RAFFINAGE PROCÉDÉ DE DISTILLATION VOLATILITÉ : TENSION DE VAPEUR ET TEMPÉRATURE D ÉBULLITION...1 FLASH D'UN MÉLANGE D'HYDROCARBURES... 2 PRINCIPE DE LA DISTILLATION... 3 MISE EN ŒUVRE INDUSTRIELLE DE LA DISTILLATION... 4 PLANCHES n 1 Courbe de tension de vapeur de quelques hydrocarbures... 5 n 2 Mise en œuvre d'une séparation liquide-vapeur... 6 n 3 Boucle de régulation... 7 n 4 Mise en place du contre-courant liquide-vapeur... 8 n 5 Contact liquide vapeur... 9 n 6 Dépropaniseur - Schéma simplifié Ce document comporte 11 pages DT BIN - - Rév. 9 05/04/2006

2 1 VOLATILITÉ Tension de vapeur et température d ébullition La DISTILLATION ainsi que l'absorption et le STRIPPING sont des procédés de séparation très utilisés qui sont capables de différencier les constituants d'un mélange par leur VOLATILITÉ. Les différences de volatilité entre les différents composants d'un mélange sont souvent repérées par les écarts existant entre leurs températures d'ébullition ou leurs tensions de vapeur. Ces caractéristiques apparaissent sur les COURBES DE TENSION DE VAPEUR des corps purs. Les courbes de tension de vapeur tracées dans un graphique pression-température situent l'état physique du corps pur en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve. Pression (bar) ÉTAT LIQUIDE Courbe de tension de vapeur 1,013 bar (pression atmosphérique normale) P Température d' ébullition normale Température d'ébullition ÉTAT GAZEUX ou VAPEUR Température ( C) D TH 021 A Elles permettent donc de déterminer, à pression fixe, la température de passage de l'état liquide à l'état gazeux. Celle-ci est appelée température d'ébullition. Sous la pression normale de 1,013 bar on parle de température d'ébullition normale. La Planche n 1 en annexe permet de retrouver les températures d'ébullition normales des premiers hydrocarbures. Les courbes de tension de vapeur fournissent également dans une situation de stockage avec coexistence des phases liquide et vapeur la pression correspondant à la température. BALLON V P = tension de vapeur du liquide Pression phase vapeur ou gazeuse phase liquide L t P t température ( C) D TH 022 A Cette pression est appelée tension de vapeur elle dépend de la nature du produit liquide et de la température.

3 2 FLASH D UN MÉLANGE D HYDROCARBURES La mise en évidence des différences de volatilité apparaît au cours d'un FLASH ou séparation liquide-vapeur réalisé en continu (Planche n 2). P Échangeur de chaleur T Ballon séparateur Mélange d'alimentation Pompe D PCD 031 A La séparation par flash d'un mélange d'hydrocarbures conduit au résultat suivant. débit bar 78,7 C débit 1,9 13,3 17,5 0,3 33,0 débit 1,1 16,7 47,5 1,7 67, C3 D PCD 386 A Elle fait apparaître la hiérarchie des volatilités. Les constituants les plus volatils ou légers sont ceux qui se dirigent de préférence dans la phase gazeuse. Ils ont des basses températures d'ébullition et des tensions de vapeur élevées. Les constituants les moins volatils ou lourds préfèrent, au contraire, la phase liquide. Ils ont de hautes températures d'ébullition et des faibles tensions de vapeur La mise en œuvre industrielle d'un tel procédé de flash en continu exige la mise en place d'instruments de mesure et de régulation pour suivre et contrôler automatiquement l'installation. La Planche n 3 illustre cet aspect.

4 3 PRINCIPE DE LA DISTILLATION La DISTILLATION permet d'amplifier la séparation précédente en réalisant - une circulation à contre courant de deux phases liquide et vapeur à l'intérieur d'une colonne ou tour de distillation - des contacts entre les phases liquide et vapeur grâce à des plateaux ou des garnissages. À chaque contact la vapeur s'enrichit en constituants légers et le liquide se concentre en produits lourds Le résultat obtenu est une séparation beaucoup plus fine du mélange. Le produit de tête ou distillat contient les constituants légers, le produit de fond ou résidu, les constituants lourds. Appliquée au mélange précédent on obtient par exemple le résultat suivant. Charge Débit bar Produit de tête ou distillat COLONNE ou TOUR DE DISTILLATION Plateaux Débit ;;; ;;; ;;; Distillat Résidu Distillat Résidue Produit de fond ou résidu Débit D PCD 032 A

5 4 MISE EN ŒUVRE INDUSTRIELLE DE LA DISTILLATION La mise en place du contre courant liquide-vapeur fait apparaître la nécessité : - d'un CONDENSEUR pour amorcer dans la colonne le flux liquide par l'intermédiaire du reflux externe injecté en tête - d'un REBOUILLEUR pour initier le FLUX VAPEUR par vaporisation partielle du liquide de fond de tour. L'alimentation partiellement vaporisée participe également à la constitution de ces deux flux en s'intégrant à un niveau intermédiaire dans la colonne (Planche n 4) Le contact liquide-vapeur est obtenu par 2 moyens principaux (planche n 5) : - sur des PLATEAUX où le flux vapeur est distribué par des clapets dans une couche de liquide coulant horizontalement - par des GARNISSAGES sur les légers le liquide coule sur les anneaux ou les selles en formant un film qui est léché par la vapeur ascendante Les conditions opératoires d'une colonne industrielle un dépropaniseur apparaissent sur la planche n 6 : - la pression de fonctionnement est fixée par les conditions opératoires qui règnent au ballon de reflux : c'est la tension de vapeur du produit de tête liquide. Elle est ensuite sensiblement constante dans la colonne - les températures dans la tour sont les températures d'ébullition des produits qui circulent : la température de tête est la plus basse correspondant aux constituants légers obtenus au sommet la température de fond est la plus élevée correspondant aux constituants lourds obtenus en fond L'évolution des températures dans la colonne est, en fait, le reflet des changements de composition qui se produisent de plateau à plateau - le débit de reflux externe réinjecté en tête de colonne et la quantité d'énergie thermique dépensée au rebouilleur sont en relation avec la qualité de la séparation recherchée

6 D PPC 010 A 5 Planche n Pression (Atm) Méthane Ethane Ethylène n-butane isobutane Propane Propylène 10 9 n-pentane isopentane n-heptane n-hexane ,9 0,8 0,7 0,6 0, ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 COURBES DE TENSION DE VAPEUR DE QUELQUES HYDROCARBURES (Origine équation d'antoine) 0,4 0,3 0,2 0, Température ( C) 0,

7 6 MISE EN ŒUVRE D'UNE SÉPARATION LIQUIDE-VAPEUR Planche n 2 20 C t/h Pompe Charge Moteur Propane Butane t/h Fluide chaud ÉCHANGEUR Fluide froid + vapeur 16 bar 45 t/h Propane Butane t/h C BALLON SÉPARATEUR t/h 55 t/h Propane Butane D MEQ 127 A

8 7 INSTRUMENTATION - RÉGULATION Planche n 3 Charge VARIABLE REGLÉE le niveau du ballon mesure du niveau Mesure TRANSMETTEUR DE LA MESURE VANNE AUTOMATIQUE SALLE DE CONTRÔLE LRC REGULATEUR ET ENREGISTREUR DE NIVEAU Action du REGULATEUR CONSIGNE DE NIVEAU par l'opérateur VARIABLE REGLANTE le débit du liquide BOUCLE DE RÉGULATION F L P T A 1 ère lettre 2 ème lettre 3 ème lettre débit niveau pression température analyseur C régulateur C régulateur I indicateur R enregistreur IDENTIFICATION DES INSTRUMENTS PI TI FIC TI PRC Charge TI TRC LRC MISE EN ŒUVRE DE LA RÉGULATION D PCD 387 A

9 8 MISE EN PLACE du contre-courant LIQUIDE-VAPEUR Planche n 4 LIGNE DE TÊTE Reflux externe vapeur + distillat vapeur Reflux externe de TÊTE Fluide réfrigérant CONDENSEUR Condensation du reflux externe Reflux interne BALLON DE REFLUX Charge Insertion de la charge partiellement vaporisée dans la circulation du liquide et de la vapeur Distillat ou produit de TÊTE Flux vapeur Reflux interne générée au REBOUILLEUR REBOUILLEUR Fluide de chauffage Vaporisation partielle de FOND DE COLONNE Résidu ou produit de fond D PCD 038 B

10 9 CONTACT LIQUIDE-VAPEUR Planche n 5 PLATEAUX Plateaux à 1 passe Déversoir VAPEUR Aire de passage de la vapeur Barrage LIQUIDE Clapets GARNISSAGES = h Ø = h h h Anneau Pall Lits de garnissage Anneau Raschig Selle de Berl D MEQ 129 B

11 10 LA SÉPARATION DES COUPES PÉTROLIÈRES PAR DISTILLATION Principe du procédé Planche n 6 52 Température ( C) 17,3 COLONNE de tête CONDENSEUR Pression (bar) Débit (t/h) liquide 36 Charge Fluide de réfrigération BALLON DE REFLUX Propane - Butane 79 Exemple d'un dépropaniseur 35 Reflux + vapeur 9 Pompe Produit de tête Moteur Fluide de réchauffage PROPANE 17,6 REBOUILLEUR BUTANE 105 Produit de fond 27 D MEQ 131 A

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