La
conduite précise et efficace d'une opération de distillation suppose
que la pression de celle-ci soit maintenue rigoureusement constante.
Les perturbations pouvant affecter la pression sont:
- les variations de composition ou de débit de l'alimentation
- les variations de température extérieures ou de fluide de refroidissement
- ...
Conséquences des variations de pression
La conduite d'une distillation peut s'accomoder de variations lentes de
la pression telles celles observées lors des variations de température
extérieures de la journée. La seule exigence est de corriger les points
de consigne basés sur une température sensible en fonction de la
pression de la colonne.
Les variations de pression modifient le profil de température,
perturbent le trafic vapeur, et in fine la qualité de la séparation, si elles sont trop rapides.
Une baisse de pression de la colonne fera que la température du
liquide sera supérieure à son point d'ébullition. Cela provoquera une
vaporisation supplémentaire dans toute la colonne, qui amènera la
température du liquide à son nouveau point d'ébullition. Cependant, cet
excès de débit vapeur s'ajoutant au traffic normal favorisera les
entraînements de liquide, affectant l'efficacité du fractionnement.
Une hausse de pression, fera que le liquide se trouvera à une
température inférieure à son point d'ébullition. Cela provoquera une
condensation supplémentaire de vapeur jusqu'à ce que la température du
liquide atteigne le nouveau point d'ébullition. Le traffic vapeur dans
la colonne s'en trouvera réduit au point de permettre un pleurage
excessif des plateaux, qui lui aussi affectera l'efficacité du
fractionnement.
Méthodes de régulation de pression
La
pression d'une colonne de distillation comme toute capacité contenant
un gaz ou des vapeurs, dépend de la quantité de gaz présente dans le
volume de la capacité. La particularité d'une colonne de distillation
est qu'un flux continu de vapeur est généré par le rebouilleur, qui
chemine vers le condenseur pour être condensé. Pour que la pression de la colonne soit
stable, il faut que le débit molaire de vapeur condensée soit
rigoureusement égal au débit molaire de vapeur généré par le
rebouilleur. Tout déséquilibre dans ce bilan provoquera une
augmentation ou une diminution de la pression.
Les
différentes méthodes présentées ici pour réguler la pression d'une colonne
de distillation, cherchent toutes à faire varier la capacité de
condensation du condenseur.
Ajustement de la teneur en gaz inerte
La
présence de gaz non condensable dans le condenseur affecte sa capacité
de condensation. Il agira de deux manières:
1-
si sa répartition est homogène dans les vapeurs condensables, il
abaisse leur pression partielle et donc la température de condensation.
Pour conserver à l'échangeur sa capacité, la pression totale doit être
augmentée.
2- s'il est accumulé à une extrémité du condenseur, la
surface d'échange thermique accessible aux vapeurs condensables sera
réduite. La pression totale devra être augmentée pour élevé la
température de condensation et ainsi accroitre l'efficacité thermique
de la surface d'échange restant accessible.
Si un flux continu de gaz non condensable parvient au
condenseur en provenance de l'alimentation par exemple, il devra être
éliminé en continu (évent) pour éviter son accumulation dans le ballon
de distillat et l'échangeur. La pression de la colonne augmentera si le
débit de purge est insuffisant et diminuera si le débit de purge est
trop important.
Si le flux continu de gaz non condensable est insuffisant, il faut en introduire.
La régulation de pression agira en
split range
sur la vanne de purge et la vanne d'introduction de gaz non
condensable. Un léger recouvrement des plages d'action du régulateur
est recommandé. La réaction d'un tel système est généralement assez
rapide.
Le
gaz introduit sera en contact avec le liquide distillé. Il doit donc
être compatible avec lui, sans provoquer ni réaction, ni mélange
dangereux, ni pollution.
Avec cette configuration, pour être
efficace, le gaz non condensable doit pouvoir cheminer librement de
l'échangeur vers le ballon et inversement.
Cette méthode est
applicable aussi bien pour les distillations en pression que celles
sous vide. Dans ce dernier cas, l'évent est orienté vers l'aspiration
du groupe de vide, et le gaz inerte d'appoint peut provenir de son refoulement.
Ajustement du niveau liquide du condenseur
La
capacité de condensation de l'échangeur dépend de la surface exposée
aux vapeurs. L'échange thermique avec un liquide est moins efficace
qu'avec une vapeur condensable. Maintenir la surface d'échange
partiellement noyée dans le condensat liquide permet d'ajuster la
surface disponible pour la condensation.
La régulation de pression
agit sur le débit d'évacuation des condensats du condenseur pour
maintenir un niveau liquide. Une tuyauterie d'équilibrage entre la tête
de la colonne et le ballon
de distillat permet de maintenir une pression identique entre les deux.
Cette méthode n'est applicable que si aucun gaz incondensable n'est à évacuer.
Cette méthode est particulièrement utile si une condensation fractionnée doit être évitée (mélange eau-ammoniac par exemple).
Ajustement du fluide refroidissant
La
capacité d'échange thermique est fonction du profil thermique des
fluides impliqués. La capacité du condenseur peut être ajustée en
agissant sur le débit de fluide de refroidissement. En le réduisant, sa
température moyenne augmentera, réduisant la capacité d'échange
thermique.
Cette
méthode n'est pas applicable dans tous les cas. En
cas de faible trafic dans la distillation, la température du fluide
refroidissant s'élèvera pour approcher la température de condensation.
Cette méthode sera à éviter si le fluide refroidissant risque
d'atteindre des
températures excessives (formation de dépôts encrassants par exemple).
Si le refroidissement est assuré par un aérotherme, la régulation de
pression peut agir sur la vitesse de rotation du ventilateur.
Cette méthode peut avoir un temps de réaction assez long fonction de l'inertie thermique des équipements.