Une
étape importante de l'ingénierie d'un procédé est le choix du diamètre
des tuyauteries destinées à transférer les fluides. Ce choix est basé
sur le débit à transférer tel que défini par le bilan matière de
l'opération et le temps consacré au transfert (pour les opérations
discontinues), ainsi que la vitesse admissible.
Choisir une
tuyauterie trop petite conduira à une perte de charge excessive,
entravant l'écoulement du fluide, ou nécessitant une dépense d'énergie
de pompage (pour les liquides) ou de compression (pour les gaz)
supplémentaire.
Choisir une tuyauterie trop grosse augmentera
inutilement le coût de la construction en raison d'un encombrement
et un poids excessif.
De nombreux critères sont à prendre en
compte souvent liés à un retour d'expérience, ce qui a conduit les
ingénieurs à s'accorder sur quelques données usuelles de
dimensionnement.
Vitesse des liquides
| vitesse
[m/s] |
|---|
| longue distance | 1 - 1,5 |
courte distance
(acier carbone) | 2 - 2,5 |
courte distance
(acier inox) | 3 |
| tuyauterie plastique | 1 - 1,5 |
| aspiration de pompe | 0,5 - 1 |
Vitesse des gaz
La
vitesse des gaz est souvent limitée à 20 m/s pour limiter les pertes de
charge par frottement qui se traduisent souvent par une augmentation
d'une énergie de compression.
Vitesse de la vapeur
La
vapeur est généralement disponible sous différentes pressions standard,
et est souvent partiellement détendue avant d'être utilisée. Cette
pression disponible peut être en partie dépensée en perte de charge
dans les tuyauteries de transfert, sans pénalité économique
particulière. On pourra donc généralement adopter des vitesses
d'écoulement supérieures à ce qu'on s'autorise pour les gaz.
Par
contre, la vapeur peut être sous une forme surchauffée (sans risque de
condensation), saturée avec un peu de condensats, ou partiellement
condensée véhiculant beaucoup de condensats.
Les condensats, s'ils
sont véhiculés à la vitesse de la vapeur peuvent provoquer des érosions
importantes de la tuyauterie. Il est donc important d'en tenir compte
dans le choix de la vitesse;
| vitesse
[m/s] |
|---|
| vapeur haute pression saturée (>30 bars) | 5 - 7 |
| Vapeur moyenne pression saturée (10 - 30 bars) | 7 - 10 |
| vapeur basse pression saturée (3 - 9 bars) | 10 - 15 |
| vapeur surchauffée | 10 - 20 |
| vapeur et condensats | 4 - 6 |
Vitesse des suspensions
Le transfert des suspensions de solides par tuyauterie doit concilier deux impératifs:
- ne pas permettre au solide de décanter et s'accumuler au fond de la tuyauterie, ce qui pourrait la boucher
- préserver la tuyauterie en limitant son érosion
En conséquence, la vitesse doit être:
- suffisamment élevée pour empêcher la décantation
- pas trop élevée pour limiter l'abrasion
Le choix de la vitesse dépend largement de la nature de la suspension et en particulier de la taille des particules:
- les particules de taille < 40 µm décantent très lentement, et l'écoulement de ces suspensions est homogène
- les particules jusqu'à 150 µm forment une suspension homogène si le régime d'écoulement est turbulent
| vitesse
[m/s] |
|---|
| particules fines (<150 µm) | 1 - 1,5 |
| particules moyennes (sable) | 1,5 - 2 |
| grosses particules (graviers) | 2 - 3 |
Le
risque d'érosion de la tuyauterie peut être levé en adoptant des
matériaux résistants, aux points les plus sensibles; par exemple des
éléments revêtus de caoutchouc peuvent être installés dans les coudes.
Vitesse des liquides dégazant
Les
liquides qui entraînent avec eux des bulles de gaz, peuvent créer des
poches gazeuses en points hauts des tuyauteries. Ces poches peuvent
grossir en capturant et accumulant les fines bulles apportées par le
liquide, jusqu'à former une restriction gênante.
Pour réentraîner
ces accumulations de gaz, si elles se sont produites, le liquide doit
avoir une vitesse suffisante. Cette vitesse minimum, qualifiée de
vitesse critique, dépend du volume de la poche de gaz, du diamètre de
la tuyauterie et de l'inclinaison vers le bas de la tuyauterie.
| Vitesse [m/s]
pour inclinaison [deg] |
|---|
Diamètre
[mm] | 0 deg | 20 deg | 40 deg |
|---|
| 100 | 0,7 | 1,0 | 1,2 |
| 500 | 1,5 | 2,3 | 2,6 |
Source:M. Escarameia - Investigating hydraulic removal of air from water pipelines
January 2007 Water Management 160(1):25-34