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Calcul de flash

Sommaire de la page:

Simulation du flash d'un liquide
Outils de calcul
Flash d'une substance pure
Calcul de la fraction vaporisée
Flash multicomposants
Flash d'un mélange binaire
Flash des condensats de vapeur d'eau

Voir aussi ...

Simulation du flash d'un liquide

Un calcul de flash consiste à déterminer comment un mélange se sépare entre une phases vaporisée et une phase liquides à des conditions données, afin de déterminer la composition et les quantités de chaque phase. Un calcul de flash est un calcul thermodynamique. Il n'est pas destiné en premier intention, à simuler le comportement hydraulique d'un équipement.

Un flash est dit isenthalpique (à enthalpie constante) ou bien adiabatique (sans échange avec l'extérieur) s'il n'y a pas d'échange thermique au cours de l'opération.

Bien que le nom suggère une détente d'un liquide surchauffé, un calcul de flash à une portée générale et permet de simuler tout équilibre liquide-vapeur impliquant ou non un transfert thermique simultané. Il permet de simuler le changement d'état de tout fluide liquide ou gazeux soumis dans le procédé à une variation de pression, de température ou de composition.

Représentation schématique d'un flash

F: flux d'alimentation
V: flux de vapeur
L: flux de liquide
z_i, x_i, y_i : fraction molaire en composé i
h_F, h_V, h_L : enthalpie des flux
Q: chaleur échangée
p, T: pression et température du flash
Contraintes à respecter:
F × z_i = V × y_i + L × x_i
F × h_F = V × h_V + L × h_L + Q
y_i = K_i × x_i

Ce calcul nécessite de satisfaire les contraintes suivantes:

les bilans matière pour chacun des composants du flux d'entrée
le bilan thermique global
les équilibres liquide-vapeur pour chaque constituant

Les informations indispensables pour mener à bien ce calcul sont:

la composition du flux d'entrée
la tension de vapeur de chacun des composants en fonction de la température
l'enthalpie de chacun des composants en phase liquide et en phase vapeur en fonction de la température

Un flash est défini par deux paramètres à choisir entre:

température
pression
fraction vaporisée
chaleur échangée

Un calcul de flash permet de déterminer:

le point de bulle ou de rosée d'un flux de composition donnée
la fraction vaporisée et les compositions de la vapeur et du liquide à l'équilibre
la quantité de chaleur à échanger pour atteindre un objectif

Pour chaque cas, les données d'entrée et celles calculées sont différentes:

Objectif	données d'entrée	informations calculées
température de bulle ou de rosée	pression du flash fraction vaporisé (0% pour le point de bulle, 100% pour le point de rosée)	température chaleur échangée
fraction vaporisée	pression du flash chaleur échangé	température fraction vaporisée
chaleur échangée	pression du flash fraction vaporisée	température chaleur échangée

Outils de calcul

Les calculs mis en oeuvre sont complexes et nécessitent généralement des itérations. L'emploi d'un simulateur est recommandé.

Le calcul de flash est un calcul de procédé de base, et tout simulateur permettra de le réaliser. Les outils suivants sont libres et gratuits:

DWSIM: Logiciel complet de simulation de procédé, libre et gratuit, compatible avec le standard Cape-Open.

ChemSep: Logiciel de simulation de distillation, absorption et extraction basé sur des modèles classiques d'équilibre et sur des modèles de vitesse de transfert. Il est développé par une équipe de Clarkson University (New York - USA). Une version limitée incluant une base de données de plus de 400 substances est disponible gratuitement; elle autorise des simulations avec 40 composants et 300 étages, . Il est compatible avec le standard Cape-Open et peut donc être interfacé avec d'autres logiciels de simulation tels que COCO.

COCO Simulator: Logiciel de simulation de procédé développé par le consortium Cape-Open. Il est surtout destiné à tester la compatibilité avec le standard Cape-Open des modules de simulation d'opérations unitaires disponibles. Il peut aussi être utilisé comme outil de simulation de procédés simples.

COOLPROP: Outils de calcul et de construction de graphiques des propriétés thermodynamiques et de transport de nombreuses substances et mélanges ainsi que l'air humide. Interfacé avec de nombreux systèmes dont excel sous forme d'Add-In permettant d'appeler les fonctions dans une feuille de calcul. Logiciel "Open Source"

Thermo-state: Logiciel de calcul de propriétés thermodynamiques et de visualisation sur un graphique en coordonnées P-H, T-S ou H-S. Utilise les données et méthodes de CoolProp. Version portable disponible pour Windows et Ubuntu.

Flash d'une substance pure

Le flash d'une substance pure est le cas le plus simple puisque seuls le bilan matière de l'unique constituant, et le bilan enthalpique sont à considérer.

Flash d'une substance pure sur un diagramme P-H

Représentation d'un flash sur un diagramme P-H

Le liquide à la température T0 est détendu de la pression P0 à la pression P1
La fraction vaporisée est lue sur les courbes représentant la "qualité" du mélange (ici 60%)
La température est lue sur les courbes de température (ici T1)
Un échange thermique est une variation d'enthalpie du mélange; le point B se déplace vers la droite si de la chaleur est apportée, ou vers la gauche si de la chaleur est retirée.

Les paramètres du flash peuvent être facilement déterminés en utilisant un diagramme enthalpique de la substance. Les plus courants sont les diagrammes dits "P-H", avec la pression et l'enthalpie en coordonnées.

Pour déterminer la proportion de vapeur générée par le flash des condensats, on utilisera la zone du diagramme représentant le mélange liquide vapeur, entre la courbe de saturation du liquide et celle pour la vapeur.

Il est parcouru par une série de courbes représentant la "qualité" du mélange, c'est-à-dire la proportion de vapeur dans le mélange.

Calcul de la fraction vaporisée

Si les valeurs d'enthalpie des phases liquide et vapeur sont disponibles, le bilan enthalpique de l'opération s'écrit:

F × h_F + Q = V × h_V + L × h_L

Q = 0 si le flash est adiabatique

la fraction vaporisée "α" est égale à:

α = V ⁄ F = (h_F + Q ⁄ F − L × h_L ⁄ F) ⁄ h_V

cette relation doit être résolue par itérations, mais si le flash est adiabatique (Q = 0), α peut être approché plus simplement par:

α = (h_F − h_L) ⁄ (h_V − h_L)

Si les valeurs d'enthalpie ne sont pas connues, mais la valeur de chaleur de vaporisation est disponible, on peut approcher la fraction vaporisée par:

α = C_p(T_F − T_L) ⁄ ΔH_Lv

avec
ΔH_Lv: chaleur latente de vaporisation de la substance
C_p: capacité calorifique du liquide
T_F, T_L: températures de l'alimentation et du liquide résiduel

Flash multicomposants

Si plusieurs composants sont présents dans l'alimentation, ils se partageront différemment entre la phase vapeur et la phase liquide; les plus volatils seront présents en plus grande concentration dans la phase vapeur que dans la phase liquide.
Un flash multicomposants est analogue à un étage de distillation simple.

Equation de Rachford et Rice

$\underoverset{i}{}{∑}\frac{{z}_{i}\left({K}_{i}-1\right)}{1+α\left({K}_{i}-1\right)}=0$

${x}_{i}=\frac{{z}_{i}}{1+α\left({K}_{i}-1\right)}$

${y}_{i}={K}_{i}×{x}_{i}$

$\begin{matrix} {z}_{i} & \text{fraction molaire du composant i dans l'alimentation} \\ {x}_{i} & \text{fraction molaire du composant i dans le liquide} \\ {y}_{i} & \text{fraction molaire du composant i dans la vapeur}\\ {K}_{i} & \text{coefficient d'équilibre liquide-vapeur}\\ α & \text{fraction vaporisée}\end{matrix}$

Le calcul d'un flash multicomposants est le cas le plus complexe à traîter, car il doit satisfaire à la fois:

le bilan enthalpique
le bilan matière global
le bilan matière de chaque constituant en respectant les équilibres liquide-vapeur

Le calcul de la fraction vaporisée implique la résolution de l'équation de Rachford-Rice.

L'utilisation d'un logiciel de simulation facilite grandement cette tâche.

Flash d'un mélange binaire

Résolution graphique du calcul de flash d'un mélange binaire

Le calcul d'un flash ne mettant en oeuvre que deux composants peut se faire graphiquement.

Il fait appel à un diagramme enthalpie =f(composition).

Un tel diagramme peut être construit à partir des courbes de température de bulle et de rosée du mélange. Les températures et composition permettent de calculer les enthalpies du liquide et de la vapeur pour chaque point d'équilibre. Chaque couple de points d'enthalpie liquide et vapeur sont liés.
La valeur d'enthalpie du mélange d'alimentation est supposé connue, ainsi que la chaleur échangée au cours du flash (si le flash n'est pas adiabatique).

La composition de l'alimentation , et son enthalpie positionne le point d'alimentation sur le diagramme H-xy.Ce point se situe sur une des droites de température relant les points d'enthalpie liquide "h_L" et vapeur."h_V"

Ces points indiquent la composition du liquide "x" et de la vapeur"y" en équilibre.

Le taux de vaporisation α = V ⁄ F est alors égal à:

α = (h_F + Q ⁄ F − h_L) ⁄ (h_V − h_L)

Flash des condensats de vapeur d'eau

Calculer la proportion de vapeur générée par le flash des condensats de vapeur est d'une grande utilité pour quiconque exploite un réseau de chauffage à la vapeur.

Des tables et abaques spécifiques sont largement diffusés.

Le tableau suivant donne la quantité de vapeur générée (kg de vap / tonne de condensat):

Press déten (bars)	Température des condensats (°C)
	Pression de condensation (bars eff)
	100	50	20	10	5	3
	311	265	215	185	160	145
	quantité de vapeur générée (kg de vap / tonne de condensat)
50	151	-	-	-	-	-
20	260	128	-	-	-	-
10	313	189	70	-	-	-
5	354	234	120	55	-	-
3	376	260	148	85	33	-
atm	439	329	223	163	114	86

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