Guide des techniques des industries de procédé
On appelle rebouilleurs, les équipements de transfert thermique
présents en pied de colonne à distiller, et chargés de faire bouillir
le liquide.
On distingue les rebouilleurs:
- à circulation naturelle
- à circulation forcée
- internes
- horizontaux à thermosiphon
- verticaux à thermosiphon
- verticaux à film tombant
Le fluide chauffant peut être:
- de la vapeur
- de l'huile chaude
- des gaz chauds de combustion
- un fluide chaud du procédé
L'énergie peut aussi être apportée par une résistance électrique plongeante.
Différentes méthodes peuvent être appliquées suivant le type de fluide chauffant.
La vapeur transfert sa chaleur en se condensant.
La puissance de chauffe est proportionnelle au débit de vapeur
condensé. La vapeur admise est généralement entièrement condensée.
Le débit de vapeur peut être réglé en étranglant plus ou moins une
vanne sur le circuit d'admission. La pression et donc la température de
condensation de la vapeur dans l'échangeur sont alors variables.
La puissance de chauffe peut aussi être réglée en ajustant le débit
d'évacuation des condensats. L'échangeur fonctionne alors partiellement
noyé; la surface utile pour la condensation de la vapeur est variable;
la pression et donc la température de condensation sont constantes.
Le débit total du fluide disponible est généralement indépendant de
la quantité de chaleur à fournir au rebouilleur. Le réglage de la
puissance de chauffe se fera en dérivant plus ou moins une partie du
fluide chauffant, qui alors court-circuitera l'échangeur.
La température de l'huile chaude peut être ajustée en fonction de la
puissance souhaitée sur l'échangeur, cependant le temps de réaction du
système risque d'être important.
Si l'huile chaude est utilisée simultanément sur plusieurs services, et
donc sa température doit demeurer constante, ou bien pour accélérer la
réaction de la régulation, la puissance peut être ajustée comme avec un
fluide chaud de procédé.
Connaître
la température d'ébullition du liquide à chaque point de l'échangeur
est indispensable pour son dimensionnement. Celle-ci
est fonction de divers paramètres:
- la composition du liquide
- la pression appliquée au liquide
L'ébullition d'un corps pur se fait à température constante quelle que
soit la fraction de liquide vaporisée. Il n'en est pas de même dans le
cas d'un mélange de corps de points d'ébullition différents; le composé de plus bas point d'ébullition est vaporisé
préférentiellement, et la concentration dans le liquide, des composés
de points d'ébullition supérieurs, augmente avec le taux de vaporisation; la température
d'ébullition du mélange augmente également.
Pour permettre le dimensionnement de l'échangeur on définit donc une courbe de vaporisation indiquant la température
d'ébullition du mélange en fonction de la quantité de chaleur échangée.
La courbe de vaporisation est également fonction de la pression opératoire. La pression n'étant pas identique en tout point de l'échangeur, il est utile de déterminer la courbe de vaporisation pour différentes pressions (deux au moins correspondant aux pressions extrêmes rencontrées.
L'origine de ces courbes est commune et correspond à la température du fond de la colonne de distillation.
La vaporisation d'un liquide nécessite beaucoup plus de chaleur
qu'un simple échauffement. Par exemple, il faut 50 fois plus de chaleur
pour vaporiser un kg d'eau que pour élever sa température de 10°C.
L'ébullition se produit donc en général à proximité immédiate de la surface chauffante.
Tant
que flux de chaleur est faible, ou que la température du fluide est
éloignée de sa température d'ébullition, le fluide s'échauffe seulement
et est naturellement renouvelé à la surface chauffante par un mouvement
de convection.
La formation de bulles de vapeur ne se produit que
pour des flux de chaleur élevés et lorsque le fluide est proche de sa
température d'ébullition.
Dans un rebouilleur on distingue différents modes de transfert de chaleur vers le liquide à vaporiser:
- la convection
- la nucléation
- le film
La convection correspond au réchauffage du liquide avant qu'il
n'atteigne sa température d'ébullition. L'échauffement local d'une
partie du liquide au voisinage de la surface chaude provoque une
diminution de sa masse volumique. La différence de densité avec le
liquide froid environnant provoque un mouvement au sein du liquide
tendant à éloigner de la surface chauffante le liquide chaud pour céder
la place à du liquide froid. Ce phénomène est nommé la convection naturelle.
La nucléation correspond à la formation de petites bulles à la surface
de la paroi chaude. Ces bulles grossissent et finissent par se détacher
de la paroi et laisser la place à d'autres bulles en formation. Elles
montent alors dans le liquide, provoquant une agitation s'ajoutant à la
convection naturelle.
Ceci explique pourquoi le coefficient de
transfert associé à un liquide en ébullition est supérieur à celui
associé à un simple échauffement de liquide.
Le régime de film correspond à la formation de bulles importante de gaz couvrant quasiment toute la surface chaude.
Le flux de chaleur pouvant être transmis par une paroi à un liquide
en ébullition est limité lorsque le flux de vapeur généré est tel qu'un
film continu de gaz se forme à sa surface. Ce film joue alors un rôle
d'isolant thermique et le flux de chaleur peut brutalement chuter. Ce
phénomène est appelé la caléfaction.
Il se produit pour une
différence de température limite entre la paroi et le fluide en
ébullition qu'il est donc recommandé de ne pas dépasser.
Cette
différence de température limite ainsi que le flux de chaleur correspondant
diffèrent selon les produits. Quelques exemples sont donnés dans le
tableau ci-dessous:
====================================================
Produit Flux thermique Diff. de température
maximum limite
W/m² °C
------------ -------------- --------------------
Eau 1250000 25
Isopropanol 350000 35
Isobutanol 370000 45
Ethanol 450000 35
Ethanol-Eau 600000 30
Acétone 450000 25
====================================================
Disposés
à l'intérieur de la colonne ils sont peut encombrants et économiques à
installer, mais le transfert thermique est médiocre et la surface d'échange est limitée. A réserver aux
faibles charges thermiques.
Le rebouilleur est placé à l'extérieur de la colonne et est relié à celle-ci par:
- une ligne venant du fond de la colonne amenant le liquide à rebouillir
- et une ligne retournant au-dessus du niveau liquide le mélange de gaz
et de liquide. Une circulation verticale de bas en haut s'établit
naturellement dans l'échangeur d'où le nom de rebouilleur à circulation
naturelle.
Les tubes sont disposés verticalement et le liquide à rebouillir circule à l'intérieur.
Le transfert thermique est important, les lignes sont courtes, le montage est compact.
Le taux de vaporisation est limité à 30% environ, la longueur des tubes est limitée et l'accès pour nettoyage est difficile.
Les tubes sont disposés horizontalement et le liquide à rebouillir circule à l'extérieur.
Le transfert thermique est modéré, mais de tels échangeurs peuvent être dimensionnés pour de grandes charges thermiques.
Ils sont assez accessibles pour nettoyage.
Pour les services encrassant, pour les liquides visqueux, lorsqu'on craint que la circulation naturelle soit contrariée, ou lorsqu'on recherche un transfert thermique maximum, la vitesse de circulation peut être forcée par l'installation d'une pompe.
Les
tubes sont disposés verticalement pour profiter de la gravité. Le
fluide chauffant circule à l'extérieur des tubes tandis que le liquide
à rebouillir circule à l'intérieur. Il est distribué au sommet des
tubes de manière à former un film sur la paroi interne des tubes. Le
liquide chemine depuis le haut du tube jusqu'au bas en recevant la
chaleur de la paroi du tube. La vapeur générée chemine elle aussi vers
le bas du tube où elle est rassemblée et conduite vers le bas de la
colonne de distillation. Le liquide épuisé est lui aussi soutiré en bas
de l'échangeur d'où il est évacué ou bien recyclé par pompe vers le
sommet de l'échangeur pour un nouveau passage.
Ce type de rebouilleur est apprécié:
- pour traiter des produits visqueux lorsque l'échange convectif est limité
- lorsqu'un taux de vaporisation élevé est souhaité
-
lorsque l'augmentation de la température d'ébullition due à la hauteur
de liquide dans l'échangeur, limite le transfert thermique
(distillation sous vide, faible approche de température entre fluides
chaud et froid, ...)
La distribution uniforme du liquide au sommet des tubes est particulièrement importante:
- un défaut de liquide sur certains tubes conduit à une sous utilisation de la surface d'échange
- un excès de liquide sur d'autres tubes peut conduire à les remplir et créer une surpression qui empêche l'ébullition
Une chaudière de vaporisation est disposée à l'extérieur de la colonne reliée à celle-ci par:
- une ligne venant du fond de la colonne et amenant le liquide vers le bouilleur,
- une ligne retournant au-dessus du niveau liquide la vapeur générée.
La vaporisation à lieu à l'extérieur des tubes. Un niveau liquide est
maintenu dans la calandre de l'échangeur, et une zone de désengagement
des vapeurs permet de séparer gaz et liquide.
Si des composés non vaporisables sont présents, ils s'accumuleront dans
le liquide du Kettle. Une purge est alors nécessaire pour en limiter
l'accumulation.
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