Bilan energétique sur une colonne de distillation

[invite13a9bd4b]

Bonjour,

Si on prend l'exemple d'une distillation où on a plusieurs sortie (distillation rafffinage par exemple), comment on peut faire le bilan énergétique sur les produits entrée-sortie?
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[invite2313209787891133]

Bonjour

En principe il y a toujours plusieurs sorties sur une colonne. Pour faire le bilan tu prends une référence arbitraire (par exemple 0°C sous forme liquide), tu calcules l'enthalpie véhiculée par chaque flux par rapport à cette référence. La somme des enthalpies des flux entrant, moins la somme de celle des flux sortant doit faire 0.

[invite13a9bd4b]

d'accord pour un bilan enthalpique. Mais, je ne suis pas sûr que la différence des enthalpies entrée sortie est nulle car il peut y avoir des appareils d'échanges (rebouilleur, condenseur...)

[invite2313209787891133]

Oui bien sur, mais tu prend également en compte la chaleur fournie à ces appareils, quand je parle de flux entrant et sortant je veux dire des flux de chaleur.
Éventuellement il faut aussi prendre en compte la chaleur de réaction ou de mélange des différents composés entrant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteccfb3d4d]

pas tout à fait : la somme des enthalpies transportées par les flux sortants moins la somme des enthalpies transportées par les flux entrants est égale à la puissance nette consommée par la colonne (puissance thermique au rebouilleur moins puissances thermiques aux condenseurs/sous-refroidisseurs). Pour une colonne simple (un seul distillat avec condenseur total et un seul résidu) qui vérifie l'hypothèse de Lewis, cette puissance nette est effectivement proche de zéro. Je suppose que ce résultat peut s'étendre aux colonnes à soutirages intermédiaires, pour peu que le vapeurs soutirées soient totalement condensées, mais c'est à vérifier.

Mais cette puissance thermique nette n'est pas très intéressante, c'est chacune des puissances échangées aux rebouilleur/condenseur qu'il faut déterminer. Pour cela, il faut faire un bilan sur chacun de ces appareils. Pour des colonnes multi-constituants (qui sont les seules à justifier des soutirages intermédiaires) cela suppose de passer par une simulation numérique, les méthodes graphiques étant limitées aux colonnes binaires. Les logiciels ne manquent pas (Aspen, ProII, Prosim...) mais ne sont pas gratuits !

[invite2313209787891133]

toi tu n'as pas tout suivi on dirait.
Relis un peu ce qui a été écrit plus haut.

Par ailleurs il n'y a pas besoin de logiciel pour faire un bilan thermique, ça se fait avec une feuille et un crayon.

[inviteccfb3d4d]

Il est sûr qu'un bilan global approché est souvent très simple, mais il n'a aucun intérêt. C'est bien beau de savoir qu'une colonne consomme 1kW globalement, si en fait elle utilise 100 kW au rebouilleur pour céder 99 kW au condenseur (ce qui est assez typiquement le cas) : c'est bien 100 kW de chaleur haute température qu'il faudra payer et les 99kW de chaleur basse température cédée par le condenseur seront la plupart du temps perdus (ou demanderont un investissement considérable pour être partiellement valorisés).
Pour connaître la puissance thermique au rebouilleur, il faut pour le moins connaître débit, composition et température de ce qui y rentre (le liquide venant du plateau interne juste supérieur) et de ce qui en sort (la vapeur rebouillie et le résidu). On s'en sort assez facilement dans le cas de mélanges binaires, si la colonne est spécifiée par les compositions de sortie, mais il faut en plus s'être donné le taux de reflux.
Dans le cas de mélanges multiconstituants comme évoqué dans la question (raffinage), on ne peut plus spécifier complètement les débits de sortie (question de degrés de liberté). On fait alors une simulation rigoureuse de la colonne, en résolvant les équations de bilan matière, de bilan énergétique et d'équilibre sur tous les étages, les méthodes approchées type McCabe et Thiele ou Ponchon-Savarit ne s'appliquant plus, surtout s'il y a des soutirages intermédiaires. Évidemment, si la colonne existe déjà, il est facile de croiser avec le bilan thermique sur le caloporteur qui chauffe le rebouilleur (en général de la vapeur HP), si l'instrumentation s'y prête. Et on peut faire le même calcul sur le condenseur, bien sûr.

Si les calculs de distillation multiconstituants pouvaient se faire sur un coin de feuille, cela se saurait...

[invite2313209787891133]

Si les calculs de distillation multiconstituants pouvaient se faire sur un coin de feuille, cela se saurait...

C'est pourtant ce que je fais couramment, c'est une partie de mon job.
Et une fois encore tu n'as apparemment pas compris, je parle des flux qui entrent et qui sortent de la colonne, tous les flux.
Un bouilleur ce n'est pas une colonne, c'est un élément séparé. Ce bouilleur prélève du liquide de la colonne, le vaporise et le renvoie dans cette colonne, donc dans le bilan on prend ce liquide soutiré, et cette vapeur renvoyée.

Si la colonne n'existe pas la démarche est la même, personne ne s'amuserait à construire une colonne sans savoir ce qui va sortir sur chaque piquage...

[inviteccfb3d4d]

Cela fait suffisamment longtemps que j'enseigne la thermodynamique chimique et les opérations de séparation en école d'ingénieurs pour que je sache faire un bilan énergétique global sur une opération industrielle, merci.
Ce que je dis, c'est que dans le cas de la distillation, le bilan global ne sert à rien, s'il ne donne accès qu'à un solde énergétique qui ne permet pas de distinguer l'énergie consommée de celle rejetée.
Relisez donc le bouquin de King ("Separation processes") il y a un excellent chapitre sur l'analyse énergétique (et exergétique) de la distillation.

[invite2313209787891133]

C'est étonnant de la part d'un professeur de ne pas savoir répondre à une question précise : L'auteur du sujet a demandé comment s'y prendre pour établir un bilan énergétique dans le cas d'une colonne à plusieurs sorties ; je lui ai répondu, ça s’arrête là.

J'avoue que j'ai du mal à comprendre la pertinence des tes interventions : Tu commences à dire que ma réponse n'est pas correcte (en se gargarisant d'informations inutiles au sujet), puis comme il devient évident que cette position n'est pas défendable tu continues en disant qu'établir un bilan thermique ne sert à rien. Que peut on déduire d'un comportement pareil ?

[inviteccfb3d4d]

C'est curieux, mes élèves trouvent en général mes cours plutôt clairs. Mais si vous n'arrivez vraiment pas à comprendre que ce qui est important pour dimensionner une colonne, c'est de connaître individuellement Qc et Qb, et pas simplement leur somme (souvent proche de zéro), il est probablement inutile que j'insiste.

[invite2313209787891133]

Où est ce que j'ai dis que ce n'était pas clair ? J'ai simplement dit que tes interventions n'étaient pas utiles, à croire que tu es intervenu uniquement pour semer la zizanie.
Au passage ça ne ressemble pas tellement au comportement d'un professeur responsable, mais plutôt celui d'un étudiant en 1ere ou 2eme année en manque de reconnaissance.

[inviteccfb3d4d]

et si on arrêtait les polémiques stériles ?
J'ai simplement constaté que vos deux premières interventions n'étaient pas claires - en partie contradictoires même - , et j'ai donné sous forme complète la bonne expression du bilan global, tout en notant que ce bilan n'était pas suffisant pour calculer les consommations énergétiques, et que pour des colonnes complexes, il valait mieux se baser sur des simulateurs.

Je reconnais que s'il s'agit de faire un bilan énergétique d'une colonne existante pour en vérifier le bon fonctionnement (par exemple vérifier que les pertes thermiques par les parois sont bien de l'ordre de grandeur attendu) votre réponse une fois clairement exprimée peut suffire, à condition que la métrologie installée permette d'accéder à toutes les grandeurs indispensables au calcul des énergies et enthalpies.

Si cette dernière condition n'est pas vérifiée (ce qui est trop souvent le cas), ou si on est en phase de conception de colonne, je maintiens tous mes éléments de réponse.

Comme nous ne savons pas dans quel contexte précis notre premier interlocuteur souhaitait établir ses bilans énergétiques, j'ai préféré être plus complet. Vous êtes libre de penser que c'était inutile, mais ma longue expérience de prof m'a souvent montré qu'à l'ombre de questions apparemment simples peuvent prospérer des erreurs d'interprétation assez énormes. Si vous y avez vu une agression, je le regrette, mais je vous prie de remarquer que j'ai toujours essayé de garder un ton courtois, et que je ne me suis par exemple jamais permis de vous tutoyer.

[invite2313209787891133]

Il est impossible d'estimer les pertes par dissipation de cette façon...Tu devrais le savoir si tu étais si calé que tu le prétend.
Tout ce que je constate c'est que tu insistes comme un enfant pour essayer d'avoir le dernier mot, alors qu'il est entendu que j'ai répondu à la question depuis bien longtemps, et que la réponse était complète et correcte. Je n'insisterai pas plus longtemps, car c'est encore la meilleure chose à faire avec un gamin turbulent.