Développement numérique et validation expérimentale d'internes dédiés aux colonne concentrique énergétiquement intégrée et basés sur une structure complexe innovante (POCS)

Numerical development and experimental validation of concentric HIDiC internals based on an innovative complex structure (POCS)

• Auteur / Autrice : Yousef Al-Maqaleh
• Direction : David Rouzineau, Michel Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Xuân-Mi Meyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rouzineau, Michel Meyer, Xuân-Mi Meyer, Jens-Uwe Repke, Elisabetta Brunazzi, Frédéric Topin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jens-Uwe Repke, Elisabetta Brunazzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Consommation d'énergie

Environnement -- Recherche

Distillation -- Appareils et matériel

Mots clés libres

HIDiC

Économie d'énergie

Distillation

CFD

Garnissage structuré complexe

Fabrication additive

HIDiC

Energy-saving

Distillation

CFD

Complex structured packing

Additive manufacturing

Résumé

Malgré leur utilisation intensive dans l'industrie chimique, les colonnes de distillation typiques restent des unités de séparation énergivores. Dans ces travaux de recherche, deux solutions clés sont considérées pour réduire la consommation d'énergie et réaliser une distillation plus respectueuse de l'environnement : développer des contacteurs gaz/liquide (G/L) efficaces et les utiliser à l'intérieur d'une colonne de distillation intégrée énergétiquement (Heat-Integrated Distillation Column, HIDiC). Cette dernière permet un transfert de chaleur de la section de rectification à la section d’épuisement et réduit la consommation d'énergie au rebouilleur. Cet échange de chaleur est possible grâce à la différence de pression entre les deux zones, qui engendre une différence de température. Une HIDiC concentrique équipée d'une technologie monobloc (garnissage et paroi interne) basée sur la structure de la cellule de Kelvin (KC) a permis de réaliser une économie d'énergie de 40% par rapport à une colonne de distillation classique pour la séparation d’un mélange standard de cyclohexane/n-heptane. Cependant, la capacité hydrodynamique de la structure de KC est limitée, Fengorgement =1,1 Pa0,5. Ces travaux visent à développer une structure complexe qui soit simultanément capacitive et efficace en transfert de matière et de chaleur. Pour éliminer les limitations de conception et réaliser une structure complexe sur mesure, la fabrication additive est employée comme méthode de production. Une structure complexe filaire, préalablement étudiée au LGC et appelée tétra-spline (TS), est choisie comme point de départ pour limiter le large choix de conception. Étant donné la flexibilité de la géométrie TS et les innombrables modifications possibles, une méthodologie mixte de développement et de sélection, numérique et expérimentale, est établie et adaptée pour différencier et optimiser les performances de la structure. Elle est conçue pour économiser du temps et des ressources. Tout d'abord, vingt-six structures sont comparées numériquement à l'aide de modèles monophasiques et en fonction de quatre paramètres : la perte de charge à sec (dP/dz) et le coefficient de transfert thermique (h), la conductivité thermique effective (ETC) et la surface géométrique spécifique (A_S). Ensuite, les trois meilleures géométries sont imprimées en polymère, testés et caractérisés expérimentalement pour définir leurs performances hydrodynamiques et de séparation. Ces dernières comprennent l'évaluation des pertes de charge à sec et mouillé, de la distribution des liquides et des gaz, de la hauteur équivalente à un plateau théorique (HEPT) et du point d'engorgement. L'un des prototypes, une structure TS symétrique et périodique améliorée avec des éléments dédiés à la thermique, a démontré une capacité suffisante et une efficacité adéquate et stable dans la séparation, Fengorgement =2,6 Pa0,5 et HEPT= 0,38 m. Par conséquent, ce prototype a été sélectionnée pour poursuivre l’étude. Plusieurs blocs, formant une colonne d'un mètre de hauteur et 145 mm de diamètre, sont imprimés en un alliage d'aluminium avec une paroi consolidée et un système d'assemblage étanche. Ses performances de transfert de chaleur avec changement de phase sont testées expérimentalement. D'après les résultats expérimentaux, elle est au moins aussi efficace thermiquement que la technologie précédente (structure KC). Enfin, une colonne de deux mètres équipés de la nouvelle technologie monobloc est testée dans le pilote concentrique HIDiC au LGC. La nouvelle technologie a montré un taux d'économie d'énergie de 40% par rapport à une colonne de distillation typique, avec une différence de pression de 0,35 mbar et le mélange standard cyclohexane/n-heptane. De ce fait, l’objective de ces travaux de recherche est atteint avec la conception d’une technologie capacitive et efficace en séparation et transfert de chaleur.

Despite their extensive use in the chemical industry, typical distillation columns are still energy-consuming separation units. In this research, two key solutions are recommended to minimize energy consumption and achieve a superior environmental-friendly distillation: developing efficient gas/liquid (G/L) contactors and using them inside a heat-integrated distillation column (HIDiC). The latter allows heat transfer from the rectifying section to the stripping one and reduces the energy consumption at the reboiler. Such heat exchange is possible owing to the pressure difference between the two zones, which produces a favorable temperature difference. A concentric HIDiC equipped with a monoblock (packing and internal wall) technology based on kelvin cell (KC) geometry, developed at the LGC in Toulouse, has proven an energy-saving rate of 40% compared to a conventional distillation column. However, its hydrodynamic capacity is limited, Fflooding =1.1 Pa0.5. This research aims to develop a complex structured packing dedicated to concentric HIDiC that has a higher hydrodynamic capacity and is efficient in mass and heat transfer. Additive manufacturing (AM) is the adapted production method to eliminate design limitations and make a tailored complex structure for HIDiC. To narrow the design choice, a known wire-based complex structure called Tetraspline (TS), is chosen as the starting point. Given the TS geometric flexibility and the uncountable possible modifications, it is essential to establish a methodology to differentiate and optimize the structure’s performance for the intended application, HIDiC. A mixed numerical and experimental development and selection methodology is established and adapted to save time and resources. First, twenty-six structures are compared numerically using single-phase models and according to four parameters: dry pressure drop (dP/dz) and heat transfer coefficient (h), effective thermal conductivity (ETC), and geometric-specific area (A_S). Then, the best three prototypes are 3d-printed in polymer, tested, and characterized experimentally for their hydrodynamic and separation performances. The latter includes the evaluation of dry and wet pressure drops, liquid and gas distribution, height equivalent to a theoretical plate (HETP), and flooding point. One of the prototypes, an improved symmetric and periodic TS structure with a thermal-enhancing element, demonstrated a sufficient capacity and adequate and stable efficiency in separation, Fflooding =2.6 Pa0.5 and HETP= 0.38 m. Therefore, it is selected as the new technology. Several blocks, forming a one-meter column with 145 mm diameter, are printed in an aluminum alloy with a consolidated wall and an airtight assembly system. It is tested experimentally for its performance in heat transfer with phase change. According to the experimental results, it is at least as thermally efficient as the previous technology (KC structure). Finally, A two-meter monoblock column equipped with the new technology is tested in the concentric HIDiC pilot at the LGC. The new technology showed a 40% energy-saving rate compared to a typical distillation column, with a pressure difference of 0.35 mbar.