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DESCRIPTION ET MODELISATION DU PROTOTYPE DE DISTILLATEUR À TROIS COMPARTIMENTS HORIZONTAUX
Le procédé de distillation est pratiqué aussi bien de manière artisanale qu’industriellement et l’étude intéresse de nombreux chercheurs. Il est nécessaire de concevoir des prototypes efficaces caractérisés notamment par l’optimisation de la perte d’énergie et des rendements acceptables. C’est ainsi, par exemple, que le développement de nouvelles configurations pour l’optimisation de l’énergie utilisée ait fait l’objet de nombreux travaux. Hilde, 2005 [1] a développé la distillation multi-effet appliquée à l’étude des cas industriels, Bonsfills, 2004 [2] a amélioré la technique de rectification discontinue et Sami Pelkonen, 2001 [3] a fait l’étude expérimentale de la distillation du mélange de plusieurs composants dans une colonne pleine. On a démontré que plusieurs séquences de distillation associée thermiquement contribuent à l’amélioration de l’efficacité thermique des séquences conventionnelles de distillation [4] (Vorayos et al, 2006). Dans le procédé de distillation simple, un mélange binaire azéotropique eau-éthanol, la température de distillation est souvent voisine de la température d’ébullition normale de l’eau. De ce fait, il est nécessaire de procéder à une rectification en continue ou en discontinue du distillat pour obtenir un produit pur [5] (Lange, 1967; McCabe, 1925).
De notre côté, nous apportons notre contribution dans l’amélioration du système en concevant un distillateur à compartiments basé sur le transfert de chaleur entre ces compartiments, le fluide caloporteur et le fluide à distiller. L’objectif de cette présente étude consiste à obtenir une température de mélange eau-éthanol, calculée à partir de la formule de Perry et al, 1987 [6], supérieure à la température d’ébullition normale du mélange. Un modèle sera proposé pour l’étude de l’évolution de divers paramètres caractéristiques du système tels que les débits et les températures du fluide caloporteur, la concentration en éthanol du mélange pour qu’on puisse déterminer la concentration du produit.
Description du distillateur à compartiments étudié
C’est une enceinte à trois compartiments horizontaux C1, C2 et C3. Dans les compartiments C1 et C3 se trouvent le fluide caloporteur et C2, situé au milieu des deux, s’écoule le fluide à distiller. Un tube vertical reliant le compartiment C2 à l’extérieur sert de conduit de récupération de la vapeur.
Hypothèses simplificatrices
Nous adoptons les hypothèses suivantes :
• Les parois du système en contact avec l’extérieur sont adiabatiques,
• Les températures des milieux solides sont uniformes dans un plan normal à l’écoulement,
• L’écoulement est unidimensionnel et reste identique à lui-même à l’intérieur des conduits, c’est-à-dire qu’il est laminaire, transitoire ou turbulent,
• Les pertes thermiques dans les conduits de liaisons sont négligées,
• Les pertes de charges pendant l’écoulement sont négligées,
• Les réactions chimiques sont négligées pendant la distillation.
• Les transferts par rayonnements sont négligés.
Protocole expérimental
Pour déterminer la performance du distillateur à compartiments, nous avons fait varier les paramètres suivants :
• La température initiale du mélange, la température du fluide caloporteur
• La concentration du mélange,
• Le débit des fluides caloporteurs.
On signale que nous n’avons pas effectué la mesure instantanée de la quantité du distillât obtenu au cours de l’expérimentation.
Procédure de l’expérimentation
Le fluide à distiller est une composition d’une quantité de l’alcool 90% avec une certaine quantité d’eau. La concentration du mélange au départ donne la concentration initiale du fluide à distiller. Le fluide caloporteur préalablement bouilli dans le réservoir, maintenu à une température constante, s’écoule par gravité vers les canaux C1 et C3 dont les débits des fluides caloporteurs des deux canaux sont réglables à volonté. Il s’ensuit des transferts de chaleur par convection et par conduction entre le fluide caloporteur et le fluide à distiller. Il en résulte une augmentation de la température du fluide à distiller et d’une évaporation d’une certaine quantité d’alcool éthylique si l’apport de chaleur est suffisant. La vapeur d’alcool éthylique subirait une condensation. On remarque que pour avoir plus de vapeur à la sortie du compartiment C2, l’agitation du mélange est exigée. L’intensité du transfert de chaleur entre les fluides caloporteur et à distiller est fonction d’une part de la température du fluide à distiller et d’autre part de son débit. Notons que le débit du distillât dépend de la température du fluide à distiller et de la différence entre la pression atmosphérique et celle de la vapeur dans le distillateur. Nous avons constaté qu’un espace libre est requis pour une vaporisation efficace de l’éthanol. Pour un débit fixé du fluide caloporteur s’écoulant dans les canaux C1 et C2, nous relevons toutes les 5 mn à l’aide de la centrale de mesure les valeurs de la température du fluide à distiller. Ces mêmes mesures sont effectuées pour une température du fluide caloporteur donnée et pour différents débits de ce fluide. Nous avons effectué ces mesures en considérant des débits différents. Notons que la durée d’une série de mesures est comprise entre 30 et 100 mn.
Détermination des différents paramètres
Mesure des températures
Les températures suivantes sont relevées :
–Tcalo : Température du fluide caloporteur F1 et F2 à l’entrée du système
–Te1 : Température d’entrée du fluide caloporteur F1 du C1
–Te2 : Température d’entrée du fluide caloporteur F1 du C3
–Tebm : Température d’ébullition du mélange eau-éthanol
–Tinitial : Température initiale du mélange eau-éthanol
–Tm : Température moyenne du fluide caloporteur F1 et F2 à l’entrée du système
–Tair : Température de l’air ambiant
Ces mesures sont effectuées à l’aide de thermocouples reliés à la centrale de mesures.
Mesure de la concentration du mélange
La concentration initiale du mélange eau-éthanol et la concentration du distillât sont mesurées à l’aide d’un alcoomètre Gay-Lussac. On remarque que la mesure s’effectue en volume (% en v/v), c’est la proportion volumétrique de l’alcool par rapport à l’eau.
Mesure des débits
Les débits des fluides caloporteurs sont déterminés à l’aide de la mesure, pendant une durée donnée de la quantité de fluide récupérée dans une éprouvette graduée. Voici les débits des fluides caloporteurs relevés :
m₁ : Débit massique du fluide caloporteur F1
m₂ : Débit massique du fluide caloporteur F2
Détermination de la quantité du distillât obtenu
La mesure de la quantité du distillât obtenu s’effectue de deux manières différentes, soit par mesure de volume à l’aide d’un bécher gradué, SIMAX (STABILL KAVALIER) soit à l’aide d’une balance électronique. En général, elle s’effectue à la fin de l’opération.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 Description et Modélisation du prototype de distillateur à trois compartiments horizontaux
1. Introduction
2. Description du distillateur étudié
3. Modèle pour le calcul de la température du mélange
3.1. Description des échanges thermiques
3.2. Hypothèses simplificatrices
3.3. Bilan énergétique et mise en équations
3.4. Détermination de la chaleur reçue par le fluide à distiller
3.5. Quantité de vapeur produite
3.6. Chaleur accumulée par le fluide à distiller
3.7. Efficacité thermique du distillateur
4. Modèle de coefficients d’échange thermique
5. Equilibre vapeur-liquide : mélange eau-éthanol
CHAPITRE 2 Présentation du système d’expérimentation
1. Description du système d’expérimentation
1.1. Description du système étudié
1.2. Les dispositifs de mesures
1.3. Le système d’acquisition et de traitement des données
2. Protocole expérimental
2.1. Procédure de l’expérimentation
2.2. Détermination des différents paramètres
2.2.1. Mesure des températures
2.2.2. Mesure de la concentration du mélange
2.2.3. Mesure des débits
2.2.4. Détermination de la quantité du distillat obtenu
CHAPITRE 3 Présentation et validation des résultats
1. Introduction
2. Résultats des simulations numériques
2.1. Influence de la température du fluide caloporteur
2.1.1. Évolution de la température du fluide à distiller
2.1.2. Évolution de la quantité du mélange pendant l’opération
2.1.3. Évolution de la concentration d’éthanol dans le distillateur pendant l’opération
2.1.4. Efficacité thermique du distillateur
2.2. Influence des débits des fluides caloporteurs
2.2.1. Évolution de la température du fluide à distiller
2.2.2. Efficacité thermique du distillateur
2.3. Influence de la concentration de l’éthanol dans le distillateur
2.3.1. Evolution de la température du mélange
2.3.2. Efficacité thermique du distillateur
2.3.3. Influence de la température initiale du mélange
3. Validation des résultats
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
