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Etude de l'influence de la température du fluide sur la performance d'un échangeur de chaleur de la raffinerie d'Alger

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par Nadjet Fadel
Université des sciences et de la technologie Houari Boumédiene à  Alger - Ingénieur d'état option: génie chimique 2010
  

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IV.5. Calcul des caractéristiques des fluides [ANNEXE 5]

Le tableau (IV.2) ci-dessous résume les corrélations utilisées pour le calcul des propriétés physiques des deux fluides (pétrole brut et reflux de tête) à leurs températures caloriques respectives.

Tableau IV.2 : Corrélations de calcul des propriétés physiques des deux fluides

Propriétés physiques

Corrélations

Conditions d'utilisation

Densité [14]

d4T = [d4T -- a (T-15)] (IV.20)

T : 0C

a : déterminé à partir du Tableau [ANNEXE 3].

Chaleur spécifique [26]

Relation de Gragoe

0 . 3 8 8 + 0. 00045 T (IV.21)

CP =

32oF = T= 400oF

0.75 < Spgr (60/60) < 0.96 1Btu/LboF = 4.187 kJ/kgoC

0.5

spgr (60 60)

Conductivité thermique [27]

Relation de Gragoe (IV.22)

0 . 0677

k = [ 1- 0 0003(T - 3 2)]

.

32oC = T= 392oF

1 Btu/h ftoF = 1.731 w/moC 0oC = t = 200 oC

Spgr (60 / 60)

Viscosité cinematique[28]

1 = A exp (B/T)

A= - 0.0339API0.188+0.241(Tmav/B)

B= exp(5.471+0.00342Tmav) Pour le calcul de Tmav [Annexe4]

T:oK [Annexe4]

A B

Brut 0.024 1246.284

R.T. 0.0316 833.99

Viscosité dynamique[28]

u = P 1 (IV.23)

Kg/ms

Remarque :

On calcul les propriétés physique des deux fluides à température calorique, sauf la densité

côté tube on a utilisé la température moyenne pour déterminer Fc et tc du brut.

IV.6.Calcul de U [ANNEXE 7]

Pour un coefficient d'échange constant, le bilan thermique dans l'échangeur peut s'exprimer par la relation suivante [14]

p =U A F MLDT = M CP (te--ts)

Où : M= p ~

M : Débit massique du pétrole brut (kg/s) ;

p: masse volumique du pétrole brut (kg/m3) ;

Q : Débit volumique du pétrole brut (m3/s) ;

(te, ts) : Températures d'entrée et sortie du brut respectivement ;

F : facteur de correction, déterminé à partir de l'abaque (IX.3) et dépend de deux Paramètres R et E donnés par :

 
 

T T

-

e s

(IV.24)

 

t t

-

e s

 

t t

-

s e

 

(IV.25)

T t

-

e e

 

A : est la surface d'échange de chaleur (m2) ; A= N it d0 l

N : nombre de tubes ;

do :diamètres extérieur des tubes ;

l : longueur des tubes ;

)

(T t

-

e s

Ln

MLDT =

(T t ) (T t

- - -

e s s e

(IV.26)

)

(T t

-

s e

)

MLDT : moyenne logarithmique des différences de températures.

L'expression du coefficient global en (k W/m2.oC) est donc donnée par la relation : MC (t t )

P s - e

U=

AFMDLT

(IV.27)

Figure IV.1. Echangeur tubulaire encrassé [23]

Figure. IV.2.Echangeur tubulaire propre [24]

IV.7.Exemple de calcul :

Un exemple de calcul de la résistance d'encrassement R, de la cellule E101 FED est présenté ci-dessous :

Les données de marche :

te=18 oC

ts=100 oC

Q= 223.763 m3/h

d 4 =0.790

15

Te=123 oC Ts=58 oC

Q'=346.762 m3/h

Les données de construction :

di = 0.01503 m do = 0.01905 m nt = 12

nc = 3

N = 3300 tubes Dc = 1.067 m

B = 0.465 m P = 0.0254 m L = 6.096 m

COTE CALANDRE : REFLUX De TÊTE

Calcul de Tc : Te = 123 oC

COTE TUBE : PETROLE BRUT Calcul de d4t:

a = 0.00072

tmoy = 59 oC ~ d4t = 0.7583

d 4 = 0.790

15

Calcul de tc : te = 18 oC

ts = 100 oC = tc = 61.05 oC

Ts = 58 oC = Tc = 88.88 oC

Caractéristique du pétrole brut : Cp = 2.128 kJ/kg oC

k = 1.4344 10-4 KW/m oC

p = 758.3 kg/m3

t = 7.58 10-4 kg/ms

Section par tube:

N=3300

di= 0.01503 m = at= 0.0488 m2 nt= 12

Détermination de la vitesse massique : M= 47.133 kg/s

at=0.0488 m2

= Gt= 965.84 kg/m3s

Nombre de Reynolds :

di= 0.01503 m

Gt= 965.84 kg/m3s Re= 19151.15

t= 7.58 10-4 kg/ms

Détermination de la fonction de transfert JH :

Caractéristique du reflux de tête

Cp'= 2.203 kJ/kg oC k'= 1.555 10-4 KW/m oC p'= 656.18 kg/m3

t'= 7.077 10-4 kg/ms

Section par calandre :

Dc= = 1.067 m , B= 0.465 m P= 0.0254 m , do=0.01905 m
= ac= 0.124 m2

Détermination de la vitesse massique : M'=63.502 kg/s

ac=0.124 m2

= Gc = 509.72 kg/m3s

Nombre de Reynolds :

De=0.02407m

Gc'= 509.72 kg/m3s Re'=59070.59

t'= 7.077 10-4 kg/ms

Détermination de la fonction de transfert Jh :

A partir de l'abaque (XI.5) (Annexe9) JH = 64

Détermination du coefficient

de film interne :

JH= 64

CP= 2.128 kJ/kg oC

t= 7.58 10-4 kg/ms

k= 1.4344 10-4 kw/m oC

h i

~ = 1.367 kw/m2 oC

I, t A partir de l'abaque (XI. 6) (Annexe9)

Jh = 148

Détermination du coefficient

de film externe :

Jh = 148 CP'=2.203 kJ/kg oC

t'= 7.077 10-4 kg/ms k'=1.555 10-4 kw/m oC

h o

~ =1.37 kw/m2 oC

I, c

d= 0.01503 m , do= 0.01905 m h~/cI~=1.367 kw/m2 oC

= hio/ Jt=1.078 kw/m2 oC

Température du tube:

tc= 61.05 oC ,Tc= 88.88 oC , hio/ cI~= 1.078 kw/m2 oC , h0/cI~=1.399 kw/m2 oC

= tt=76.62 oC

Détermination ut it tt: ut =6.63 10-4 kg/ms Détermination de I: ut= 6.63 10-4 kg/ms u= 7.58 10-4 kg/ms

~ Jt = 1.023

Détermination du coefficient du film :

Jt = 1.023

hio/ t=1.078 kw/m2 oC = hio= 1.103 kw/m2 oC

Détermination ut' it tt:

ut = 2.252 10-4 kg/ms

Détermination de I : ut = 2.252 10-4 kg/ms u ' = 7.077 10-4 kg/ms

~ c ~ =0.988

Détermination du coefficient du film :

Jc = 0.988

he/ Jc= 1.37 kw/m2 oC = ho=1.354 kw/m2 oC

Détermination du coefficient de transfert propre :

hio=1.103 kw/m2 oC , ho=1.354 kw/m2 oC ) = Up=0.608 kw/m2 oC

Détermination de facteur de correction F à partie de l'abaque (XI.3) (Annexe11)

( E= 0.781 ,R=0.793 )=F = 0.875

Détermination de DTLM :

(te = 18 oC , ts = 100 oC , Te = 123 oC ,Ts = 58 oC ) ~ DTLM = 30.72 oC Détermination de coefficient de transfert sale U :

(DTLM = 30.72 oC , A= 1203.94 m2 ,F= 0.875 , M= 47.133 kg/s )

=> U = 0.254 kw/m2 oC

Calcul de la résistance d'encrassement Rd:

(Up= 0.608 kw/m2 oC , U = 0.254 kw/m2 oC ) = Rd =2.292 m2 oC/ km

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