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2. SEPARATION PHYSIQUE

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1. Introduction :

La séparation physique des phases est une opération qui exploite la différence de

composition qui entre un liquide et une vapeur en équilibre, dés que plusieurs constituantsvolatiles sont présents. La séparation d’un mélange à l’état vapeur en un mélange de liquide et

de vapeur se produit sous l’effet d’un soutirage de chaleur (ou d’un apport de chaleur si le

mélange initial est à l’état liquide). L’échange de chaleur, et donc la température, jouent un

rôle important dans les équilibres liquide-vapeur. De plus, la pression est aussi un paramètre

très important dans la séparation.

2. Procédés de séparation (liquide vapeur) :

Les procédés de séparation sont des procédés qui assurent le fonctionnement d’un mélange

en ses divers constituants sans modifier d’aucune façon la structure moléculaire de sorte que

la somme des constituants est égale au mélange initial, et que le bilan volumétrique de

l’opération est justifié.

Tout procédé physique de séparation doit comporter 4 parties :

2.1. La préparation de la charge :

Il s’agit d’abord de mettre en œuvre la charge dans des conditions de pression et température,

déterminées pour obtenir les deux phases.

2.2. Le contact :

Il faut ensuite provoquer le contact intime des deux phases pour réaliser le transfert de matière

par diffusion sélective des constituants d’une phase dans l’autre. Ce transfert sera d’autant

plus important et rapide que la surface d’échange entre les deux phases et le temps de contact

seront grands, que la température sera élevée, réduisant ainsi la viscosité et la résistance des

films d’interface, enfin que la différence de concentration entre les phases qui joue le même

rôle qu’une différence de potentiel, sera élevée.

Le contact est le plus souvent réalisé par les plateaux ou les garnissages des colonnes ou

encore par des agitateurs ou des pulvérisateurs, alors que la différence de potentiel maximal

est obtenue par la pratique de la méthode du contre courant appliquée à la cascade des

contacts élémentaires.


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2.3. La séparation des phases :

Elles s’effectuent soit par gravimétrie (séparateurs, décanteurs, centrifugeuses, cyclones),

soit par filtration (filtre-presse ou filtres rotatifs), soit encore par champ électrique (sphères

pour le dessalage des bruts, dépoussiérage).

2.4. La récupération de chaleur ou de solvant :

C’est la partie complémentaire de la préparation de charge. Après avoir travaillé, la chaleur

ou le solvant qui représente une part importante des frais opératoires seront récupérés au

maximum en vue de leur réutilisation par recyclage.

3. Equilibre liquide vapeur :

3.1.

Définitions :

Changement d’état :

Tout corps se vaporise à température constante sous une pression donnée, un mélange

passe progressivement de l’état liquide à l’état vapeur par augmentation de la température à

pression constante et la composition des deux phases supposées en équilibre évolue

constamment au cours de la transformation.

Les phases :

Une phase est un ensemble homogène, ayant les mêmes propriétés physico-chimiques en

tous ces points, et séparées des autres parties du système par une surface définie.

La variance :

On appelle variance ou nombre de dégrée liberté d’un système en équilibre le nombre de

paramètres intensifs, (paramètres indépendants de la masse tels que la température, la

pression, la concentration), que l’on peut faire varier indépendamment sans modifier le

nombre de phases présentes et la nature chimique de chacune d’elles.

La loi des phases ou loi de GIBBS :

Pour décrire un système en état d’équilibre composé de n constituants et phases, on

utilise la loi de GIBBS de la forme :

L = n + 2 -

L : nombre de variables indépendantes (t, p, x, y).

Notions de tension de vapeur :


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La tension de vapeur est la tendance des molécules à quitter une phase liquide pour former

une phase vapeur aux conditions (P, T). Dans une enceinte fermée cette tension de vapeur

caractérise un équilibre entre les 2 phases, elle est proportionnelle aux nombres de molécules

constituants la phase vapeur.

3.2. Prévision des équilibres liquide – vapeur : [12]

3.2.1. Modélisation de la phase vapeur :

La loi des gaz parfaits est une approximation acceptable et souvent excellente du

comportement des vapeurs pourvu que leurs pressions soient très inférieures à leurs pressions

critiques. Si ces conditions sont remplies, la loi de Dalton est acceptable. Soit un mélange de n

gaz, Ai, à la température T. Soit Pt la pression totale et

Pression partielle de Ai.

Il vient : =∑ D’après la loi des gaz parfaits :

. = Il vient donc :

=∑ Puisque : = ∑

= C’est la loi de Dalton. La loi de Dalton permet à partir des pressions partielles et de la pression totale de

déterminer la composition de la phase gazeuse et la fraction molaire d’un constituant.

3.2.2. Modélisation de la phase liquide :

Un mélange liquide est dit idéal, s’il forme une solution idéale, et si les activités des

constituants sont proportionnelles à leurs fractions molaires.

L’expression du potentiel chimique du constituant Ai en phase liquide est :

= ° + ln A l’équilibre, la règle des phases impose que

=


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En regroupent les deux expressions dans chacune des phases, il vient pour le ième

composant :

°

+ ln() = °

+ ln() Ou en tire :

=exp° − °

On remarque que l’exponentielle ne dépend que la température, et donc, qu’à une température

donnée, c’est une constante. Pour évaluer cette constante, imposons =1 , c'est-à-direconsidérons le corps pur. Dans ce cas ( =1) =° , l’exponentielle est égale à la pression de vapeur saturante de Ai à la température T concernée. Il vient :

= ° C’est la loi de Raoult3.2.3. Prévision des équilibres liquide – vapeur binaires :

Connaissant les propriétés thermodynamique des corps purs, par exemple les lois

d’Antoine des divers constipants, on peut déterminer les équilibres liquide vapeur des

mélange à chaque température, pour un mélange Binaire A, B ou dispose :

Des expressions des fractions molaires, qui expriment que le mélange est binaire :

= =1− = =1− = + Des lois de Dalton, qui expriment que le mélange gazeux est idéal :

= =(1− ) Des lois de Raoult, qui expriment que le mélange liquide est idéal :

=° =°(1− )

L’exploitation de ces expressions conduit à :

=

− °

°

− °

=

°

− °

°

− °


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Ou° = Coefficient d’équilibre du constituant i.

On utilise souvent en distillation la volatilité relative de A et B, qui est définie par

=

4. LE SEPARATEUR :

4.1. Définition de Séparateur

Les séparateurs sont placés en tête de la chaîne de traitement dont ils constituent les

éléments essentiels. Ils reçoivent directement du manifold d’entrée la production

amenée par les collectes.

Un séparateur est un réservoir qui fonctionne à pression constante grâce à un système de

vannes à ouverture réglable sur les sorties d’huiles et de gaz. Par un système de grillages et de

chicane convenablement disposé à l’intérieur, l’écoulement du mélange est retardé de façon à

éviter l’entraînement de gouttelettes liquides dans le gaz et de bulles de gaz dans l’huile [1].

4.2. Description du séparateur :

Un séparateur se présente comme un réservoir cylindrique qui offre une certaine

tranquillité aux effluents qui vont se trier par différence de densité. Les liquides vont

s'accumuler vers le bas de la capacité où ils seront soutirés et les gaz s'échapperont par le haut.

Un séparateur quel que soit le modèle, comprendra les éléments suivants:

Une entrée des effluents dans la partie haute de la capacité, équipée d'une plaque brise

jet pour ralentir la vitesse d'écoulement.

Une série de chicanes dans la partie basse pour supprimer les vagues et les remous de

la phase liquide.

Une sortie gaz dans la partie supérieure de la capacité, opposée à l'entrée des effluents,

pourvue également de chicanes pour éviter les entraînements de liquides avec la phase

gazeuse.

Une sortie de liquide au point bas de la cuve. Si dans le même séparateur on sépare

deux liquides entre eux (huile et eau), il y aura deux sorties à des niveaux différents, la

plus basse destinée au produit le plus lourd.


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4.3. Différents types de séparateurs :

Il existe trois principaux types de séparateurs (vertical, horizontal et sphérique) dont le

choix dépend de l’application envisagée.

4.3.1. Séparateurs verticaux :

Le séparateur vertical est constitué d’un corps cylindrique en acier, fermé à chaque

extrémité par un fond bombé. Les deux phases à séparer entrent tangentiellement et

rencontrent un déflecteur; une première séparation est ainsi réalisée par gravité, centrifugation

et effet de collision.

Les gouttes de liquide tombent par gravité dans la zone de collecte liquide qui est séparée

de la phase gazeuse par écran conique, afin d’obtenir une interface suffisamment peu

perturbée, un niveau liquide stable. Les gouttes entraînées par le gaz sont éliminées dans lasection supérieure au moyen de chicanes qui induisent un mouvement centrifuge et d’un

dévésiculeur qui permet d’arrêter et de coalescer les gouttes les plus petites.

4.3.2. Séparateurs horizontaux :

C’est un récipient cylindrique horizontal contenant différents éléments pour réaliser la

séparation. Pour ce type de séparateurs, l’appendice est utilisé lorsque la quantité de la phase

lourde n’est pas importante (< 15% - 20% en poids de la quantité totale du liquide).

Le mélange des phases passe également à l’entrée du séparateur par un déflecteur, les

gouttes étant ensuite séparées par gravité et par collision sur les plaques internes. Le gaz

traverse un certain nombre de chicanes qui retiennent les gouttelettes d’huile, avant de partir

par une sortie supérieure. L’huile est soutirée à la partie inférieure. Il est à noter qu’un tel

appareil fonctionne à des pressions bien sélectionnées pour avoir une récupération maximale.

Fig1 : Ballon séparateur vertical


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4.4.

Equipements du séparateur :

Un séparateur est équipé d'un certain nombre d'appareils de contrôle qui surveillent son

fonctionnement et assurent la sécurité de marche. Les appareils de contrôle peuvent:

Fournir de simples indications à l'usage de l'opérateur, ce sont les manomètres,

thermomètres, niveaux.

Régler le fonctionnement du séparateur par le moyen d'un organe d'exécution,

généralement une vanne, qui leur est asservie. Dans ce cas ils prennent le nom de

contrôleurs.

Le fonctionnement des séparateurs est automatique et se fait à l'aide d'appareils de

régulation qui sont alimentés par de l'air fourni par un compresseur et dans quelques cas

par du gaz libéré dans le séparateur lui-même.

Une fois déterminée, la pression devra être constante et régulée par une vanne placée sur

la sortie gaz et asservie à un contrôleur de pression.

Le niveau sera également constant et régulé par une vanne automatique placée sur la sortie

de liquide et asservie par un flotteur sur la surface liquide. Dans le cas de séparation de

deux liquides, un plongeur calibré repère l'interface des deux liquides et agit sur la vanne

automatique placée sur la sortie du liquide le plus lourd qui sera de l'eau de gisement.

Enfin le séparateur sera équipé de tout un ensemble de sécurités le mettant hors service en

cas de disfonctionnement d'un organe de régulation et l'isolant en cas d'une fausse manœuvre

pouvant mettre en danger les matériels et les personnes. Le séparateur, comme toute capacité

sous pression sera protégée par des soupapes de sécurité qui le protégeront contre toutessurpressions en évacuant les effluents sur le réseau torche. [13]

Fig2 : Ballon séparateur horizontal

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