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Focus technique : Echangeur MHX

10/09/2010
Parmi les opérations unitaires disponibles dans ProSimPlus (logiciel de simulation de procédés continus), le module Echangeur MHX permet de calculer l'échange de chaleur entre plusieurs fluides froids et chauds avec une température de pincement donnée, lorsqu'on recherche des températures de pincement faibles (de l'ordre de quelques degrés) par exemple.


 Focus technique : Echangeur MHX

 


Exchanger MHX

Ce type d'échange intervient notamment dans les procédés de traitement et de liquéfaction de gaz naturel (LNG) et de gaz industriels (oxygène, azote, argon, hélium, etc...) ainsi que dans la séparation des gaz de l’air et dans les séparations d'hydrocarbures.
En conception ou en analyse de tels procédés ce module est utilisé pour :
  - Vérifier un échangeur existant : les propriétés de tous les courants de sortie sont connues et un bilan enthalpique est effectué afin de calculer les quantités de chaleur d’utilités chaude et froide nécessaires pour effectuer l’échange thermique.
  - Calculer un échangeur : les températures des courants non spécifiés sont calculées afin de satisfaire le bilan thermique sur l’échangeur. Si plusieurs courants sont non spécifiés, leurs températures de sortie respectives seront égales.
  - Effectuer des études d'intégration énergétique (circulation simultanée de plusieurs courants dans le module).

Les grandeurs globales caractérisant l’échangeur (le coefficient d’échange global (facteur UA), le pincement et la différence de température moyenne logarithmique (DTML)) sont estimées à partir d’un calcul d’intégration énergétique sur l’échangeur. Ce calcul dépend lui-même des courbes enthalpiques des courants (qui représentent la température du fluide en fonction de la quantité de chaleur échangée par ce fluide le long de l’échangeur).
Chaque courant de sortie est défini par une spécification thermique et une spécification sur la pression. Le module calcule l’enthalpie et la pression du courant en sortie ainsi que les enthalpies et pressions des points intermédiaires entre l’entrée et la sortie du courant pour la construction des courbes enthalpiques. Le nombre de ces points est spécifié par l'utilisateur.
La géométrie de l'échangeur n'est pas prise en compte.

Spécification de l'échangeur
La géométrie n'étant pas prise en compte, la spécification de l'échangeur revient à définir la circulation des fluides et leurs caractéristiques. Chaque fluide est défini par un courant entrant et un courant sortant, sélectionnés parmi ceux connectés au module sur le schéma de procédé. D'autre part, le fluide est associé à des spécifications propres telles que la température de sortie, la différence de température entre les courant entrée et sortie d'un fluide ou avec celle d'un fluide de référence, le pincement du fluide ou global, la température de bulle ou de rosée en sortie, la quantité de chaleur échangée par le fluide ou le taux de vaporisation molaire en sortie.
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Identification des courants
 
  Spécification des courants
 


Il est également possible de spécifier les caractéristiques de pression du fluide, en définissant la perte de charge, la pression de sortie, la pression de bulle ou la pression de rosée. D'autre part, le mode de calcul du profil de pression du fluide le long de l’échangeur doit être défini. Ce paramètre impacte la courbe enthalpique du fluide et le calcul d’intégration énergétique sur l’appareil.

Enfin, différentes options sont disponibles pour définir le découpage de la courbe enthalpique du fluide qui représente la température de ce fluide en fonction de la quantité de chaleur échangée le long de l’échangeur. Afin d’avoir une meilleure représentation des courbes enthalpiques dans les zones de changement de phase, un nombre d’intervalles pour leur découpage peut être spécifié. Il est également possible de prendre en compte d’éventuels points de changement de phase.

D'autres options sont disponibles pour affiner le calcul de l'Echangeur MHX. En particulier il est possible de définir les pertes thermiques (considérées aux extrémités (en entrée des courants chauds ou froids) ou réparties proportionnellement à la quantité de chaleur échangée) et de prendre en compte les utilités dans le calcul d'intégration énergétique.

Résultats
A convergence, les résultats disponibles sont :
     L'état thermique de chaque courant (chaud ou froid);
     La température de sortie de chaque fluide;
     La perte de charge des courants (différence entre la pression du courant d’entrée (donnée) et la pression du courant de sortie (calculée));
     La quantité de chaleur échangée par les courants (différence entre le flux enthalpique du courant de sortie (calculée) et le flux enthalpique du courant d’entrée (donnée));
     L'écart entre la quantité de chaleur échangée par les fluides chauds et la quantité de chaleur échangée par les fluides froids;
     Les quantités d’utilité chaude et d’utilité froide;
     Le UA global de l’échangeur (sauf s’il y a croisement des courbes composées chaude et froide);
     Le DTML global sur l’échangeur (sauf s’il y a croisement des courbes composées chaude et froide);
     La valeur du pincement (l’écart minimal entre la courbe composée chaude et la courbe composée froide).


D'autre part, les profils suivants sont générés par le module sous forme graphique et numérique :
     Courbes composées chaude et froide température enthalpie cumulée : T=f(Q) et Q=f(T);
     La différence de température entre les courbes composées le long de l’échangeur : deltaT=f(Q);
     L’évolution du facteur UA le long de l’échangeur : UA=f(Q);
     La différence de température logarithmique entre les courbes composées le long de l’échangeur : DTML=f(Q);
     Pour chaque courant, la courbe composée d’un fluide avec la courbe composée opposée : T=f(Q) et Q=f(T);
     Les courbes enthalpiques des différents courants et les courbes composées chaude et froide : T=f(Q) et Q=f(T).


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Courbe composée chaude et froide