Séparateurs

La vapeur « humide » est un problème majeur dans un système vapeur car elle peut provoquer des problèmes de processus et de maintenance, notamment une productivité réduite, l’érosion et la corrosion. Les séparateurs sont conçus pour éliminer efficacement l’humidité du flux de vapeur. L’application et la sélection des différents types sont examinées ici.

La vapeur humide est de la vapeur contenant un certain degré d’eau, et est l’une des principales préoccupations dans tout système vapeur. Elle peut réduire la productivité de l’installation et la qualité du produit, et peut causer des dommages à la plupart des éléments d’installation et d’équipement. Bien qu’un drainage et un purge soigneux puissent éliminer la plupart de l’eau, ils ne traiteront pas les gouttelettes d’eau en suspension dans la vapeur. Pour éliminer ces gouttelettes d’eau en suspension, des séparateurs sont installés dans les tuyauteries vapeur.

La vapeur produite dans une chaudière conçue pour générer de la vapeur saturée est intrinsèquement humide. Bien que le titre varie selon le type de chaudière, la plupart des chaudières vapeur à corps cylindrique produiront de la vapeur avec un titre compris entre 95 et 98%. La teneur en eau de la vapeur produite par la chaudière est encore augmentée si des entraînements se produisent. Il y a toujours un certain degré de perte de chaleur de la tuyauterie de distribution, ce qui provoque la condensation de la vapeur. Les molécules d’eau condensée finiront par se diriger vers le fond du tuyau formant un film d’eau. La vapeur circulant au-dessus de cette eau peut soulever des ondulations qui peuvent se transformer en vagues. Les extrémités des vagues ont tendance à se détacher, projetant des gouttelettes de condensat dans le flux de vapeur. La présence d’eau dans la vapeur peut causer un certain nombre de problèmes :

• Comme l’eau est une barrière extrêmement efficace au transfert de chaleur, sa présence peut réduire la productivité de l’installation et la qualité du produit. Cela peut être vu à la Figure 12.5.1, qui montre le profil de température à travers une surface d’échange de chaleur typique.

• Les gouttelettes d’eau voyageant à des vitesses élevées de vapeur éroderont les sièges de vannes et les accessoires, une condition connue sous le nom d’usure par arrachement. Les gouttelettes d’eau augmenteront également la quantité de corrosion.
• Entartrage accru des tuyauteries et des surfaces de chauffage provenant des impuretés transportées dans les gouttelettes d’eau.
• Fonctionnement erratique des vannes de régulation et des débitmètres.
• Défaillance des vannes et des débitmètres due à une usure rapide ou à des coups de bélier. Bien qu’il existe un certain nombre de conceptions différentes de séparateurs, ils tentent tous d’éliminer l’humidité qui reste en suspension dans le flux de vapeur, qui ne peut être éliminée par le drainage et les purgeurs de vapeur. Il existe trois types de séparateurs couramment utilisés dans les systèmes vapeur :

Type à déflecteur -

Un séparateur à déflecteur ou à volets se compose d’un certain nombre de plaques déflectrices, qui amènent le flux à changer de direction plusieurs fois en passant à travers le corps du séparateur. Les gouttelettes d’eau en suspension ont une masse et une inertie plus grandes que la vapeur ; ainsi, lorsqu’il y a un changement de direction du flux, la vapeur sèche contourne les déflecteurs et les gouttelettes d’eau se collectent sur les déflecteurs. De plus, comme le séparateur a une grande section, il en résulte une réduction de la vitesse du fluide. Cela réduit l’énergie cinétique des gouttelettes d’eau, et la plupart tomberont hors de la suspension. Le condensat s’accumule au fond du séparateur, où il est évacué par un purgeur de vapeur.

Type cyclonique -

Le séparateur cyclonique ou centrifuge utilise une série d’ailettes pour générer un flux cyclonique à haute vitesse. La vitesse de la vapeur provoque sa rotation autour du corps du séparateur, projetant l’eau en suspension plus lourde vers la paroi, où elle s’écoule vers un purgeur de vapeur installé sous l’unité.

Type à coalescence -

Les séparateurs à coalescence fournissent une obstruction dans le chemin de la vapeur. L’obstruction est typiquement un mat de maille métallique (parfois appelé mat démisting), sur lequel les molécules d’eau sont piégées. Ces molécules d’eau ont tendance à fusionner, produisant des gouttelettes trop grandes pour être transportées plus loin par le système gazeux. À mesure que la taille des gouttelettes augmente, elles deviennent trop lourdes et finissent par tomber au fond du séparateur. Il est courant de trouver des séparateurs qui combinent les opérations à coalescence et cyclonique. En combinant les deux méthodes, l’efficacité globale du séparateur est améliorée.

L’efficacité d’un séparateur est une mesure du poids de l’eau séparée par rapport au poids total de l’eau apportée par la vapeur. En dehors du laboratoire, il est difficile d’établir l’efficacité exacte d’un séparateur, car elle dépend du titre à l’entrée, de la vitesse du fluide et du profil d’écoulement. L’érosion des coudes de tuyauterie, l’usure par arrachement et les coups de bélier sont cependant des indications de la présence de vapeur humide dans les tuyauteries vapeur.

L’une des principales différences de performance entre le type à déflecteur et les types cyclonique et à coalescence est que le type à déflecteur est capable de maintenir un niveau élevé d’efficacité sur une plage de vitesses de tuyauterie plus large. Les séparateurs cyclonique et à coalescence présentent typiquement des efficacités de 98% à des vitesses allant jusqu’à 13 m/s, mais celle-ci chute brusquement, et à 25 m/s, l’efficacité est typiquement d’environ 50%, selon des recherches universitaires au Royaume-Uni. Ces recherches ont également prouvé que, pour un séparateur à déflecteur, l’efficacité reste proche de 100% sur une plage de 10 m/s à 30 m/s. La conclusion est que le séparateur à déflecteur est plus adapté aux applications vapeur, où il y a généralement un certain degré de fluctuation de vitesse. De plus, la vapeur humide sera trouvée à des vitesses de plus de 30 m/s si la tuyauterie est sous-dimensionnée. Une méthode pour surmonter ce problème est d’utiliser un séparateur de taille supérieure et d’augmenter le diamètre de la tuyauterie immédiatement en amont du séparateur. Cela aura pour effet de réduire la vitesse de la vapeur avant qu’elle n’entre dans le séparateur.

Exemple 12.5.1

Si un séparateur avec une efficacité de 90% est installé sur une conduite principale de vapeur contenant de la vapeur avec un titre de 0,95, quel serait le titre en aval ? Si le titre initial est de 0,95, chaque kilogramme (1 000 g) de vapeur contient :

Bien qu’en amélioration par rapport au titre original de 0,95, la vapeur contiendra encore une quantité significative d’eau.

La perte de charge à travers un séparateur à déflecteur est très faible en raison de la réduction de la vitesse de la vapeur, qui est créée par la grande augmentation de la section fournie par le corps du séparateur. La perte de charge est typiquement inférieure à la longueur équivalente d’un tuyau de même diamètre nominal. En comparaison, la perte de charge à travers un séparateur cyclonique est quelque peu plus élevée, car la vitesse du fluide doit être maintenue pour générer l’effet cyclonique. Sur les applications non critiques, les séparateurs à déflecteur sont typiquement dimensionnés selon la taille de la tuyauterie ; il est cependant nécessaire de vérifier que la taille choisie garantit une efficacité de séparation maximale, et que la perte de charge est dans des limites acceptables. Sur les applications critiques, il est plus courant de sélectionner le séparateur en fonction de la pression de service et du débit, afin de donner une efficacité et une perte de charge appropriées. Le dimensionnement d’un séparateur cyclonique est plus compliqué, car il est important de s’assurer que la vitesse à travers le séparateur est adaptée pour maintenir un niveau élevé d’efficacité et que la perte de charge à travers le séparateur est acceptable. L’exemple 12.5.2 illustre la sélection d’un séparateur à déflecteur à partir d’un tableau de spécifications typique d’un fabricant.

Exemple 12.5.2

En utilisant le graphique de dimensionnement à la Figure 12.5.5, sélectionner un séparateur de taille appropriée pour une station de réduction de pression, avec une pression amont de 12 bar g et passant 500 kg/h de vapeur à travers une tuyauterie de 32 mm. Si le débit était doublé à 1 000 kg/h, quelle taille devrait avoir le séparateur ?

1. Tracer le point A où la pression de vapeur et le débit se croisent et tracer une ligne horizontale à partir de ce point. Toute courbe de séparateur qui est coupée par cette ligne dans la zone ombrée fonctionnera à près de 100% d’efficacité.
2. Sélectionner le séparateur de la taille de la ligne, c’est-à-dire 32 mm au point B.
3. La vitesse en ligne pour n’importe quelle taille peut être déterminée en abaissant une ligne verticale depuis cette intersection. À partir du point B, cette ligne croise l’axe des vitesses à 18 m/s.
4. Pour déterminer la perte de charge à travers le séparateur, là où la ligne verticale, prolongée depuis le point B, croise la ligne C-C, tracer une ligne horizontale. Puis abaisser une ligne verticale depuis le point A. Le point d’intersection, D, est la perte de charge à travers le séparateur.
5. En répétant cette procédure pour un débit de 1 000 kg/h, on génère les points X, Y et Z. On peut voir que le point Y tombe en dehors de la zone ombrée et le séparateur ne fonctionnera pas à son efficacité maximale. Ici, il serait conseillé d’utiliser un séparateur de taille supérieure ; un séparateur DN40 serait sélectionné, comme indiqué par le point Z, avec une perte de charge d’environ 0,07 bar au point W.

Le Tableau 12.5.1 résume les différences importantes de performance entre les séparateurs à déflecteur et cyclonique.

Tableau 12.5.1 Comparaison des séparateurs à déflecteur et centrifuge

Un purgeur de vapeur adapté doit être installé sur la sortie de condensat du séparateur pour garantir l’élimination efficace du condensat, sans perte de vapeur vive. Le type de purgeur de vapeur le plus adapté est le type à flotteur, qui garantit une élimination immédiate du condensat. Certains séparateurs intègrent le mécanisme du purgeur de vapeur à l’intérieur du corps du séparateur.

La plupart des séparateurs verticaux ont un raccord en haut du corps. Celui-ci peut être utilisé pour une purge d’air, facilitant l’élimination de l’air de l’espace vapeur pendant le démarrage.

Isolation

Si un séparateur n’est pas isolé, il peut en fait induire la formation de gouttelettes d’eau plutôt que de les éliminer, en raison de la grande surface exposée à l’environnement. De plus, des quantités significatives d’énergie thermique peuvent être perdues à la surface du séparateur. Par exemple, l’isolation d’un séparateur contenant de la vapeur à 150 °C et exposé à des températures ambiantes de 15 °C produira une économie d’énergie annuelle de 8 600 MJ (basé sur les pertes thermiques dues au rayonnement uniquement, en supposant des conditions d’air calme et 8 760 heures de fonctionnement par an). En installant une chemise d’isolation, cette perte de chaleur peut être considérablement réduite et les économies d’énergie justifient le coût initial de l’isolation, en un temps extrêmement court. Des chemises d’isolation conçues pour s’adapter à un séparateur particulier doivent être utilisées, car la forme du séparateur, en particulier s’il est à brides, rend l’isolation difficile. Les couvertures de brides standard laissent le corps exposé, et ont donc un effet limité dans la réduction des pertes thermiques. Même avec la meilleure isolation, il n’est pas possible d’éliminer toutes les pertes thermiques d’un produit. L’efficacité de l’isolation des séparateurs est typiquement supérieure à 90%. Il est important d’utiliser une chemise conçue pour un séparateur particulier ; sinon, l’efficacité de l’isolation diminuera. Les séparateurs correctement isolés réduisent également le risque de blessures personnelles dues aux brûlures.