SOLTANI Abd El Kader

‫وزارة التعليم العالي والبحث العلمي‬
BADJIMOKHTAR-ANNABAUNIVERSITY
UNIVERSITE BADJI MOKHTAR-ANNABA ‫جامعت باجي مختار– عنابت‬
Faculté des Sciences de l’Ingéniorat

Département de Génie des Procédés
Spécialité : Génie des Procédés
MEMOIRE
Présenté en vue de l’obtention du diplôme deMaster
CALCUL THERMIQUE DE L’ECHANGEUR 123C DE

L’UNITE AMMONIAC (FERTIAL-ANNABA)
Présenté par :
SOLTANI Abd El-Kader
DIRECTEUR DE MEMOIRE :DJERAD Souad, Prof,UniversitéBadji Mokhtar- Annaba
Devant le jury :
Président : DJERAD Souad, Prof, Université Badji Mokhtar-Annaba
Membre : MENADJLIA Leila, MCB, Université Badji Mokhtar-Annaba
Membre : HAMOUCHE Karima, MAA, Université Badji Mokhtar-Annaba
Année 2017
-Remerciements-
On premier lieu on remercie le bon dieu qui nous a
donné la santé de pouvoir suivre nos études.
Mes plus profonds remerciements vont à mes parents.
Tout au long de mon cursus, ils m’ont toujours soutenu,
encouragé et aidé. Ils ont su me donner toutes les
chances pour réussir. Qu’ils trouvent, dans la réalisation
de ce travail, l’aboutissement de leurs efforts ainsi que
l’expression de ma plus affectueuse gratitude.
Comme nous tenons aussi à remercier tous nos
enseignants de la faculté de génie des procédés de
l’université BadjiMokhtar Annaba en particulier notre
professeur encadreur DjeradSouad pour ses conseils et
orientations qui nous ont étés très bénéfiques.
Aussi Toute notre gratitude à tout le personnel des
services procès et inspection équipementsFertial-
Annaba en particulier à :
M .ADEL BELHACINI
Mlle .AICHA GOUASMIA
M .KARIM ATEK
Table des matières :
liste d’abréviations .......................................................................................................... 1
liste des tableaux ........................................................................................................... 3
liste des figures .............................................................................................................. 3
Introduction générale……………………………………………………………………………………………….6
CHAPITRE I : Présentation du lieu du stage

1) Historique de l’entreprise : ...................................................................................... 8
2) Présentation générale du FERTIAL Annaba : .......................................................... 8
2-1) Situation géographique : ................................................................................... 8
2-2) organigramme du complexe FERTIAL-Annaba : ................................................ 9
2-3) principales activités : ....................................................................................... 10
2-4) les objectifs de l’entreprise : ........................................................................... 10
3) Présentation d’unité d’ammoniac à FERTIAL-Annaba : ......................................... 11
4) Positionnement de l’échangeur de chaleur 123C par rapport à l’unité de
l’ammoniac : .................................................................................................................. 11
CHAPITRE II : Caractéristiques et problèmes de l'échangeur 123C

1) Introduction :.......................................................................................................... 13
2) Le rôle de l’échangeur de chaleur 123-C dans la section synthèse de l’unité de
production de l’ammoniac NH₃ à FERTIAL ANNABA :.................................................. 13
3) Composition et principe de fonctionnement de l’échangeur de chaleur 123C .... 16
4) Caractéristiques technique et performance de l’échangeur 123-C : .................... 18
4-1) la calandre + les boites de distribution : ............................................................ 20
4-2) les plaques tubulaires : ...................................................................................... 22
4-3) faisceau tubulaire : ............................................................................................. 24
4-4) Les chicanes : ...................................................................................................... 25
5) Problèmes de 123C : .............................................................................................. 27
5-1) Contrôle et réparation des défauts au niveau de 123 C ................................... 28
A) Soudure circulaire de la plaque tubulaire avec le fond supérieur : ................ 28
B) soudure tubes et bouchon sur la plaque tubulaire :....................................... 33
6) CND général après fin des travaux : ....................................................................... 35
7) Conclusion : ............................................................................................................ 36
CHAPITRE III : Calcul de l'échangeur 123C

1) Introduction .............................................................................................................. 38
2) Données du calcules ................................................................................................. 38
3) Application ................................................................................................................ 39
3-1) Expression du flux échangé ................................................................................ 39
3-2 Différence de température logarithmique moyenne (DTLM) ............................ 42
3-3) Coefficient global d’échange pour l’échangeur 123C ........................................ 43
3-3-1) Calcul du coefficient d’échange h coté tube ............................................... 43
3-3-2) Calcule de coefficient h2 coté calandre ....................................................... 46
3-3-3) calcul de la résistance globale d’encrassement dans l’échangeur 123C .... 50
3-4) Calcul de la surface d’échange ....................................................................... 52
3-5) calcul des pertes de charge ............................................................................ 54
3-6) Température de métal des tubes .................................................................. 56
3-7) efficacités de l’échangeur 123C ...................................................................... 58
4) Conclusion ............................................................................................................. 59
Conclusion générale ………………………………………………………………………………………….…….61
références bibliographique : ......................................................................................... 63

Liste d’abréviations :
symbole définition unité

𝛗 Quantité de chaleur échangée kcal/h
Ṁ Débit massique du fluide chaud (gaz) kg/h
ṁ Débit massique du fluide froid (eau) kg/h
Cp1 Chaleur spécifique du fluide chaud kcal/ (kg.°C)
Cp2 Chaleur spécifique du fluide froid kcal/ (kg.°C)
T1 Température d’entrée du fluide chaud °C
t1 Température d’entrée du fluide froid °C
T2 Température de sortie du fluide chaud °C
t2 Température de sortie du fluide froid °C
qc1 débit calorifique du fluide chaud kcal/ (h.°C)
qc2 débit calorifique du fluide froid kcal/ (h.°C)
𝐀 Surface totale d’échange m²
𝐔 Coefficient global du transfert de chaleur kcal/m² h °C
𝚫𝐓𝐦𝐥 Différence de température moyenne logarithmique °C
𝐑 résistance thermique global m² h °C / kcal
𝐅 facteur correctif de la différence de température sans dimension
𝐑𝒔 résistance globale d’encrassement m² h °C / kcal
𝐄 épaisseur des tubes m
𝚲 conductivité thermique de la paroi des tubes kcal/ (m h°C)
𝛌𝟐 Conductivité thermique fluide coté tube (chaud) kcal/ (m h°C)
𝛌𝟏 Conductivité thermique fluide coté calandre (froid) kcal/ (m h°C)
𝒉𝟏 coefficient du transfert de thermiques à l’intérieur des kcal/m² h °C
tubes
𝒉𝟐 coefficient du transfert de thermiques à l’extérieur des kcal/m² h °C
tubes
𝑨𝒕 section de passage coté tube m2
𝑵𝒕 nombre des tubes /
𝐃𝐢 diamètre intérieur des tubes m
𝐃 diamètre extérieur des tubes m
𝐆𝒕 vitesse massique du fluide chaud (coté tube) kg/(h. m2 )
𝑹𝒆𝟏 nombre de Reynolds coté tube adimensionnel
𝑹𝒆𝟐 nombre de Reynolds coté calandre adimensionnel
𝐏𝐫𝟏 nombre de Prandtl coté tube adimensionnel
𝐏𝐫𝟐 nombre de Prandtl coté calandre adimensionnel
𝐍𝐮𝟏 nombre de Nusselt coté tube adimensionnel
𝐍𝐮𝟐 nombre de Nusselt coté calandre adimensionnel
𝛍𝟏 viscosité dynamique du fluide chaud (coté tube) Kg/m.h
𝛍𝟐 viscosité dynamique du fluide froid (coté calandre) Kg/m.h
1
Suite de liste d’abréviations :
symbole définition unité

𝐆𝐜 vitesse massique moyenne du fluide froid (coté calandre) kg/(h. m2 )
𝐆𝐜𝐭 vitesse massique transversale kg/(h. m2 )
𝐒𝐥𝐢𝐛𝐫𝐞 l’aire du segment libre à la section intérieure de la m2
calandre
𝐒𝐢𝐧𝐭𝐞𝐫𝐢𝐞𝐮𝐫 la section intérieure de la calandre m2
𝐗 le rapport de l’aire du segment libre à la section intérieure adimensionnel
de la calandre
𝐔𝐩 coefficient du transfert de chaleur propre. kcal/m² h °C
𝐔𝐬 coefficient du transfert de chaleur sale. kcal/m² h °C
Sdisponible la surface d’échange disponible sur l’échangeur m2
𝐡𝐢𝐞 le coefficient du film interne rapporté à la surface kcal/m² h °C
extérieure
𝐧𝒕 nombre de passe coté tubes /
𝐧𝒄 nombre de passe coté calandre /
𝐝 densité du fluide coté tube adimensionnel
𝒇𝒕 coefficient de friction adimensionnel
𝚫𝐏t pertes de charge à l’intérieur des tubes Bar
𝐋 longueur des tubes m
𝚫𝐏𝐜 pertes de charges à l’extérieur des tubes (coté calandre) Bar
𝐓𝐜 température calorique du fluide chaud °C
𝐭𝐜 température calorique du fluide froid °C
𝒕𝒕 température des tubes °C
2
Liste des tableaux :
Tableau 1-1 représentés les principaux pays vers les quels l’entreprise export ses
produits.
Tableau 2-1 : matière de construction et dimensions (calandre +boite).
Tableau 2-2 : nomenclature des repères (S) et (T).
Tableau 2-3 : autres caractéristiques.
Tableau 2-4 : Caractéristique des plaques tubulaire.
Tableau 2-5 : caractéristiques techniques des tubes.
Tableau 3-1 : caractéristiques des fluides.
Tableau 3-2 : caractéristiques de la calandre de l’échangeur 123C.
Tableau 3-3 : caractéristiques des tubes de l’échangeur 123C.
Tableau 3-4 : aire de passage, distance minimal de passage et espacement entre

tubes perpendiculairement au courant en fonction du type du pas des tubes.
Tableau 3-5 : Nomenclature.
Liste des figures :
Fig 1-1 : photo Vue du ciel Fertial-Annaba.
Fig 1-2 : Organigramme du complexe Fertial-Annaba.
Fig 1-3 : photo d’échangeur 123C dans l’unité d’ammoniac.
Fig 2-1 : Partie du schéma de la synthèse d’ammoniac + le réacteur de synthèse

d’ammoniac
Fig 2-2 : Faisceau tubulaire
Fig 2-3 : Calandre.
Fig 2-4 : Plaque tubulaire.
Fig 2-5 : Lepas triangulaire au niveau de la plaque tubulaire du 123C.
Fig 2-6 : Plaque tubulaires + chicanes.
3
Fig 2-7 : Boites de distribution du gaz.
Fig 2-8 : table des différentes configurations possibles d’un échangeur de chaleur
tubulaire.
Fig 2-9 : boite tubulaire + calandre.
Fig2-10 : Une esquisse détaillée pour les plaques tubulaires.
Fig 2-11 partie de la Plaque tubulaire supérieure de l’échangeur 123-C.
Fig 2-12 : Emplacement des chicanes par rapport aux tubes et plaques tubulaires.
Fig 2-13 : emplacement des tirants et entretoises.
Fig 2-14 : déflecteur
Fig2-14 : laprésence de corrosion est claire au niveau des joints de soudure de la

plaque tubulaire supérieure avec virole (boite de distribution).
Fig 2-15 : Le contrôle par ressuage montre l’ampleur de la fissure sur joint soudure
plaque supérieur avec virole (A) et on peut remarquer aussi certaines fissures sur
joints des soudures tube avec plaque (B).
Fig 2-16 : Contrôle par ressuage montre des fissures superficielles sur le fond
supérieur de la calandre.
Fig2-17 : Contrôle par ressuage montre des fissures sur le fond inferieur de la
calandre.
Fig 2-18 : courbe de dégazage des plaques tubulaires supérieur et inferieur.
Fig 2-19 : courbe de préchauffage de la plaque tubulaire pour soudage.
Fig 2-20 : accostage du bouchon biseauté dans le tube.
Fig 2-21: Un contrôle par MPI fluorescent réalisé au niveau de la plaque tubulaire
supérieure sur les réparations ne montre aucun défaut.
Fig 2-22 : La nouvelle soudure de plaque tubulaire supérieure avec la virole et aussi
avec certains tubes après réparation.
4
Introduction générale
Introduction générale :
L’énergie est considérée comme une base importante du développement

économique et du bien-être. Elle est utilisée aussi bien dans les processus de
production de l’industrie et de l’agriculture que dans les services. C’est pourquoi, elle
est souvent considérée comme le troisième facteur de production à côté du travail
humain et du capital.
L’énergie représente une ressource stratégique pour toute économie nationale. Sa

disponibilité et son prix déterminent sa capacité productive et par cela, dans une
certaine mesure, la capacité compétitive d’un pays dans la concurrence économique
internationale. Elle occupe une place très importante dans la vie de l’être humain
pour son bienêtre.
En Algérie, Les sources d’énergie utiliséesdans notre vie quotidienne de plus de

l’énergie solaire et hydraulique viennentprincipalement de l’industried’hydrocarbure
(chimique et pétrochimique) tel que le gaz naturel et le pétrole.
Dans notre pays, les hydrocarburessont considéréscomme le nerf de l’économie

national.Ilssontutilisés dans tous les domaines, comme la production d’électricité,
dans le chauffage, dans les ménages et aussi pour la circulation des véhiculescomme
carburant des tous types desvéhicules.
L’utilisation du gaz naturel dans la production de l’ammoniac est considérée comme

le procédé le plus propre et le plus rentable par rapport aux autres procédés.
L’ammoniac est la matière premièrenécessaire pour la production des engrais azoté à

titre d’exemple l’ammonitrate granulé, ammonitrate liquide, U.A.N
(uréeammonitrate à 30% d’azote) , C.A.N (calciumammonitrate à 27% d’azote) et
encore entre dans l’enrobage des engrais phosphaté (N.P.K).
Dans un plan stratégique, il se trouve trois unités symétries de production

d’ammoniac par synthèse en Algérie sont installées deux à Arzew et une à Annaba
avec une capacité globale de 1 000 000 de tonnes par ans.
Ce travail a été réalisé au sein de l’unité d’ammoniac à Fertial-Annaba au cours

duquel j’ai étudié le procédé de procédé de production de l’ammoniac et focalisé
mon attention sur un échangeur de chaleur (le 123C) du type tube et calandre qui
joue un rôle très important dans le refroidissement de gaz de synthèse. J’ai effectué
un calcul thermique a fin de déterminer les quantités de chaleur échangées au cours
du refroidissement des gaz de synthèse et déterminé la surface d’échange des tubes
que j’ai avec celle donnée par le design.
6
Chapitre I : Présentation du lieu de stage
1) Historique del’entreprise :
A l’aube de l’indépendance la situation du secteur de l’industrie des produits

chimiquesmontrait une faiblesse notable dans les capacités de production installée
qui se limitait à de petites unités de fabrication vétustes, utilisant des procèdes
archaïques. C’est pourquoi la SONATRACH (société mère) a mis en œuvre une
stratégie de développement globale dans le cadre de la politique du développement
de l’industrie pétrochimique et principalement la de l’agriculture algérienne qui
présente un outil indispensable dans l’indépendance du pays. En1972 la société
prend le nom du complexe d’engrais phosphaté de Bône CEPB. L’année 1977 a été
une année charnière dans la vie de l’entreprise CEPB-SONATRACH,où elle a vu sa
réceptionavec le délestage des activités secondaires et recentrage sur son métier de
base à savoir la fabrication de l’ammoniac et des engrais.Puiselle devientASMIDAL en
septembre 1984.
En août 2005 une nouvelle société a étécréée résultant d’un partenariat signé entre
le Groupe algérien ASMIDAL et le groupe espagnol GrupoVillar Mir. Ils détiennent
respectivement 34% et 66% du capital.[1]
2) Présentation générale de FERTIAL Annaba :
2-1) Situation géographique :

L’usine est située à 04 Km de la ville d’Annaba, elle est limitée par Oued Seybouse et
la cité Sidi- Salem à l’Est, la cité Seybouse à l’ouest, la mer méditerranée au Nord et la
route nationale n° :44 et la pleine de Annaba au Sud.
Fig 1-1 : photo vue du ciel Fertial-Annaba[2]

8
2-2) Organigramme du complexe FERTIAL-Annaba :
direction de nitrite et
ammoniac NPK SSP UAN
production nitrate
electricité et
direction inginerie de ouvres et
mecanique instrumentati
maintenance maintenance service
on
projet
chef de direction controle du inspection et
process investisseme
service technique qualité légalisation
nt
directeur
générale
direction trafic et produit fini approvisionn

manutention logistique et ensachage ement
formation et
direction administratio relation de medcine de
sces
ressources n personnel travail travail
generaux
cordinateur securité sureté

securité industrielle interne
Fig 1-2 : Organigramme du complexe Fertial Annaba[1]
9
2-3) principales activités :

FERTIAL Annaba présente plusieurs activités :
*) production d’ammoniac (NH3) : capacité 1000T/J.
*) production nitrate d’ammonium : 02 lignes de 500 T/J chacune.
*) production des engrais phosphatés 100T/J.
*) SSP (super simple phosphate) : capacité 1200T/J.
*) UAN (urée acide nitrique) :600T/J
*) autre engrais azotés (nitrique d’ammoniac …etc.)[1]
Une certaine partie du nitrate et de l’ammoniac est autoconsommée par FERTIAL

même pour la production d’autres produits.
2-4) Les objectifs de l’entreprise :

Dans le cadre national du développement économique et social du pays, l’entreprise
est chargée de :
 Promouvoir et développer l’industrie des engrais et produits

phytosanitaire.
 Exploiter, gérer et rentabiliser les moyens humains, matériels et financiers
dont elle dispose.
 En vue de satisfaire les besoins du marché national et international
 Développer la coopération dans le cadre de la politique nationale en la
matière.[1]
Sur le tableau 1-1 sont représentés les principaux pays vers les quels l’entreprise
export ses produits.
Tableau 1-1:principaux Produits exportés de Fertial.
production Pays
-NH3 -Espagne, France, Italie, Grèce, Belgique, Cuba, Grande-
Bretagne
-Nitrate -Tunisie, Maroc

-UAN -France, Espagne, USA
-SSP -Maroc, Grèce, France, Italie, Brésil
10
3) Présentation d’unité d’ammoniac à FERTIAL-Annaba :
La conception générale de l’unité bénéficie des toutes les dernières

technologiesdestinées à réduire les frais d’exploitation et à faciliter le
fonctionnement.
Ce stage de fin d’études a été réalisé au sein de l’unité de l’ammoniac. Cette unité
produit 100T/J d’ammoniac liquide anhydre à partir de gaz naturel.
Les étapes principales du procédé sont les suivantes :
1) La désulfuration du gaz naturel par l’adsorption sur catalyseur d’oxyde de zinc.

2) Reformage primaire et secondaire à haute pression.
3) Conversion de CO à haute – et basse températures.
4) Décarbonatation du gaz synthèse au moyen d’une solution aqueuse de
monoéthanolamine (MEA) régénérative.
5) Méthanation des oxydes de carbone afin d’en réduire la teneur dans le gaz de
synthèse à un niveau inférieur à 10 ppm.
6) Synthèse de l’ammoniac dans un réacteur KELLOG à trempe.
7) Réfrigération et stockage.[3]
4) Positionnement de l’échangeur de chaleur 123C par rapport à l’unité de

l’ammoniac :
L’échangeur 123C est installé dans la section de synthèse exactement entre

l’échangeur de chaleur 122C installé en tête de 105D(réacteur de synthèse) et
l’échangeur de chaleur 121C.
Fig 1-3 : photo d’échangeur 123C dans l’unité d’ammoniac
11
CHAPITRE II : CARACTERISTIQUES ET PROBLEMES DE L’ECHANGEUR 123C
1) Introduction :
Les processus les plus couramment rencontrés dans l’industrie chimique et

pétrochimique font intervenir l’échange de chaleur entre deux fluides. Le système
utilisé dans cette situation est un échangeur de chaleur : C’est un appareil destiné à
transférer un flux de chaleur d’un fluide à un autre.En général, les deux fluides sont
séparés par une paroi (simple ou composée) constituant ainsi une résistance
thermique. Dans certains équipements, le transfert thermique se fait par contact
indirect entre les fluides.[4]
Les échangeurs à tubes et calandre sont parmi les plus utilisés dans les industries de
procédé et particulièrement dans la chimie et pétrochimie.
La construction de l’échangeur 123C conforme au code " TEMA CLASSE R"

(TubularExchangerManufacturer's Association) où la classe R désigne le type des
échangeurs destinés au procédés chimiques et pétrochimiques à haute température
et à haute pression. [5] [6]
2) Le rôle de l’échangeur de chaleur 123-C dans la section synthèse de l’unité de

production de l’ammoniac NH₃ à FERTIAL ANNABA :
Dans l’unité d’ammoniac (Fertial) il existe 132 échangeurs de chaleur destinés dans la
plupart des cas au refroidissement des fluides chaud circulant entre les différents
compartiments de l’unité. Dans ce travail on s’intéresse à l’un d’eux, il s’agit de
l’échangeur 123C situé en aval d’un autre échangeur 121C situé au sommet du
réacteur catalytique de la synthèse de l’ammoniac (Fig 2-1).
Le gaz sortant du convertisseur est ensuite refroidi dans deux échangeurs 123C et
121C jusqu’à 24°C et divisé en deux parties:
*La première partie est refroidie dans les échangeurs 139C, 125C jusqu’à -23°C et
séparée dans les séparateurs 108F puis envoyer vers le ballon collecteur 107F
*La deuxième partie est recyclée vers le deuxième étage du compresseurs 103Jà 24,6
bras et 38°C où il est comprimé jusqu’à 63 bars et à 187°C.
Le mélange des gaz refoulés du deuxième étage à 150 bars et à une température de
74°C est refroidi à l’eau tempérée jusqu’à 35°C dans l’échangeur 124C, puis il est
divisé en deux courants:
Un courant est refroidi à -9°C dans l’échangeur 120C, L’autre courant est refroidi
jusqu’à 19°C dans l’échangeur 117C, puis jusqu’à -2°C dans l’échangeur 118C.
13
Le mélange des deux courants qui donne une température de -6°C est soumis à un
dernier refroidissement à -23°C dans l’échangeur 119C. Puis il passe dans le
séparateur 106F où le liquide sera transféré vers le ballon collecteur 107F.
Les gaz incondensables venant du 107F et 108F sortants des deux séparateurs sont
utilisés comme combustibles dans le reforming primaire alors que l’ammoniaque
liquide est transférée au ballon de réfrigération 112F d’avantage jusqu’à -33,3°C.
Les vapeurs d’ammoniac provenant du séparateur 112F sont comprimées dans

compresseur 105J ensuite condensées dans les condenseurs 127C (CA et CB) où ils
seront pompés vers le BAC de stockage T101.[3]
Fig 2-1 : Partie du schémade la synthèse d’ammoniacà gauche et le réacteur de

synthèse d’ammoniac à droite.
14
Fig 2-2 : Plan dusynthèse et réfrigération de l’ammoniac
15
3) Composition et principe de fonctionnement de l’échangeur de chaleur 123C
Dans l’échangeur123C à tubes et calandre, le gaz synthèse appelé fluide côté tubes
circule à l'intérieur d'un ensemble de tubes parallèles appelé faisceau tubulaire(Fig2-
3) duhautvers le bas (mouvement descendant).
Fig 2-3 : Faisceau tubulaire
Ces tubes sont enfermés dans une enveloppe appelée calandre (Fig 2-4).
Fig 2-4 : Calandre
L'autre fluide appelé fluide côté calandre (eau de refroidissement) circule à l'intérieur
de la calandre mais à l'extérieur des tubes dubas vers haut(mouvement ascendant).
Les tubes et la calandre sont soumis à la pression des fluides et doivent donc être
construit pour y résister.
Les tubes sont fixés à leur extrémités dans les plaques perforées appelée plaques
tubulaires (Fig 2-5).
Le montage ou Le fixation des tubes dans les plaques tubulaires est généralement
réalisé par mandrinage et le dudgeonnagede leurs extrémités dans des trous percés
16
dans les plaques. Ce mandrinage peut se faire sur les deux plaques. Et aussi on peut
mandriner les deux cotés (plaques) et souder les tubes aux plaques pour des
échangeurs fonctionnant à haute pression et à haute température, c’est exactement
le cas de l’échangeur 123C.
Fig 2-5 : Plaque tubulaire
Généralement Il existe deux différents types depas des tubessur les plaques
tubulaires (carré et triangulaires). Le pas triangulaire permet de placer environ 10 %
de plus de tubes que le pas carré sur une plaque tubulaire de même diamètre, ce qui
augmente la qualité de service, c’est le cas de l’échangeur 123C (Fig2-6).
Fig 2-6 : Pas triangulaire au niveau de la plaque tubulaire du 123C
Des chicanessont installées côté calandre pour orienter le cheminement du fluide, et

forcer son contact avec la totalité de la surface des tubes (Fig2-7).
Ces plaques perforées (les chicanes) sont transversales aux tubes où les tubes
passent à travers les trouset maintenues en place au moyen des tirants et des
entretoises.
17
La coupure de la chicane disposée verticalement où Les chicanes sont placées

perpendiculairement à l'axe de faisceau tubulaire.
Leur fenêtre de passage prend la forme de secteur.
Fig 2-7 : Plaque tubulaires + chicanes
Cet échangeur est constitué d'une passe coté calandre et une passe coté tubeset les
deux flux circulent à contre-courant.
Les boîtes de distributiondu gaz sont munies de parois étanches pour orienter le
fluide vers les tubes appropriés.(Fig 2-8)[7]
Fig 2-8 : Boites de distribution du gaz
4) Caractéristiques technique et performance de l’échangeur 123-C :
La Norme TEMA définit les principaux types d'échangeurs. Suivant cette norme, la
formede cet échangeur 123C est caractérisée par 3 lettresDEN, sur les figures (Fig 2-
8) sont représentés les différents types d’échangeurs sur la norme TEMA : [6]
 1ère lettre : D pour la boite de distribution monobloc (soudée sur la calandre).
 2ème lettre : E pour la calandre a une passe.
18
 3ème lettre : N pour la plaque tubulaire fixe.
19
Fig 2-9 : table des différentes configurations possibles d’un échangeur de chaleur
tubulaire.
4-1) la calandreet les boites de distribution :
Fig 2-10 : la calandre et les boitesde distribution[5]
La calandre prend la forme d’un cylindre construit de trois viroles etcomprend une
entrée de l’eau de refroidissement (S1) et une sortie de l’eau (S2) et aussi un évent
20
(S3) situé au sommet de la calandre pour faciliter le remplissage total de l’échangeur

coté eau, par contre le drain (S4) est utilisée pour faciliter la vidange total d’eau.
De l’autre côté les boites de distribution comprennent une entrée du gaz (T1) partie
supérieur et un évent (T3). Une sortie (T2) à la boite inferieur plus un drain (T4).
Tableau 2-1 : matière de construction et dimensions (calandre +boite)
Matière du Longueur Diamètre Epaisseur Diamètre Sur fluide circule

corps total intérieur (mm) extérieur épaisseur
(mm) (mm) (mm) de
corrosion
(mm)
Calandre acier au 10620 ± 1430 ± 3 80 1590 1,5 Eau
carbone 6 alimentation
avec 1,5 chaudière
mm de
surépaisseur
de corrosion
Boites de Acier au 4405 ± 6 1430 ± 3 91 1612 1,5 Effluents sur
distribution carbone à convertisseur
0.5 Mo
Tableau 2-2 : nomenclature des repères (S) et (T)[5]
REP NB BRIDES
TYP DN Ø EXT SERIE FACE MATIERE OBSERVATION
(mm) (mm) (lb)
S1 1 MONO 150 169 / / A105 ENTREE
BLOC CALANDRE
S2 1 MONO 150 169 / / A105 SORTIE
BLOC CALANDRE
S3 1 WN 25 33,7 1500 RTJ A105 EVENT +
TAMPON
S4 1 WN 25 33,7 1500 RTJ A105 BLOWDOWN
+ TAMPON
T1 1 LWN 400 552 1500 RTJ A182F1 ENTREE BOITE
T2 1 MONO 400 407 / / A182F1 SORTIE BOITE

BLOC
T3 1 WN 25 33,7 1500 RTJ A182F1 EVENT
+TAMPON
21
T4 1 WN 25 33,7 1500 RTJ A182F1 DRAIN +

TAMPON
Tableau 2-3 : autres caractéristiques[8]
REP Désignation Elévation N° ISO T° MAX de P MAX de

service en °C service en bars
S1 Entrée BF EL 104000 601-B2 130 114.5
S2 Sortie BF EL 114050 601-B5 274 110
T1 Entrée SG EL 115050 601-B119 290 136.4
T2 Sortie SG EL 103000 601-B120 166 135.8
4-2) les plaques tubulaires :
On les retrouve aux extrémités de la calandre. Les deux plaques ont une épaisseur de
175 mm qui sont en communication avec des boîtes de distribution qui assurent la
circulation du fluide à l'intérieur du faisceau tubulaires. Le matériauutilisépour ces
plaques est l’acier au carbone à 0.5 Molybdène qui est « A182GrF1 » selon ASTM.
22
Fig2-11 : Une esquisse détaillée pour les plaques tubulaires[5]
23
[9]
Fig2-12 partie de la Plaque tubulaire supérieure de l’échangeur 123-C
Tableau 2-4 : Caractéristique des plaques tubulaire[5]
Matériau Acier au carbone a 0,5 Mo

Epaisseur (mm) 175
DN (mm) 1430
DLT (mm) 1365
Type des pas Triangulaire équilatéral
Pas Δ cote (mm) 30
4-3) faisceau tubulaire :
24
Les échangeurs tubulaires utilisent des tubes comme constituant principal de la paroi
d'échange
L’échangeur 123C contient 1775 tubes droits rectilignes de 10973 mm de long,

d’undiamètre de 19,05 mm et une épaisseur de 2,77 mm. Le faisceau tubulaire
estconstruit en acier allié, Chrome Molybdène « ASTM A209 T1 »pour résister à des
hautes pressions jusqu’ à 149,5 bars et des températures très élevées jusqu’ à 310 °C.
Les extrémités des tubes sont lisses pour permettre leur insertion dans les plaques
tubulaires. Ils sont dudgeonnés dans les plaques tubulaires puis soudés.[5]
Tableau2-5 : caractéristiques techniques des tubes
Nombre des tubes 1775

Longueurs des tubes 10973 mm
Diamètre des tubes 19,05 mm
Epaisseur des tubes 2,77 mm
pression d’étude (bars) 149,5 bars
Pression max de service (bars) 148 bars
Pression d’épreuve (bars) 224,3 bars
Température de calcule (°C) 310 °C
Température max de service (°C) 290/166 °C
Nombre de passe Une
4-4) Les chicanes :
Ce sont des tôles en forme de segment de 7mm d’épaisseur et de diamètre inférieur

au diamètre de la calandre et la plaque tubulaire.
Les chicanes sont dotées des trous de diamètres légèrement supérieurs aux
diamètres extérieurs du tube du faisceau pour faciliter le passage de ces derniers lors
de leurs montages.[6]
Entre les deux plaques tubulaires on trouve un ensemble de 38 chicanes. La première

chicane est positionnée à 619 mm de la première plaque tubulaire. Les chicanes sont
séparées ente eux d’un espace de 260 mm, çe qui forme 37 espaces.[5]
Le rôle de chicane est de maintenir les tubes droits et éviter leur fléchissement,
vibration et frottement.
25
Fig2-13 : Emplacement des chicanes par rapport aux tubes et plaques tubulaires[5]
4-5) Les tirants et les entretoises :
Les plaques tubulaires et les chicanes sont reliées et maintenues à l'intervalle voulu
par des tirants supportant des tubes entretoises (Fig 2-13). Les tirants sont filetés aux
deux extrémités, ils sont vissés sur la plaque tubulaire coté boite par l'une de ces
extrémités et reliés par écrous à la dernière chicane rencontrée ou à une chicane
spéciale appelée plaque support, à l'autre extrémité.
La plaque-support en généralpeut être avec une ouverture centrale, ou être

constituée par un segment circulaire intéressant 3 ou 4 tirants au moins.
A l’endroit de l’entrée du fluide dans la calandre les tubes sont protégés par une
plaque, soudée aux entretoises supérieures, formant un déflecteur (Fig 2-14). [6]
26
Fig 2-13 : emplacement des tirants et entretoises[5]
Fig 2-14 : déflecteur
Pour subvenir aux conditions des paramètres de fonctionnement (températures et

pression) et jouer son rôle stratégique au niveau de la section synthèse de l’unité de
production d’ammoniac,le 123C et un équipement soumis à un control non destructif
décennal pour sa maintenance afin de s’assurer de son bon état de
fonctionnement .
En effet depuis quelques années le 123C à connu des problèmes à répétition comme
on le verra ci-après.
27
CHAPITRE II : CARACTERESTIQUES ET PROBLEMES DE L’ECHANGEUR 123C
5) Problèmes de 123C :
Lors des arrêts programmés de l’unité d’ammoniac plusieurs équipements

stratégiques doivent être inspectés, l’échangeur 123 C en fait partie.
Dans ce chapitre on va relater les problèmes rencontrés au niveau de cet échangeur

123C et aussi les différents modes d’inspection et réparation pour assurer le bon
fonctionnement de l’appareil.
L’inspection des équipements est réalisée par les ingénieurs de l’unité. Mais la
dernière a été réalisée en 2015 par Vinçotte qui est un organisme français agréé suite
à un problème de présence d’eau dans l’ammoniac avec des pourcentages élevés. La
présence de l’eau dans l’ammoniac a été causée par des fuites d’eau au niveau de
l’échangeur 123C. Ce dernier a été mis en exploitation en 1996 et il est toujours en
service jusqu’ à aujourd’hui.
Il ressort de l’inspection qu’une fissure très importante a été localisée sur le joint de
soudure de la plaque tubulaire supérieure avec la boite d’entrée du gaz synthèseaussi
certaines fissures sur joints des soudures tube avec les plaque tubulaires , ce
problèmede fissuration des soudures et des parois est due à la fragilisation du métal
par l’hydrogène (H2) présent dans le fluide (corrosion par hydrogène).
Fig2-14 : la présence de corrosion estclaire au niveau des joints de soudure de la

plaque tubulaire supérieure avec la virole (boite de distribution).[9]
27
5-1) Contrôleetréparationdesdéfautsauniveau de 123 C
Lors de l’inspection visée précédemment de l’état de 123C, des contrôles non

destructifs (CND)ont été réalisés par un test visuel et un autre pneumatiqueet
hydraulique permettant l'identification des différents problèmes.
La procédure consiste à suivre les deux étapes principalessuivantes :
A) Soudure circulaire de la plaque tubulaire avec le fond supérieur :
La réparation des tubes fuyards nécessite d’abord des tests pour détecter les points
de fuite ensuite une série de manœuvres (en 9 points) comme montré à-après.
A-1) Préparation de l’équipement:
Avant toute intervention pour une réparation de l’échangeur il faut prendre toutes
les mesures sécuritaires préventives pour éviter tout accident ou incident qui peut
être causé au personnel intervenant ou à l’installation.
Et pour faire une intervention sans risque ou danger il faut respecter les étapes
suivantes :
A-1-1) Inerter le circuit gaz synthèse côté entrée et sortie du 123C.
A-1-2) Installer les brides pleines côté entrée et côté sortie gaz synthèse (T1etT2)
A-1-3) Procéder à la coupe des conduites d’entrée et sortie eau d’alimentation de

chaudière (S1 et S2).
A-1-4) Ouverture des boites entrée et sortie gaz synthèse.
A-1-5) Nettoyage des plaques tubulaires entrée et sortie.
A-2)Test d’étanchéité et contrôle non destructive (Ressuage, Réplique)
- Un test pneumatique a été réalisé à la pression de 03 bars maintenu 01h, le résultat

du test est :
* 01 fuite sur ancien bouchon d’un tube fuyard précédemment et 01 fuite au niveau
de l’assemblage (soudé et dudgeonné).[9]
28
- Un contrôle CND par Vinçotte au niveau des deux plaques tubulaires le résultat du
contrôle est :
* détection d’une fissuration sur le cordon circulaire (joint de soudure) de la plaque

tubulaire supérieure en liaison avec virole( boite d’entrée gaz), comme elle est
montrée sur la figure (Fig 2-15)
Fig 2-15 : Le contrôle par ressuage montre l’ampleur de la fissure sur joint soudure
plaque supérieur avec virole (A) et on peut remarquer aussi certaines fissures sur
joints des soudures tube avec plaque (B).
Les produits utilisés pour effectuer ce test appelés MPI fluorescent (Magneticparticle
Inspection)où le produit rouge est le pénétrant et le blanc est le révélateur.
29
Fig2-16 :Contrôle par ressuage montre des fissures superficielles sur le fond supérieur
de la calandre.[9]
Fig2-17 :Contrôle par ressuage montre des fissures sur le fondinferieur de la

calandre.[9]
30
A-3)Dégazage :
Le dégazage des plaques tubulaires est recommandé pour chasser l’hydrogène

présent dans les fissures et les pores des soudures et éviter son explosion lors des
réparations (par soudage).
L’opération de dégazage se fait selon la recommandation préconisée par l’organisme

agréé, en respectant la procédure suivante :
a) Montée libre jusqu' à 300 °C avec des résistances chauffantes.
b) Montée à 100 °C/h jusqu' à 350 °C.
c) Palier à 350 °C pendant 6 à 8 heures pour avoir une échauffe homogène de la

plaque.
d) Descente de 100°C/h jusqu' à 300°C.
e) Descente libre jusqu’ à température ambiante
Fig2-18 : courbe de dégazage des plaques tubulaires supérieur et inferieur.[9]
31
A-4) meulage de la soudure jusqu' à élimination des défauts.
A-5) Contrôle par ressuage après meulage de la soudure.
A-6) Préchauffage en augmentant la température de la plaque jusqu’ à 150 °C
- Préchauffage de la plaque tubulaire supérieure avant soudage, puis réparation de la

fissure et le bouchon du tubes fuyard auparavantpar soudage.
32
Fig2-19 : courbe de préchauffage de la plaque tubulaire pour soudage.[9]
A-7) Rechargement à l’électrode.
A-8)Refroidissement air calme sous calorifuge.
A-9) contrôle par ressuage après refroidissement complet.

Un autocontrôle (ressuage) est réalisé lors du défoncement afin de s’assurer de
l’élimination de la fissure.
Après l’élimination de ce problème une autre série de contrôle et réparation

commence pour résoudre les problèmes du faisceau tubulaire (fuites localisées sur
les joints de soudure des tubes avec les plaques tubulaires).
B) Soudure tubes et bouchons sur les plaque tubulaire :
Après la fin des travaux de soudure et le refroidissement de l’équipement un test

d’étanchéité pneumatique et reconduit à une pression de 03 bars.
Pour plus de confirmation sur l’étanchéité du faisceau tubulaire, onprocède à des

tests d’étanchéité hydraulique.
Tableau 2-6 : tests hydrauliques appliqués pour la détection des fuites dans les joints
de soudure des tubes avec la plaque tubulaire :[9]
Test Pression Nombre des fuites Situations

(bars) sur soudure tube à
plaque
1 45 23 Réparée puis reconduction du test
8 110 RAS /
33
Entre chaque opération de réparation des tubes fuyards on procède d’abord au

dégazage des plaques tubulaires (supérieure et inférieure), ensuite on réalise un
meulage qui consiste à éliminer les vieilles soudures ensuite on préchauffe le tube et
la plaque tubulaire avec la résistance chauffante à 150°C pour pouvoir procéder au
soudage des tubes à la plaque tubulaire et on contrôle à la fin par ressuage après
refroidissement complet pour assurer l’élimination desproblèmes.
Mais aussi en ce qui concerne le bouchonnage d’un tube du faisceau tubulaire, les
étapes sont les suivants : [9]
 Test d’étanchéité
 Repérage du tube fuyard
 Dégazage des plaques tubulaires
 Accostage et soudage des 2 bouchons biseauté
Fig2-20 : accostage du bouchon biseauté dans le tube
 Contrôle par ressuage des soudures
34
C) CND général après fin des travaux :
Fig2-21: Deux photos après le contrôle par MPI fluorescent réalisé au niveau de la
plaque tubulaire supérieure sur les réparations ne montre aucun défaut.[9]
35
Fig2-22 : La nouvelle soudure de plaque tubulaire supérieureavec la virole et aussi

avec certains tubes après réparation.[9]
6) Conclusion :
Le bon fonctionnement de l’échangeur 123C demande des interventions complexes

et de la main d’œuvre qualifié afin de garantir un produit final (ammoniac) sans
présence d’excès d’eau, les intervention durent une quinzaine de jouret nécessitent
l’arrêt totale de l’unité, ce qui constitue un manque à gagner important pour
l’entreprise Fertial. L’ammoniac qui est un produit concurrentiel sur le marché
international, et qui constitue une source de rentrée de devise importante pour le
pays. D’ autre part ces réparations des échangeursdemandent l’intervention de
techniciens étrangers coûtant de l’argent à l’entreprise. C’est pourquoi le respect des
paramètresopératoires au cours de fonctionnement des équipements garantit une
durée de vie optimale de ces derniers.
36
CHAPITRE III : CALCULS DE L’ECHANGEUR 123C
1) Introduction
Difficile d’être exhaustif sur la description technologique des échangeurs tant la

diversité de ces appareils et de leurs variantes en fonction des constructeurs est
importante.
Dans ce chapitre on va vérifier les performances de notre échangeur 123C de type

faisceau-calandre d’une configuration méthodique. Avec une passe coté tube et une
passe coté calandre.
La configuration dite méthodique est celle où les fluides circulent à contre-courants.

On l’appelle méthodique car c’est cette configuration qui permet d’obtenir les
meilleures performances d’échangeurs.
2) Données du calcul
Tableau3-1 : caractéristiques des fluides :
Propriétés Fluide coté calandre Fluide coté tube

(froid) (chaud)
Fluide Eau de chaudière Gaz de synthèse
Température d’entrée °C 130 290
Température de sortie °C 268 166
Débit massique kg/h 170118 287647
Débit volumique m3/h 221,219 6976,158
Masse volumique kg/ m3 769 41,4426
Conductivité thermiquekcal/(m 0,5137 0,1212

h°C)
Viscosité dynamiquecP 0,134 0,02205
Chaleur spécifique kcal/(kg.°C) 0,991 0,7021
Quantité de chaleur échangée 25,12. 106 25,12. 106

(design) (kcal/h)
38
b) caractéristiques de la calandre de l’échangeur faisceau-calandre 123C :
Tableau3-2 : caractéristiques de la calandre de l’échangeur 123C :[5]
Coté calandre
Diamètre intérieur mm 1430
Espacement des chicanes mm 260
Nombre de passes Une
Epaisseur des chicanes (mm) 7
Perte de chargecalculée (bar) 0,69
Diamètre du segment occupé par le 1365
faisceau tubulaire (DLT) (mm)
Tableau3-3 : caractéristiques des tubes de l’échangeur 123C :[5]
Coté tube
Nombre des tubes 1775
Conductivité thermiquekcal/(hm°C) 37,4724
Longueur des tubes mm 10620
Pas triangle de cote mm 30
Diamètre des tubes mm 19,05
Epaisseur des tubes mm 2,77
Perte de charge calculée (Bar) 0,26
3) Application :
Dans cette partie, nous allons déterminer la quantité d’énergie échangée entre les
fluides chauds et froids qui nous permettra d’effectué les différents calculs de
l’échangeur 123C et les comparer aux donnés du design.La méthode de calcul est
prise de livresP.whuithier « Raffinage et génie chimique, tome I et tome II »[10][11].
3-1) Expression du flux échangé
Quel que soit le type d’appareil utilisé, si l’ on prend en considération que les
conditions d’ entrée et de sortie des deux fluides, il est possible d’ établir le bilan
thermique global de l’ appareil en écrivant que la quantité de chaleur φ perdue par le
fluid chaud est égale à celle prise par le fluide froid, si l’on néglige les pertes
thermiques.
φ=Ṁ.Cp1 (T1 –T2) = ṁ.Cp2 (t2 – t1 )………………………..1[10]
39
Où :
Ṁest le débit massique du fluide chaud.
ṁest le débit massique du fluide froid.
Cp1 est la chaleur spécifique du fluide chaud.
Cp2 est la chaleur spécifique du fluide froid.
T1et T2 sont les températures d’entrée et de sortie du gas respectivement coté tube.
t1 et t2 sont les températures d’entrée et de sortie d’eau respectivement coté

calandre.
Les débits qc1 = Ṁ.Cp1 et qc2 = ṁ.Cp2sont appelés les débits calorifiques des deux
fluides en (W/°C).[10]
Le flux de chaleur peut donc finalement s’écrire :
φ=qc1(T1 –T2) = qc2(t2 – t1 ) … … (2)[10]
d’après l’equation (1)
φ=Ṁ.Cp1 (T1 –T2)
φ=287647. 0,683 (290 –166)
φ = 23,36. 106 kcal/h
par ailleur, on peut appliquer l’equation de Fourier a l’ensemble de l’appareil :
ΔTml
φ=A = U. A. ΔTml … … (3)[11]
R
Où :
A : est la surface totale d’échange offerte par l’appareil.
40
U : le coefficient du transfert de chaleur global.
ΔTml : différence de température moyenne logarithmique entre les deux fluides.
R : résistance thermique global.
Remarque :Pour un appareil donné dont la surface A est est une caractérestique
géometrique calculable, les valeurs des termes U et ΔTml sont en fonction de la
disposition interne des tubes, du nombre de passe et des caracterestiques de
l’écoulement des tubes.
La géométrie des échangeurs réels fait que leur fonctionnement s'écarte de celui d'un
échangeur parfait à contre-courant. Leur efficacité s'en trouve réduite, et ceci est
représenté dans le calcul par un facteur correctif de la différence de température
moyenne. L'équation prédisant l'intensité du transfert thermique devient donc:
φ = U. A. F. ΔTml … … (4)[11]
avec:
φ: quantité de chaleur échangée (Watts)
F: facteur correctif de la différence de température (sans dimension)
U: coefficient de transfert thermique global (W/(m²°C)
A: surface de transfert thermique (m²)
ΔTml: différence de température logarithmique moyenne entre le fluide chauffant et

le fluide chauffé (°C).
Ce facteur correctif dépend de la géométrie de l'échangeur mais aussi du profil de

température. Celui-ci est représenté par deux facteurs généralement nommés R et P
(dans la littérature anglo-saxone), dont les définitions sont les suivantes:
* R correspond au rapport des débits de capacité calorifiques des fluides
* P correspond au rendement de chauffage; si le fluide côté tubes sort de

l'échangeur à la température d'entrée du fluide côté calandre (chauffage maximum
possible), P =1.
Dans notre cas ou on a une passe coté tube et une passe coté calandre F=1.
41
3-2 Différence de température logarithmique moyenne(DTLM)
L’échange s’effectue à contre-courant :
T1 = 290 °C
T2 = 166 °C
t1 = 130 °C
t2 = 268 °C
Fig 3-1 : Graphe montre les variations des températures dans l’échangeur
(écoulement à contre-courant)
T1 − t 2 − (T2 − t1 )
DTLM = T 1 −t 2
… … … (4)[11]
𝑙𝑛
(T 2 −t 1 )
290 − 268 − (166 − 130 )

DTLM = 290 −268
𝑙𝑛
(166 −130 )
DTLM = 28.42 °C
42
3-3) Coefficient global d’échange pourl’échangeur 123C
Le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid est la résultante de trois

phénomènes successifs:
• Convection entre le fluide chaud et la face externe de la paroi solide.
• Conduction à travers cette paroi solide.
• Convection entre la face interne de la paroi solide et le fluide froid.
Le coefficient d’échange d’un échangeur U est donné par la formule suivante :
1
U= 1 1 e … … … (5)[11]
+ R𝑠 + +
h1 h2 λ
h1 et h2 : coefficients d’échange correctifs locaux, calculés sur la base de corrélations

et de nombres adimensionnels de Reynolds (Re), Prandtl (Pr),leNusselt (Nu).
e : épaisseur de la paroi en m
λ : conductivité thermique de la paroi en W/°C/m
R 𝑠 : résistance due à l’encrassement de la paroi
L’obtention de la valeur U permet le calcul de la surface et les dimensions de

l’échangeur.
3-3-1)Calcul du coefficient d’échange h coté tube
On a :
h1 Di
Nu1 = … … (6)[11]
λ1
Donc :
Nu1 . λ1
h1 =
Di
3-3-1-a) vitesse massique du coté tube (fluide chaud)
M
Gt = …… 7 [11]
A t . Nt
Où :
At :section de passage du tube.
Nt : nombre des tubes.
43
3-3-1-b) Section de passage coté tube
π 2
At = Di … … (8)[11]
4
π
At = 13.51 ∗ 10−3 2
4
At = 1.43. 10−4 m2
Donc :
287647
Gt =
1,43. 10−4 . 1775
Gt = 1133249.27 kg/(h. m2 )
3-3-1-c) Nombre de Reynolds
0.0212 Cp = 0.07938Kg/m.h
𝐺𝑡. Di
Re1 = …… 9 [11]
μ1
1133249,27. 13,51. 10−3

Re1 =
0.07996
Re1 = 200482,16
Re = 200482,16> 10000 donc le régime est turbulent
Donc :
Nu1 = 0,018 Re10,8 . Pr10,3 … … (10)[11]
44
3-3-1-d) Nombre de Prandtl
Cp1 . μ1
Pr1 = … … (11)[11]
λ1
0,7021 .0.0793
Pr1 =
0,1212
Pr1 = 0,46
Nu1 = 0,018 Re10,8 . Pr10,3
Nu1 = 0,018. 200842,16 0.8 . 0,460,3
Nu1 = 249,1
Nu 1 . λ1
h1 =
Di
Donc :
249,1 . 0,1212
h1 =
13,51. 10−3
h1 = 2234,8 kcal/m² h °C
45
3-3-2) Calcule de coefficient h2 coté calandre
Méthode de Donohue :
Donohue prend en considération l’espacement entre chicanes pour définir la valeur

de la vitesse massique transversale Gct et la hauteur sous chicane pour calculer une
vitesse massique longitudinale Gcl.[11]
Ensuite, il définit une vitesse massique moyenne Gc, telle que :
Gc = Gct . Gcl … … (12)[11]
h2 . D
Nu 2 = = 0,22 Re0,8 0,3
2 . Pr2 … … (13)
λ2
D. Gc 0,8 cp2 . μ2 0,3

Nu 2 = 0,22( ) . ( ) … … (14)
μ2 λ2
D : diamètre extérieur des tubes du faisceau.
3-3-2-a) Vitesse massique coté calandre
a-1) Vitesse massique transversale Gct :
La vitesse massique transversale est calculée pour l’aire de passage maximale, c’est-
à- dire dans la section équatoriale de l’échangeur :
ṁ
Gct = … … (15)[11]
acT
Soit B, l’espacement des chicanes, P le pas des tubes et Dc, le diamètre intérieur de la
calandre. L’aire de passageacT entre deux chicanes varie selon l’arrangement des
tubes selon la figure (Fig 3-2).
46
Le tableau 3-4 donne les valeurs deacT , relatives à diverse dispositions.
Fig3-2 : Aire de passage transversale entre deux chicanes
Tableau 3-4 : aire de passage, distance minimal de passage et espacement entre

tubes perpendiculairement au courant en fonction du type du pas des tubes.[11]
Donc :
Dc
acT = P − d . B … … (16)
P
1430. 10−3
acT = 30. 10−3 − 19,05. 10−3 . 260. 10−3
30. 10−3
47
acT = 0,1363 m2
D’après :
ṁ
Gct =
acT
170118
Gct =
0,1363
Gct = 1248114,45kg/(h. m2 )
a-2) vitesse massique longitudinale Gcl

ṁ
L’évaluation de l’aire de passage acL sous la chicane, pour GcL = s’effectue en
a cL
prenant une valeur proportionnelle à la différence : (section intérieure de la calandre
– section des tubes).
π
acL = Dc 2 − N𝑡 . D2 . x……………(15)[11]
4
N𝑡 : c’est le nombre total de tubes du faisceau
x : le rapport de l’aire du segment libre à la section intérieure de la calandre.
D’où :
4. ṁ
GcL = … … (16)[11]
π. Dc 2 − N𝑡 . d2 . x
48
Donc :
3-3-2-b) La section intérieure de la calandreSinterieur
π. Dc 2 3,14. (1430. 10−3 )2

Sinterieur = =
4 4
Sinterieur = 1,61 m2
3-3-2-c) L’aire du segment libre à la section intérieure de la calandre
2
π. DLT
Slibre = Sinterieir − [11]
4
3,14. (1365. 10−3 )2
Slibre = 3,035 −
4
Slibre = 1,61 − 1,46
Slibre = 0,147m2
Donc :
Slibre 0,147
x= =
Sinterieur 1,61
x = 0,091
4. ṁ
GcL =
π. D2𝐶 − N𝑡 . D2 . x
4. 170118
GcL =
3,14. 1,4302 − 1775. (19,05. 10−3 )2 . 0,091
49
680472
GcL =
0,40
GcL = 1700118,48 kg/h. m2
Donc :
Gc = GcT . GcL
Gc = 1253568,35 . 1700118,48
Gc = 1456688,86 kg/h. m2
On remplace Gc par sa valeur dans l’équation :
h2 . D D. Gc 0.8 cp2 . μ2 0,3

= 0.22( ) . ( )
λ2 μ2 λ
λ2 D. Gc 0.8 cp2 . μ2 0,3

h2 = 0.22( ) . ( )
D μ2 λ2
0,138 cp =0,482 Kg/m.h
0,5137 19,05. 10−3 . 1456688,86 0.8 0,991. 0,482 0,3

h2 = 0.22( ) . ( )
19,05. 10−3 0,482 0,5137
h2 = 37319,2kcal/m² h °C
3-3-3) calcul de la résistance globale d’encrassement dans l’échangeur 123C
U p − Us
Rs = [11]
U p . Us
50
Up : coefficient du transfert de chaleur propre.
Us : coefficient du transfert de chaleur sale.
3-3-3-a) estimation de la surface d’échange disponible sur l’échangeur
Sdisponible= Nt. π. d. L
Sdisponible = 1775. 3,14. 19.05. 10-3. 10620. 10-3
Sdisponible = 1127,58 m²
3-3-3-b) Calcul du coefficient du transfert sale Us
φ
Us = [11]
Sdisponible . ΔTml
23,36 . 106
Us =
1127.58 . 28,42
Us = 728.95 kcal/m² h °C
3-3-3-c) Calcul du coefficient du transfert propre Up
h2 hie
Up = [11]
h2 + hie
Où hie est le coefficient du film interne rapporté à la surface extérieur.
Di
hie = h1 . [11]
D
13,51 . 10−3
hie = 2205,15 .
19,05 . 10−3
hie = 1563,86kcal/(m² h °C)
51
37319,2 . 1563,86
Up =
37319,2 + 1563,86
Up = 1500,96kcal/m² h °C
Remplaçant dans
Up − Us
Rs =
Up . Us
1500,96 − 728,95
Rs =
1500,96 . 728,95
R s = 0,00069m² h °C/kcal
1
U= 1 1 e
Rs + + +
h1 h2 λ
1
U= 1 1 2,77. 10 −3 .
0,00069 + + +
2234,8 37319,2 37,4724
U = 807,63kcal/m² h °C
3-4) Calcul de la surface d’échange
D’après l’équation (3)
φ=U . A . F.ΔTml
φ
A=
U . ΔTml
23,36 106
A=
807,63 . 28,42
A =1017,73m2
52
La surface d’échange disponible est de 1127,58 m2 et celle calculée est 1017,73 m2, la
différence est de 96,65 m2 environ de 9,03 % de surface disponible.
La différence entre la surface disponible dans l’échangeur et la surface d’échange

calculé est due aux nombre et surface des chicanes et les plaques support des tubes
qui n’ont pas pris en compte au cours du calcules.
3-5) calcul des pertes de charge
Les deux fluides qui traversent l'appareil s'écoulent sous l'effet d’un potentiel mesuré
par la différentielle de pression DP entre l'entrée et la sortie et que l'on appelle la
perte de charge.
La valeur de cette perte de charge est fonction de la vitesse de circulation du fluide et
de leurs caractéristiques physiques : densité et viscosité, ainsi que de la géométrie de
l'appareil.
3-5-1) Pertes de charge à l’intérieur des tubes
L’étude fondamentale de l'écoulement des fluides a permis d'établir la formule

connue sous le nom d'équation de Fanning, valable en régime isotherme pour une
longueur droite L de tuyauterie, de diamètre uniforme di :
n𝑐 . n𝑡 Gt2 𝑓𝑡 . L
ΔPt = 15
[ + 2 ] en Kg/cm2 [11]
1,271 . 10 . d D𝑖
Avec :
n𝑐 : nombre de passe coté calandre.

n𝑡 : nombre de passe coté tube.
Gt : vitesse massique.
d : densité du gaz.
𝑓𝑡 : coefficient de friction, sans dimensions, fonction du nombre de Reynolds.
ΔPt: pertes de charge coté tube.
L : longueur des tubes
La valeur du coefficient de friction f en fonction du nombre de Reynolds est donnée

par les expressions suivantes :[11]
Régime laminaire (Re<2100)

32
𝑓=
Re1
53
Régime turbulent (Re>2100)
* Tubes lisses d’échangeurs : 𝑓 = 0,0028 + 0,250 𝑅𝑒1−0,32
* Tubes rigeux d’échangeurs : 𝑓 = 0,0070 + 0,528𝑅𝑒1−0,42
Donc :
𝑓 = 0,007 + 0,528. 200842,1−0.42
𝑓 = 1,013. 10−2
1 .1 . 1133249,27 2 . 103 1,013. 10−2 . 10620. 10−3

ΔPt = [ +2]
1,271 . 1015 41,4426 13,51. 10−3
ΔPt = 0,2429 Kg/cm2
ΔPt =0,2381Bar
3-5-2) Pertes de charges à l’extérieur des tubes (coté calandre)
Les facteurs caractérisant l'écoulement dans la calandre sont très nombreux ; le

courant principal du fluide s'écoule tantôt perpendiculairement au faisceau, tantôt
parallèlement au travers d'une section de passage constamment variable.
Les tolérances de construction introduisent, en outre, des courants secondaires de
fuite qui ont d'autant plus importances que le diamètre de la calandre est petit.
A l'usage, ces courants secondaires peuvent se développer ou se réduire selon qu’il y
a érosion ou colmatage des jeux entre les divers éléments.[11]
2
𝑓 . G𝑐𝑡 . N + 1 . Dc
ΔPc =
1,271 De. 𝑑c
Le coefficient de friction 𝑓 est donné en fonction de Re à la figure Fig (3-3) et la

distance parcourue par les fluides est égale à N + 1 . Dc.
54
Fig3-3 : coefficient de friction en fonction du nombre de Reynolds[11]

55
3,464 . p2
De = − D[11]
π. D
3,464 . (30. 10−3 )2

De = −3
− 19,05. 10−3
3,14. 19,05. 10
De = 33,06. 10−3
D’apres le graphe : 𝑓 = 0,1275
0,1275 . 1248114,452 . 38 + 1 . 1430. 10−3

ΔPc =
1,271 . 1015 33,06. 10−3 . 0, 86574
ΔPc = 0,31 kg/cm²
ΔPc = 0,3 Bar
3-6) Température de métal des tubes
hio
𝑡𝑡 = Tc − ( Tc − t c )[11]
h2 + hio
Où :
𝑡𝑡 : Température des tubes
Tc : Température calorique du fluide chaud
t c : Température calorique du fluide froid[11]
Avec :
Tc = T2 + Fc T1 − T2
t c = t 1 + Fc t 2 − t 1
56
Fc est déterminer à partir de la figure suivante :
Fig3-4 : facteur FC pour déduire les températures caloriques.[11]
57
Et si DTLM < 30°C, Fc = 0,5[11]
Donc
Tc = 166 + 0,5 290 − 166
Tc = 228 °C
t c = 130 + 0,5 268 − 130
t c = 199°C
1563,86
𝑡𝑡 = 228 − 228 − 199
37319,2 + 1563,86
𝑡𝑡 = 226,8
3-7) efficacités de l’échangeur 123C
On définit l’efficacité d’un échangeur comme le rapport du flux de

chaleureffectivement transféré dans l’échangeur φ au flux de chaleur maximal qui
serait transféré dans les mêmes conditions de températures d’entrée des deux
fluides dans un échangeur tubulaire de longueur infinie fonctionnant à contre-
courant φ max[12]:
φ
Ɛ=
φ max
**Cas où le fluide chaud commande le transfert : qc1< qc2 :
φ max = qc1 (Tg1 –Tg2)

φ = qc1 (Tg1 –Tw2)
On définit alors une efficacité de refroidissement :
(Tg1 – Tw2)
Ɛ=
(Tg1 – Tw1)
58
**Cas où le fluide froid commande le transfert : qc1> qc2 :

φ max = qc2(T1 –T2 )
φ = qc2(T1 –t 2 )
On définit alors une efficacité de chauffage :
(t 2 – t1 )
Ɛ=
(T1 – 𝑡1 )
Et comme on a :
qc1 =204689,6052>qc2 =168586,938 kcal/ (h.°C)
Alors on dit que l’eau commande le transfert (le fluide froid) :
(t 2 – t1 )
Ɛ=
(T1 – 𝑡1 )
(268 – 130)
Ɛ=
(290 – 130)
Ɛ = 86,25
4) Conclusion :
On remarque que la surface calculée (1017,73m2) est proche de celle de l’échangeur

(1127,58 m2) et la valeur des pertes de charge qu’on a calculée (0,24 Bar à l’intérieur
des tubes et 0,3 Bar à l’extérieur) sont très proches aux pertes de charge donnée par
le constructeur (0,26 Bar à l’intérieur des tubes et 0,69 Bar à l’extérieur des tubes).
59
Conclusion générale
Conclusion générale :
Le modeste travail que j’ai élaboré durant ma période de stage à l’entreprise Fertial-
Annaba au sien de l’unité d’ammoniac m’a permis de voir le fonctionnement des
équipements industriels de prêt, ce qui vient compléter les connaissances acquises
durant les années d’études dans l’option génie chimique. Ce stage m’a permis aussi
de voir de prêt un échangeur de chaleur TEMA classe R, de comprendre les
différentesétapes de réparation lorsqu’ il a des problèmes de fissures qui provoquent
le passage de l’eau (coté calandre) vers les tubes contenant l’ammoniac et causant la
diminution de la qualité du produit vendu sur le marché international.
Le calcul de la surface d’échange a donné une valeur inférieureà celle du design

probablement à cause du fait que la présence des surfaces des chicanes et les plaque
support autour des tubesn’ont pas pris en compte dans les calculs.
61
Références bibliographique :
References bibliographique :
[1] http://www.fertial-dz.com/societe/
[2] http:// maps.google.com/
[3] Kellogg Job N°5142-ANNABA Description du procédé.
[4] Principes des transferts convectifs - Jacques Padet – 1997.
[5] FOURE LAGADEC, 2 rue de la vallée, 76600 LE HAVRE - FRANCE, PLAN N° : PL

95151-01,Rev 2.
[6] Technologie et documents à l'usage des dessinateurs de bureaux d'études «

Pétrole et Pétrochimie ». Charles Antonelli, Fernand Ranchoux, 3éme edition, 1976
[7] Technologie des échangeurs thermiques, Alain Garrigue, André Bontemps, Pierre
Mercier, Charles Goubier, Jacques Huetz, 1998.
[8] Isométrie des lignes (conduites des effluents) d’unité d’ammoniac Fertial-Annaba
[9] Fertial-Annaba. Structure : inspection et légalisation. Service : inspection-

equipement.
[10] P.whuithier, Raffinage et génie chimique, tome I, 1972
[11] P.whuithier, Raffinage et génie chimique, tome II, 1972
[12] Transfert thermiques, cours et 55 exercices corrigés, Yves Jannot, Christian

Moyne, 2016.
63

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Faculté des Sciences de l’Ingéniorat

Spécialité : Génie des Procédés

Présenté en vue de l’obtention du diplôme deMaster

CALCUL THERMIQUE DE L’ECHANGEUR 123C DE

DIRECTEUR DE MEMOIRE :DJERAD Souad, Prof,UniversitéBadji Mokhtar- Annaba

CHAPITRE I : Présentation du lieu du stage

CHAPITRE II : Caractéristiques et problèmes de l'échangeur 123C

CHAPITRE III : Calcul de l'échangeur 123C

Conclusion générale ………………………………………………………………………………………….…….61

références bibliographique : ......................................................................................... 63

symbole définition unité

symbole définition unité

Tableau 2-1 : matière de construction et dimensions (calandre +boite).

Tableau 2-2 : nomenclature des repères (S) et (T).

Tableau 2-3 : autres caractéristiques.

Tableau 2-4 : Caractéristique des plaques tubulaire.

Tableau 2-5 : caractéristiques techniques des tubes.

Tableau 3-1 : caractéristiques des fluides.

Tableau 3-2 : caractéristiques de la calandre de l’échangeur 123C.

Tableau 3-3 : caractéristiques des tubes de l’échangeur 123C.

Tableau 3-4 : aire de passage, distance minimal de passage et espacement entre

Tableau 3-5 : Nomenclature.

Liste des figures :

Fig 1-1 : photo Vue du ciel Fertial-Annaba.

Fig 1-2 : Organigramme du complexe Fertial-Annaba.

Fig 1-3 : photo d’échangeur 123C dans l’unité d’ammoniac.

Fig 2-1 : Partie du schéma de la synthèse d’ammoniac + le réacteur de synthèse

Fig 2-2 : Faisceau tubulaire

Fig 2-3 : Calandre.

Fig 2-4 : Plaque tubulaire.

Fig 2-5 : Lepas triangulaire au niveau de la plaque tubulaire du 123C.

Fig 2-6 : Plaque tubulaires + chicanes.

Fig 2-9 : boite tubulaire + calandre.

Fig2-10 : Une esquisse détaillée pour les plaques tubulaires.

Fig 2-11 partie de la Plaque tubulaire supérieure de l’échangeur 123-C.

Fig 2-13 : emplacement des tirants et entretoises.

Fig 2-14 : déflecteur

Fig2-14 : laprésence de corrosion est claire au niveau des joints de soudure de la

Fig 2-18 : courbe de dégazage des plaques tubulaires supérieur et inferieur.

Fig 2-19 : courbe de préchauffage de la plaque tubulaire pour soudage.

Fig 2-20 : accostage du bouchon biseauté dans le tube.

L’énergie est considérée comme une base importante du développement

L’énergie représente une ressource stratégique pour toute économie nationale. Sa

En Algérie, Les sources d’énergie utiliséesdans notre vie quotidienne de plus de

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Ce travail a été réalisé au sein de l’unité d’ammoniac à Fertial-Annaba au cours

A l’aube de l’indépendance la situation du secteur de l’industrie des produits

2) Présentation générale de FERTIAL Annaba :

2-1) Situation géographique :

Fig 1-1 : photo vue du ciel Fertial-Annaba[2]

2-2) Organigramme du complexe FERTIAL-Annaba :

direction trafic et produit fini approvisionn

cordinateur securité sureté

Fig 1-2 : Organigramme du complexe Fertial Annaba[1]

2-3) principales activités :