Les paramètres clés sont le débit, la hauteur manométrique totale, les propriétés du fluide, les conditions d’aspiration et la puissance de la pompe. Pour les pompes d’alimentation et de circulation des installations pilotes d’opérations unitaires en génie chimique, le dimensionnement doit tenir compte du débit volumique requis, du débit massique, de la hauteur statique, de la différence de pression entre les réservoirs, des pertes par frottement dans les conduites et les raccords, des pertes dans les vannes de régulation, ainsi que de la masse volumique et de la viscosité du fluide. Dans les boucles haute pression, ces calculs peuvent conduire à des hauteurs manométriques importantes : la référence principale cite des hauteurs manométriques totales d’environ 237 à 268 m pour certaines applications.
Le dimensionnement d’une pompe correspond à l’intersection de la courbe du système et de la courbe de la pompe. Une conception fiable évalue à la fois le point de fonctionnement requis et la plage de fonctionnement, puis vérifie la pression d’aspiration, la marge vis-à-vis de la cavitation, la demande de puissance, la régulabilité et la compatibilité avec le fluide de procédé.
Définir le service requis de la pompe
Débit volumique
Le débit volumique requis détermine la capacité de la pompe et influence fortement le diamètre des conduites, la vitesse, les pertes par frottement et la plage de régulation.
La conception doit spécifier les débits normal, minimal et maximal, plutôt qu’une seule valeur nominale. Une seule pompe peut convenir à une plage de fonctionnement étroite, tandis que des pompes en parallèle ou une régulation à vitesse variable peuvent être nécessaires lorsque l’installation pilote doit prendre en charge des expériences sensiblement différentes.
Débit massique
Le débit massique est essentiel lorsque la spécification du procédé est exprimée en kilogrammes par heure ou lorsque la masse volumique du fluide varie avec la composition, la température ou la pression.
La relation est la suivante :
[ \dot{m} = \rho Q ]
où (\dot{m}) est le débit massique, (\rho) la masse volumique du fluide et (Q) le débit volumique. Les deux grandeurs doivent être vérifiées, car la pompe déplace un volume alors que de nombreuses opérations unitaires sont conçues en fonction du débit massique.
Plage de fonctionnement
Les installations pilotes fonctionnent souvent dans plusieurs régimes d’écoulement afin de démontrer le comportement du procédé et les performances de la régulation. La pompe doit rester stable et régulable au débit minimal, au débit normal et au débit maximal.
Le point de fonctionnement sélectionné doit donc être comparé à la courbe complète de performances de la pompe, notamment à son rendement, sa plage de fonctionnement admissible et toute exigence de débit minimal.
Calculer la hauteur manométrique totale
Hauteur statique d’élévation
La hauteur d’élévation correspond à la différence verticale entre les niveaux de liquide ou les points de référence de pression pertinents dans les réservoirs source et destination.
Une pompe doit fournir cette hauteur quels que soient le diamètre de la conduite ou le débit. Elle est particulièrement importante dans les installations pilotes comportant des colonnes, des réservoirs, des lits garnis ou des récepteurs de reflux surélevés.
Hauteur de pression statique
Si les réservoirs source et destination fonctionnent à des pressions différentes, la pompe doit surmonter la différence de pression correspondante.
Pour un liquide de masse volumique (\rho), la conversion pression-hauteur est la suivante :
[ H_{\Delta P} = \frac{\Delta P}{\rho g} ]
Cela signifie qu’une même différence de pression produit une exigence de hauteur différente pour des fluides de masses volumiques différentes. Une pression de refoulement indiquée seule est donc insuffisante pour dimensionner une pompe.
Pertes de charge par frottement
Les pertes par frottement se produisent dans les conduites droites, les raccords, les vannes, les échangeurs de chaleur, les sections garnies, les débitmètres et autres composants.
Elles dépendent de la longueur et du diamètre de la conduite, de la rugosité de la surface, de la masse volumique et de la viscosité du fluide, de la vitesse d’écoulement et de la géométrie des raccords. Les pertes par frottement augmentent généralement rapidement avec le débit et doivent donc être calculées aux limites de fonctionnement pertinentes, et pas uniquement au débit moyen.
Pertes de pression dans les vannes de régulation et les équipements
Les vannes de régulation peuvent consommer intentionnellement une part importante de la hauteur de pression disponible afin d’assurer une régulation stable du débit.
Le calcul doit inclure les pertes de pression dans les vannes, filtres, crépines, échangeurs de chaleur, mélangeurs statiques, lits garnis et autres équipements de procédé. Omettre ces pertes peut conduire à sélectionner une pompe qui satisfait l’exigence statique, mais qui ne peut pas atteindre le débit requis.
Hauteur manométrique totale
Une expression pratique de la hauteur manométrique requise par la pompe est :
[ H_{\text{TDH}} = H_{\text{elevation}} + H_{\text{pressure}} + H_{\text{friction}} + H_{\text{equipment}} ]
La hauteur du système ainsi obtenue doit être évaluée sur toute la plage de fonctionnement. Pour les circuits d’installations pilotes haute pression, la hauteur requise peut atteindre environ 237 à 268 m, comme indiqué dans la référence principale.
Évaluer le comportement hydraulique du fluide
Masse volumique et densité relative
La masse volumique influence à la fois le débit massique et la hauteur associée à une différence de pression. Elle influence également la puissance hydraulique requise par la pompe.
Pour les mélanges, la masse volumique peut varier considérablement avec la composition et la température. La base de conception doit utiliser la masse volumique crédible la plus élevée lors de la vérification de la puissance et des charges mécaniques.
Viscosité
La viscosité influence le nombre de Reynolds, le coefficient de frottement, la perte de pression, le rendement de la pompe et le débit atteignable.
Les liquides peu visqueux sont généralement pris en charge par des pompes centrifuges. Les liquides très visqueux peuvent nécessiter des pompes volumétriques, telles que les pompes à engrenages, car les performances des pompes centrifuges peuvent se dégrader lorsque la viscosité augmente.
Nombre de Reynolds
Le nombre de Reynolds indique si l’écoulement est principalement laminaire, transitoire ou turbulent :
[ Re = \frac{\rho u D}{\mu} ]
où (u) est la vitesse moyenne, (D) le diamètre de la conduite et (\mu) la viscosité dynamique.
Ce paramètre est nécessaire pour sélectionner la corrélation appropriée du coefficient de frottement. Il permet également d’expliquer pourquoi une même pompe et un même réseau de conduites peuvent se comporter différemment lorsque la température ou la composition du fluide change.
Diamètre et vitesse dans les conduites
Le diamètre de la conduite établit la relation entre le débit et la vitesse moyenne :
[ u = \frac{4Q}{\pi D^2} ]
Une vitesse plus élevée peut réduire la taille des conduites et les coûts d’investissement, mais elle augmente la perte de pression par frottement, le bruit, le risque d’érosion et la puissance de pompage. Une vitesse plus faible réduit les pertes hydrauliques, mais nécessite des conduites plus grandes et plus coûteuses.
Vérifier les conditions d’aspiration et la marge vis-à-vis de la cavitation
Hauteur d’aspiration disponible
La pression absolue à l’entrée de la pompe doit être suffisante pour maintenir le fluide à l’état liquide dans les conditions réelles de fonctionnement.
La hauteur d’aspiration disponible dépend de la pression du réservoir source, du niveau de liquide, des pertes dans la conduite d’aspiration, de la pression de vapeur du fluide et de la température. Elle doit être comparée au NPSH requis par la pompe, ou NPSH.
Marge de NPSH
Le NPSH disponible doit être supérieur au NPSH requis par la pompe, avec une marge d’ingénierie appropriée sur toute la plage de fonctionnement.
Cette vérification est particulièrement importante pour les liquides volatils, les liquides chauds, les réservoirs fonctionnant sous vide et les systèmes comportant de longues conduites d’aspiration ou des conduites restrictives. Une pompe placée trop haut au-dessus du réservoir source peut subir une pression d’entrée insuffisante, une cavitation, un écoulement instable ou une perte totale de débit.
Emplacement de la pompe
Les pompes centrifuges sont généralement mieux placées à proximité du réservoir source et en dessous de celui-ci, là où la conduite d’aspiration est courte et la pression d’entrée la plus élevée.
La tuyauterie d’aspiration doit minimiser les raccords inutiles, les restrictions brusques et les variations d’altitude. Ces détails peuvent déterminer si la pompe fonctionne de manière fiable, même lorsque les calculs côté refoulement sont corrects.
Déterminer les exigences de puissance et d’entraînement
Puissance hydraulique
La puissance hydraulique idéale est :
[ P_{\text{hydraulic}} = \rho g Q H ]
La puissance requise à l’arbre doit tenir compte du rendement de la pompe :
[ P_{\text{shaft}} = \frac{\rho g Q H}{\eta_{\text{pump}}} ]
Le dimensionnement du moteur doit également tenir compte du rendement de l’entraînement, de la marge de fonctionnement, des conditions de démarrage et de la possibilité que l’installation pilote fonctionne au débit maximal ou avec la masse volumique maximale.
Type de pompe
Les pompes centrifuges conviennent généralement aux fluides de procédé standards et peu visqueux ainsi qu’aux services de circulation continue.
Les pompes volumétriques sont plus adaptées aux services à faible débit et haute pression, au dosage ou aux fluides très visqueux. Les pompes à membrane peuvent être avantageuses pour les fluides corrosifs et le dosage précis, tandis que les pompes à engrenages sont couramment utilisées pour les liquides visqueux.
Vitesse et régulation
La configuration de l’entraînement influence la régulabilité et l’efficacité de fonctionnement. Les variateurs de vitesse peuvent ajuster le débit de la pompe en fonction des conditions changeantes de l’installation pilote, tandis que l’étranglement par une vanne de régulation modifie la résistance du système et convertit une partie de l’énergie de la pompe en perte de pression.
La conception doit déterminer si la régulation du débit sera assurée par l’ajustement de la vitesse, l’étranglement par vanne, une circulation en dérivation ou une combinaison de ces méthodes.
Adapter la pompe au fluide de procédé
Corrosivité et matériaux
Les fluides corrosifs peuvent attaquer les corps de pompe, les roues, les garnitures, les presse-étoupes et les conduites.
Les matériaux de construction doivent être sélectionnés en fonction de la composition du fluide, de sa concentration, de sa température et de la durée d’exposition. Le fonctionnement intermittent est également important, car du fluide résiduel peut rester dans la pompe pendant les périodes d’arrêt et accroître la corrosion interne.
Solides en suspension
Les solides en suspension peuvent provoquer de l’érosion, des obstructions, des dommages aux garnitures et une usure accélérée.
La conception doit tenir compte de la concentration en solides, de la taille des particules, de leur comportement à la décantation et des jeux internes requis. Une pompe sélectionnée uniquement à partir des données de débit et de hauteur peut tomber en panne lorsque le fluide de procédé contient des solides.
Pression de vapeur et température
La pression de vapeur détermine le risque de vaporisation ou de cavitation à l’aspiration de la pompe.
Les variations de température peuvent modifier simultanément la viscosité, la masse volumique, la pression de vapeur et la compatibilité des matériaux. Ces propriétés doivent être évaluées dans les conditions de démarrage à froid, de fonctionnement normal et de température maximale.
Comprendre les compromis
Surdimensionnement de la pompe
Une pompe surdimensionnée peut produire un débit excessif, de fortes pertes de pression dans les vannes, un fonctionnement inefficace et une régulation difficile à faible débit.
L’étranglement peut forcer la pompe à fonctionner à un point indésirable et provoquer une recirculation, des vibrations ou une surchauffe. La pompe doit être sélectionnée en fonction de la courbe réelle du système et de la plage de fonctionnement, plutôt que de choisir simplement l’unité disponible la plus grande.
Sous-dimensionnement de la pompe
Une pompe sous-dimensionnée peut ne pas atteindre le débit requis lorsque les pertes par frottement ou les exigences de pression du procédé augmentent.
Cela est particulièrement probable lorsque les pertes de pression dans les vannes de régulation, les échangeurs de chaleur, les lits garnis ou les filtres sont omises du calcul. Le système doit être vérifié dans la condition de fonctionnement crédible la plus exigeante.
Choix du diamètre des conduites
Une petite conduite réduit les coûts d’investissement, mais augmente la vitesse et les pertes de charge par frottement. Une grande conduite réduit les pertes de pompage, mais augmente le coût des équipements, l’encombrement et potentiellement le volume de fluide de l’installation pilote.
Le diamètre choisi doit équilibrer le coût d’investissement, la consommation d’énergie, les performances de régulation, le risque d’érosion et les objectifs pédagogiques ou de recherche de l’installation.
Ignorer la courbe du système
Les caractéristiques des catalogues de pompes indiquent souvent une hauteur ou un débit sans représenter la relation complète entre ces deux grandeurs.
La pompe sélectionnée doit être vérifiée par rapport à la courbe calculée du système. Le point de fonctionnement réel correspond à l’intersection de la courbe de la pompe et de la courbe du système, et peut différer sensiblement du service nominal indiqué au catalogue.
Faire le bon choix selon votre objectif
Les priorités suivantes permettent d’organiser le calcul de dimensionnement en fonction de l’objectif de l’installation pilote :
- Si votre priorité est la circulation fiable du procédé : définissez les débits normal, minimal et maximal, calculez la hauteur manométrique totale complète et vérifiez le point de fonctionnement ainsi que la marge de NPSH sur toute la plage.
- Si votre priorité est le dosage précis d’une alimentation ou d’un réactif : privilégiez les performances stables à faible débit, la viscosité du fluide, les pulsations, la régulabilité et l’adéquation d’une pompe volumétrique ou à membrane.
- Si votre priorité est le fonctionnement haute pression : incluez les différences de pression entre les réservoirs, les pertes de pression des équipements, la masse volumique du fluide, la puissance à l’arbre, les caractéristiques mécaniques et une analyse complète des conditions d’aspiration.
- Si votre priorité est l’enseignement de la dynamique des fluides : instrumentez le débit, la pression, la pression différentielle, la vitesse et la puissance du moteur afin que les utilisateurs puissent comparer les pertes de charge théoriques, les courbes de pompe, les pertes dans les vannes et la puissance mesurée.
- Si votre priorité concerne un service corrosif ou chargé en solides : évaluez les matériaux de construction, le choix des garnitures, les jeux internes, la gestion des solides, la température et la corrosion pendant le fonctionnement comme pendant les périodes d’arrêt.
Une spécification fiable de pompe pour installation pilote relie le débit, la hauteur manométrique, le comportement du fluide, les conditions d’aspiration, la puissance et les exigences de régulation au sein d’une base de conception hydraulique complète.
Tableau récapitulatif :
| Paramètre | Éléments à évaluer | Importance |
|---|---|---|
| Débit | Débits volumétriques minimal, normal et maximal ; débit massique | Définit la capacité de la pompe, la vitesse dans les conduites et la régulabilité |
| Hauteur manométrique totale | Élévation, différence de pression entre les réservoirs, frottement dans les conduites, vannes et pertes des équipements | Détermine la hauteur requise par la pompe et la courbe du système |
| Propriétés du fluide | Masse volumique, viscosité, pression de vapeur, température, corrosivité et solides | Influencent le frottement, la puissance, le risque de cavitation, le type de pompe et les matériaux |
| Conditions d’aspiration | Pression à la source, niveau de liquide, pertes dans la conduite d’aspiration et marge de NPSH | Évitent la cavitation, l’écoulement instable et la perte de performances |
| Pompe et entraînement | Courbe de pompe, rendement, puissance à l’arbre, vitesse et plage de fonctionnement | Confirme que la pompe atteint son point de fonctionnement de manière efficace et fiable |
| Stratégie de régulation | Vitesse variable, étranglement par vanne, dérivation ou dosage | Garantit un fonctionnement stable dans des conditions changeantes de l’installation pilote |
| Priorités de conception | Circulation, dosage, haute pression, enseignement, service corrosif ou chargé en solides | Aligne la sélection de la pompe sur les objectifs du procédé de l’installation pilote |
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