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Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 1 An

Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 1 Analyse des Procédés par la Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Méthode du Pincement (Pinch (Pinch Analysis Analysis) Réalisé par : Dr. A. Ziouchi Réalisé par : Dr. A. Ziouchi Direction IAP / Département ENR Objectifs du cours Objectifs du cours - Maitriser les principes fondamentaux de la méthode du pincement (Pinch technology) - Déterminer la cible de consommation minimale d’énergie - Identifier le coût minimum en capitaux pour atteindre la cible de consommation en minimisant l’utilisation des utilités les plus coûteuses par l’optimisation du transfert de chaleur entre les courants du procédé. - Prévoir une conception optimale de réseau d’échangeurs de chaleur 2 Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 2 Sommaire Sommaire 3 1. Introduction 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Notion de Récupération de Chaleur Principes de Base Optimisation des Besoins en Énergie Courbes Composites Point de Pincement Courbe ‘‘Grand Composite’’ (CGC) Extraction des Données Choix de Tmin 3. Exemple de Procédé à Quatre Courants Résolution Algébrique par la Méthode dite «Problem Table» 4. Détermination Simultanée des Valeurs Cibles Énergétiques & Économiques : Supertargeting 5. Conception du Réseau d’Échangeurs de Chaleur Représentation du MER HEN 6. Exemple d’Application 7. Références Bibliographiques 8. Glossaire 1. 1. Introduction Introduction 4 - En Suisse, le secteur industriel absorbe environ un cinquième de la consommation d'énergie. - Environ 55 % de cette part reviennent à la catégorie chaleur industrielle. Dans de nombreuses industries (pétrolière, chimique, alimentaire, …), où la proportion de chaleur industrielle est relativement élevée, réduire les besoins énergétiques et les émissions de CO2 est d'un intérêt capital. - Le défi imposé à ces industries consiste donc non seulement à présenter une rentabilité maximale, mais également à consommer le moins possible d’énergies et de ressources, et générer très peu d'émissions. - On recours habituellement, aux méthodes classiques d'optimisation énergétique. Mais, ces dernières présentent l’inconvénient de se concentrer uniquement sur l'amélioration de l'efficacité des équipements individuels. Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 3 1. 1. Introduction … Introduction … 5 - Actuellement, on opte de plus en plus vers des méthodes intégrales et systémiques qui sont en fait une combinaison optimale des flux thermiques du système global et qui apportent généralement un gain en efficacité énergétique appréciable. -De telles méthodes sont connues sous la terminologie intégration des procédés et L’Analyse Pinch en constitue un outil précieux. - L’intérêt particulier dont bénéficie cette méthode est certainement justifié par le fait qu’elle permet non seulement d’économiser les ressources disponibles mais surtout de minimiser les rejets dans l’environnement (rejets thermiques, gaz à effet de serre, effluents…). - En fait, l’Analyse Pinch ou l’analyse de Pincement consiste en une méthodologie englobant un ensemble d’approches thermodynamiques développées par des chercheurs Anglais Linnhoff et Vredeveld pour garantir l’économie d’énergie et d’eau au niveau de nouvelles conceptions de réseaux d’eau et d’échangeurs de chaleur dans les procédés industriels. 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch 6 Bien que les concepts de base de la méthode Pinch peuvent s’appliquer à un large éventail de cas pratiques, on insistera dans cette partie, beaucoup plus sur l’aspect réseaux d’échangeurs de chaleur. Notions de Courants et d’Utilités Notions de Courants et d’Utilités Courant (flux) chaud : courant susceptible d’être refroidi (Tin > Tfin). Courant (flux) froid : courant susceptible d’être chauffé (Tfin > Tin) Tin Tfin 70°C 100°C Tin Tfin 120°C 30°C Utilité : fluide extérieur utilisé pour chauffer ou refroidir un courant de procédé Utilité chaude : vapeur, eau chaude, gaz de combustion, … Utilité froide : eau de refroidissement, réfrigérant, air, … Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 4 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch 7 Notion de Récupération de Chaleur Notion de Récupération de Chaleur Souvent, les énergies liées au chauffage et au refroidissement représentent une part importante des besoins énergétiques d’une installation donnée. A ce titre, la récupération de chaleur constitue une alternative essentielle si on veut améliorer l’efficacité énergétique. La récupération de chaleur réduit les couts d’exploitation (vapeur, eau chaude, …) et est en même temps liée aux coûts d’investissement (échangeurs de chaleur). En effet, Une récupération de chaleur trop limitée entraîne des coûts d’exploitation excessifs, alors qu’à l’inverse, une récupération de chaleur trop élevée entraine des coûts d’investissement disproportionnés. L’objectif sera donc de minimiser les coûts totaux annuels des prestations énergétiques. 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch 8 Dans un procédé donné, on désire réchauffer (emploi de la vapeur d’eau) un courant froid de 40 °C à 130 °C, et refroidir (eau de refroidissement) un courant chaud de 200 °C à 50 °C. Les données du problème et les charges thermiques correspondantes (H) figurent dans le tableau ci-dessous. Hf = ṁf Cpf (Tfin – Tin)f = Cf (Tfin – Tin)f = 2.0 x (130 – 40) Hf = 180 MW Type de courant Temp. init (°C) Temp. fin (°C) C (MW/K) H (MW) froid 40 130 2.0 180 chaud 200 50 1.0 -150 Détails de calcul : Hc = ṁc Cpc (Tfin – Tin)c = Cc (Tfin – Tin)c = -1.0 x (200 – 50) Hc = - 150 MW Exemple 1 Exemple 1 Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 5 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch 9 200 °C 50 °C Type de courant Temp. init (°C) Temp. fin (°C) C (MW/K) H (MW) froid 40 130 2.0 180 chaud 200 50 1.0 - 150 130 °C 40 °C 180 MW 150 MW Échange de chaleur entre les deux courants avant intégration 30 MW Échange de chaleur entre les deux courants après intégration Échange de chaleur - vapeur d’eau (utilité chaude) !  Bilan de l’opération : - eau de refroidissement (utilité froide)!  gain de 100 % gain de 83 % 200 °C 50 °C 130 °C 40 °C 150 MW 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … 10 A la sortie du réacteur, un fluide de process doit être refroidi de 150°C à 50°C. Pour les besoins de chauffage et de refroidissement du procédé ; réacteur chimique alimentation (courant froid) 20 °C 200 °C 50 °C 150 °C produit (courant chaud) fig.1 Diagramme du procédé [1] 180 kW réchauffeur - 180 kW refroidisseur Tableau 1. données du procédé [1] Exemple 2 Exemple 2 Considérons un réacteur chimique alimenté par un liquide dont la température avoisine celle de l’ambiance (20°C) et qui doit être chauffé jusqu’à 200°C (température de service du réacteur). - et un refroidisseur (à eau) intercalé sur le courant chaud absorbe 180 kW également. - un réchauffeur (à vapeur) intercalé sur le courant froid fournit 180 kW, Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 6 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … 11 Si on disposait d’un échangeur de chaleur supplémentaire, on pourrait récupérer une certaine quantité de chaleur du courant chaud et la réutiliser pour réchauffer le courant froid. fig.2 Diagramme du procédé précédent avec en plus un échangeur de chaleur réacteur chimique alimentation (courant froid) 20 °C 200 °C 50 °C 150 °C produit (courant chaud) réchauffeur refroidisseur échangeur vapeur Nous aurions ainsi réduit la consommation d’énergie car les besoins en vapeur et en eau de refroidissement pour assurer un service convenable seraient moindres (cf. fig.2). eau 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch 12 N.B. : on admet que C = 1.0 KW/K Exemple 3 Exemple 3 150 ° 150 ° 150 ° 50 ° 50 ° 50 ° 200 ° 200 ° 200 ° 300 ° 300 ° 300 ° vapeur 100 100 100 100 100 100 eau de refroidissement Surface d’échange 13.3 m2 Surface d’échange 20.4 m2 150 ° 150 ° 150 ° 50 ° 50 ° 50 ° 200 ° 200 ° 200 ° 300 ° 300 ° 300 ° 100 100 100 Analyse des Procédés par la Méthode du Pincement Dr. A. Ziouchi 10/06/2019 7 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … 13 A ce stade, on peut se demander quelle part d’énergie peut on récupérer ? ou encore quelles seraient les tailles des échangeurs de chaleur, les températures de service, le coût des investissements, …? L’analyse Pinch est bien placée pour répondre à toutes ces interrogations. En effet, elle offre la possibilité de récupérer un maximum d’énergie par le biais de l’intégration des procédés, tout en permettant une approche systémique et ciblée. 2. 2. Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … Principes Fondamentaux de la Méthode Pinch … 14 - La technologie pinch est une méthodologie systématique basée sur les principes thermodynamiques, permettant de uploads/Management/ analyse-pinch-17-20-juin-2019.pdf