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Exergetic balances and analysis in a Process Simulator: A way to enhance Process Energy Integration

Ghannadzadeh, Ali (2013) Exergetic balances and analysis in a Process Simulator: A way to enhance Process Energy Integration. (Approche combinant analyse pinch, analyse exergétique et optimisation pour la minimisation de la consommation énergétique dans des industries de procédés.)

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Résumé

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de forte volatilité du prix des énergies, les investissements en efficacité énergétique des sites industriels résultent souvent d'un processus de décision complexe. L'industriel doit pouvoir disposer d'outils lui permettant d'élaborer les solutions d'efficacité énergétique envisageables sur son site. Outre la recherche des sources d'énergie alternatives, que sont les énergies renouvelables, qui n'atteindront leur maturité technologique que sur le long terme, une solution à court terme consiste plutôt à favoriser une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Pour relever ce défi, l'analyse exergétique apparaît comme un outil très efficace, car elle permet d'identifier précisément les sources d'inefficacité d'un procédé donné et de proposer des solutions technologiques visant à y remédier. Malheureusement, contrairement au concept d'enthalpie traditionnellement utilisé pour réaliser des bilans énergétiques sur un procédé, ce concept demeure assez difficile à appréhender et n'est que très rarement implémenté dans les simulateurs de procédés. Les travaux présentés dans ce document visent d'abordà rendre l'analyse exergétique plus accessible en l'intégrant dans un simulateur de procédés, puis à démontrer la pertinence d'une telle analyse pour l'amélioration de l'efficacité des procédés et des utilités associées. Dans un premier temps, une formulation générique et indépendante du choix du modèle thermodynamique pour l'évaluation de l'exergie des flux de matière est introduite. Une méthode de calcul des différentes contributions de l'exergie (contributions thermique, mécanique et chimique) est développée et un nouveau concept visant à évaluer les potentiels de récupérations thermique et mécanique maximales est introduit. Par la suite, la notion de bilan exergétique sur un système donné (opération unitaire ou procédé complet) est introduite. Pour l'évaluation des exergies des flux de travail et de chaleur, deux cas de figure sont étudiés : le cas de l'amélioration de procédés existants (« retrofitting ») et le cas de la conception de nouveaux procédés (« design»). Dans le cas de l'amélioration de procédés existants et afin d'aider au diagnostic énergétique de ces systèmes, des tableaux synthétiques proposant des solutions technologiques visant à réduire les irréversibilités ou les pertes exergétiques externes du procédé sont proposés. Par ailleurs, après une analyse comparative des différentes formulations d'efficacité exergétiques existant dans la littérature, la notion d'efficacité intrinsèque est retenue comme le critère le plus adapté pour une optimisation de l'efficacité exergétique d'un procédé complexe. Enfin, une nouvelle méthodologie structurée dédiée à l'analyse exergétique et permettant de pallier les lacunes des méthodologies existantes est présentée. L'ensemble de ces concepts est implémenté dans un premier prototype logiciel écrit en langage VBScript et intégré au simulateur de procédés ProSimPlus. Enfin, l'efficacité de la procédure est démontrée à travers une étude de cas portant sur la production de gaz naturel. ABSTRACT : Energy issue is becoming increasingly crucial for industrial sector that consumes large quantities of utilities. Although the scientific world should continue to look for alternate sources of energy, a short-term solution would rather rely on a more rational use of energy. To face this challenge, exergy analysis appears a very efficient tool as it would enable to increase efficiency and reduce environmental impact of industrial processes. Unfortunately, contrary to enthalpy, this concept is rather difficult to handle and exergy analysis is rarely implemented in process simulators. In this context, the major objective of the study presented in this dissertation is to make exergy analysis more understandable by coupling it with the use of a process simulator and also to demonstrate the value of this approach for analysis of energy efficiency of processes and utilities. This dissertation presents a generic formulation for exergy of material streams that does not depend on the thermodynamic model, so that it could be easily implemented in a process simulator. The different contributions of exergy (thermal, mechanical and chemical) have been developed and new concept such as the maximal thermal and mechanical recovery potential has been introduced in order to pave the way for exergy analysis. The formulations of exergy balances on a real process are presented. For that purpose, the formulation of exergy for heat and work flux is developed. The formulation of exergy balances has been introduced for both design and retrofit situations and then a set of hints for the interpretation of this exergy balance has been given. Synthetic tables providing solutions to reduce irreversibilities and external losses have been introduced. Moreover, different kinds of exergy efficiency have been defined to provide a new criterion for the optimization of the process. A new structured methodology for exergy analysis is developed to overcome the limitations of existing methodologies. To make exergy analysis easier for any engineer, a first prototype has been developed to implement the calculation of exergy for the material streams in a process flowsheet modeled in ProSimPlus. Thanks to this prototype, exergy of each material stream appears in a synthesis table next to the traditional thermodynamic values such as the enthalpy. Finally, a case study on Natural Gas Liquids recovery process is presented to demonstrate the benefit of the exergy analysis for the improvement of existing processes. First, the exergy analysis permits to make an energy diagnosis of the process: it pinpoints the inefficiencies of the process which relies not only on irreversibilities but also on external exergy losses. Then, based upon respective values of internal and external losses and also thanks to the breaking down of exergy into it thermal, mechanical and chemical contributions, some technological solutions are suggested to propose a retrofit process. Finally, the exergy efficiency criteria enable to optimize the operating parameters of the process in order to improve its energy efficiency.

Département ou laboratoire:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Joulia, Xavier et Thery, Raphaële
Mots-clés:Analyse exergétique - Amélioration de procédés existants - Conception des procédés - Intégration de procédés - Simulateur de procédés. KEYWORDS : Exergy analysis - Process design - Process integration - Process simulator
Sujets:Génie chimique > Modélisation, simulation de procédés
Génie des procédés > Génie des procédés et environnement
Déposé le:03 Octobre 2013

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