La conception d`un procédé chimique Introduction La transformation

Transcription

La conception d’un procédé chimique
Introduction
La transformation de réactifs en produits s’effectue généralement en plusieurs
étapes.
Le procédé peut être divisé en plusieurs étapes intermédiaires de transformation. On utilise alors différents équipements de production : réacteur, séparateur,
échangeur de chaleur, pompe, mélangeur...
L’interconnexion de ces étapes permettra d’obtenir le produit fini.
La synthèse d’un procédé chimique se fait alors en deux étapes :
1- sélection les étapes de la transformation,
2- interconnexion de ces étapes pour former le procédé.
Le schéma de procédé (flowsheet) représente graphiquement cette synthèse.
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Introduction
Le schéma de procédé permet de construire un modèle mathématique.
La résolution de ce modèle permet de prédire le comportement du procédé.
La simulation du comportement du procédé servira à ajuster différents paramètres opératoires avant la construction.
Le simulateur prédira :
1- les débits, compositions, températures et pressions des différentes
lignes;
2- le comportement et les dimensions des unités de production;
3- la consommation énergétique du procédé...
Ceci permet au concepteur d’évaluer la performance de son concept:
1- performance économique (critère important),
2- performance environnementale,
3- santé et sécurité,
4- facilité d’opération (démarrage et arrêt),
5- flexibilité d’opération...
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Introduction
L’évaluation des performances conduit aux changements dans le procédé dans
le but d’améliorer ses performances.
Certains changements entraîneront la synthèse de structures alternatives.
Nous parlons alors d’optimisation structurelle du procédé.
L’optimisation des paramètres se fait sans changer la structure du procédé.
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Le procédé complet
Le procédé suivant transforme des réactifs en un ou plusieurs produits.
Le cœur de ce procédé est le réacteur où la réaction chimique aura lieu
(transformation des réactifs).
Généralement, la transformation est incomplète. On retrouve des réactifs avec
les produits.
On isole le ou les produits en les séparant des réactifs non réagis (étape de
séparation).
Les produits sont retirés du procédé et les réactifs non réagis sont recirculés
à l’alimentation principale.
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Plusieurs techniques de recirculation existent qui seront issues d’une structure
différente du procédé. Il faut choisir celle qui correspond le mieux au réacteur
étudié.
Tous les échangeurs de chaleur sont alimentés par des sources extérieures au
procédé. L’efficacité énergétique du procédé est faible. L’intégration thermique
du procédé permet d’augmenter l’efficacité de ce dernier. Plusieurs alternatives
seront développées et évaluées.
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Les difficultés de la conception d’un procédé chimique se résument en deux
questions:
1- suis-je capable d’identifier toutes les strutures possibles?
2- suis-je capable d’optimiser toutes ces strutures pour les comparer
adéquatement?
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Le modèle «oignon»
Le développement d’une structure de procédé se fait de la façon suivante :
Étape 1. Réacteur
Si le procédé requiert un réacteur, on commence la conception par celui-ci. On
développe la structure voisine du réacteur :
1- réacteur,
2- lignes de procédé transportant les réactifs vers le réacteur.
3- lignes de procédé transportant les produits issus du réacteur.
Si la réaction chimique est incomplète (ce qui est généralement le cas), il faut
prévoir une étape de séparation des réactifs non réagis des produits.
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Étape 2. Séparation et recirculation de matière
La conception de la section de séparation suit la conception du réacteur puisque
celui-ci dictera les grande lignes de l’étape de séparation. La stratégie de
recirculation des réactifs non réagis sera également élaborée à cette étape.
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Étape 3. Le réseau d’échangeurs de chaleur
Lorsque les étapes 1 et 2 sont complétées, nous avons une bonne image
de la consommation énergétique du procédé (chauffage, refroidissement, puissance…). L’intégration thermique du procédé a pour objectif de maximiser les
échanges thermiques à l’intérieur du procédé.
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Étape 4. Les services
Lorsque l’intégration thermique (étape 3) n’est pas parfaite, il faut utiliser des
sources d’énergie externes au procédé (vapeur, eau de refoirdissement, air…).
Ces services à la production seront évaluée à cette étape.
Rése
au
Sépara
aleur
ch
lation
cu
Cette façon de faire est appelée technique de l’oignon et est représentée par
la figure suivante.
Services
angeurs
h
c
d
d'é + Rec e
n
ir
tio
Réacteur
Note : Pour les procédés ne nécessitant pas de réacteur (procédé de raffinage
par exemple) nous commençons la conception à l’étape 2.
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La conception
Deux approches sont préconisées dans la conception de procédé chimique :
1. construction d’une structure irréductible,
2. création et optimisation d’une structure réductible.
1. Construction d’une structure irréductible
Une approche qui suit la logique de la technique de l’oignon.
Le concepteur prend des décisions à chaque étapes de la conception en
fonction des informations disponibles à ce moment-là.
Cette technique se base sur une suite de meilleures décisions locales. Les
équipements sont ajoutés s’ils sont justifiés économiquement sur la base de
l’information disponible à ce moment-là.
On maintient la structure irréductible en n’incluant pas les équipements qui
pourraient être redondants techniquement ou économiquement.
Avantage :
Le concepteur contrôle les décisions de base et interagit avec le développement
de la structure.
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La conception
Désavantages :
Chaque étape nécessite la prise de décisions qui pourraient avoir un impact
sur le procédé final. Il faut donc construire plusieurs scénarios optimisés pour
déterminer le meilleur. Le nombre de scénios peut devenir assez important.
Étape 1
Étape 2
Étape 3
Étape 4
L’évaluation de plusieurs scénarios ne garantit pas le meilleur design possible.
Les interactions croisées entre les différents scénarios ne sont généralement
pas prises en compte.
L’effort fait pour maintenir la structure irréductible et simple peut éliminer des
solutions où l’interaction entre des pièces d’équipement serait bénifique pour
le procédé.
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La conception
2. Création et optimisation d’une structure réductible
Dans cette approche, le concepteur construit une superstructure (ou hyperstructure) dans laquelle on retrouve toutes les possibilités réalisables. Les différentes
pièces d’équipement possibles s’y retrouvent ainsi que toutes les interconnexions envisageables. Des structures redondantes sont incluses dans le diagramme du procédé
étudié.
La figure suivante
présente la superstructure du procédé
de fabrication du
benzène. Toutes les
possibilités techniques sont incluses
dans le diagramme.
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La conception
La réduction du
schéma précédent
Le procédé est converti en modèle mathématique qui comporte des équations
et des variables de design. Les variables de design représentent les débits,
composition, dimensions... et les coûts et profits associés aux pièces d’équipement.
L’utilisation d’un algorithme d’optimisation permet de maximiser le profit tout en
minimisant les coûts.
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La conception
Difficultés:
La technique ne fonctionne pas si le concept optimum n’est pas inclus dans la
structure développée.
La connaissance économique des unités de production est essentielle pour
obtenir une solution fiable.
Désavantages:
L’ingénieur ne participe pas à la décision. Dans ce cas, les considérations de
sécurité, d’environnement ... doivent être intégrées dans le modèle mathématique.
Avantages:
On considère plusieurs concepts simultanément.
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La recirculation
La recirculation est un élément important dans l’élaboration d’un procédé.
1. La conversion du réacteur
Il est très rare qu’une réaction chimique soit complète. Généralement, les
conversions sont de l’ordre de 90 à 95%. La ligne de procédé sortant du
réacteur contiendra des produits et des réactifs non réagis.
Les produits doivent être séparés. Les réactifs sont retournés à l’alimentation
du réacteur par une recirculation. On préfère recirculer les réactifs non réagis
car ils ont une valeur économique et leur renvoi dans l’environnement n’est
pas acceptable.
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La recirculation
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La recirculation
2. La formation de sous-produit
Il arrive que nous ayons une réaction secondaire menant à la formation d’un
ou plusieurs sous-produits. Dans ce cas, nous devons ajouter une étape de
séparation supplémentaire.
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La recirculation
Pour diminuer les investissements reliés à l’installation d’une deuxième étape de
séparation, nous pouvons purger une partie des sous-produits et des réactifs
non réagis.
Les réactifs et les sous-produits doivent avoir une volatilité (séparation-distillation) voisine.
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La recirculation
La recirculation fait augmenter la concentration en sous-produits dans l’alimentation du réacteur. Le débit plus important augmente les dimensions de celui-ci.
De plus, une trop grande quantité de sous-produits pourrait nuire à la réaction
chimique en détériorant l’efficacité du catalyseur, par exemple.
La purge entraîne la perte de réactifs non réagis. Il sera peut-être nécessaire de
prévoir un traitement de ces réactifs et sous-produits avant d’en disposer.
3. L’utilisation des sous-produits pour accroître la sélectivité
Lorsque nous sommes en présence de plusieurs réactions chimiques, il arrive
que le sous-produit soit formé par une réaction réversible. Nous pouvons utiliser
les deux derniers schémas.
réactifs
réactifs
produits
sous-produits
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La recirculation
Puisque la réaction est réversible, nous pouvons recirculer le sous-produit pour
inhiber la formation du sous-produit. Dans le schéma suivant, la réaction de
formation est complètement inhibée et donc stoppée.
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La recirculation
Dans le procédé suivant, la formation de sous-produit est réduite et il est retiré
du procédé pour maintenir l’équilibre (concentration optimum).
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La recirculation
4. Recirculation de contaminants
Il est possible que l’alimentation d’un réacteur contienne des contaminants qui
pourraient empoisonner le catalyseur ou corroder les conduites, par exemple.
Il faut éliminer ces contaminants en utilisant une étape de séparation supplémentaire.
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La recirculation
5. Impureté dans l’alimentation
Les impuretés peuvent être éliminées avant ou après le réacteur. On les élimine
avant lorsqu’elles peuvent empoisonner le catalyseur.
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La recirculation
Lorsque les impuretés n’ont pas d’effet sur le réacteur, on peut utiliser les
configurations suivantes.
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La recirculation
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La recirculation
On peut éliminer une étape de séparation en plaçant une purge. Il faut cependant perdre des réactifs non réagis. Il faut ajuster le pourcentage de purge pour
maintenir le plus de réactif non réagis dans le procédé. Il faut faire attention
à la quantité d’impuretés qui recirculera dans le procédé. Plus le débit de
recirculation est grand, plus la dimension du réacteur sera grande.
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La recirculation
6. Solvant et diluant
On peut abaisser la pression partielle des réactifs dans la phase vapeur en
introduisant de la vapeur dans l’alimentation. Ce diluant ou solvant peut être
recirculé selon le schéma suivant.
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La recirculation
7. Charge thermique
On peut introduire un composé inerte qui pourra augmenter la capacité thermique des réactifs dans le réacteur. Ceci permettra, dans le cas de réactions
exothermiques de diminuer l’élévation de température et, dans le cas endothermique, de diminuer la chute de température.
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La recirculation
Au lieu d’utiliser un nouveau composé, on peut recirculer un composé existant
dans le procédé comme le produit de la réaction. Ceci simplifie le schéma de
procédé.
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La recirculation
8. Conclusion
Il existe plusieurs façons de recirculer les réactifs dans un procédé.
Il faut cependant faire attention à l’étape de séparation. Il faut éviter d’avoir
à séparer deux composés ayant une volatilité voisine. Le choix du type de
recirculation en dépendra.
De plus, il faut éviter les séparations et les mélanges inutiles.
Dans tous les cas de recirculation, il faudra augmenter la pression de la ligne
à recirculer. L’investissement et les coûts pour augmenter la pression d’un
liquide (pompe) sont moins importants que pour augmenter la pression d’un
gaz (compresseur).
On recommande de recirculer le plus possible en phase liquide.
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La conception d`un procédé chimique Introduction La transformation

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