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™ De la thermodynamique
sur le terrain de l’Ingénierie
présentation générale du métier d’Axens
profil des ingénieurs Process débutants
étude de cas supercritiques avec Prosim
1
Markets Served & Ambitions
Process
ProcessLicensor
Licensor
Catalysts
Catalysts&&Adsorbents
AdsorbentsManufacturer
Manufacturer
Advanced
AdvancedServices
ServicesProvider
Provider
Markets
Refining
Refining
Petrochemicals
Petrochemicals
Chemicals
Chemicals
Alternative
AlternativeFuels
Fuels
Gas
GasProcessing
Processing
Ambitions
• Benchmark company for Clean Fuels and Aromatics production,
• Leader in purification for olefins/polyolefins, syngas, refining and
petrochemical, and natural gas streams
• Innovator in the biodiesel market and syngas to liquids technology.
Journée SFGP / Lille 2011
J.F. CHAPAT
2
Process Licensor for Oil & Gas
Products
Technologies
Services
Outside Axens perimeter
Catalyst Management
First
Load
Catalysts
License
Technical
Consulting
Basic
Engineering
Detailed
Engineering
Construction
Journée SFGP / Lille 2011
Technical
Service
Advanced
Control
Simulators
Feasibility Tender and
Study
technology
choice
Replacement
Load
Catalysts
Project Achievement
Revamping
J.F. CHAPAT
Unit on-stream
Revamping
3
Global Network
Moscow
Brockville
Willow Island
Calvert City
Houston
Solaize
Salindres
Princeton
Beijing
Savannah
Tokyo
Bahrain New Delhi
Axens Headquaters - Rueil-Malmaison (France)
Offices & Tech Service
Manufacturing Sites
Agencies
4
Business and Development
Marketing & Technology
•
•
•
•
Detailed understanding of the market
Development of new Processes
Own catalyst development group
A long-term contract with IFP-EN
Performances Program
• Feasibility studies
• Advanced Control
Catalysts & Adsorbents
•
•
Alliances with key industrial partners
Historical Plant in Salindres, 4 sites in North America
Process & Licensing
•
•
Engineering Department in Rueil-Malmaison, France
Process Design in Princeton, NJ, USA
Journée SFGP / Lille 2011
J.F. CHAPAT
5
Key Success Factors
High level recruitment
•
•
•
•
ENSIC / ENSIACET
ENSI / UTC
ENSAM
Ecoles Centrale & Polytechnique
Enhanced Knowledge
•
•
IFP School (ENSPM)
IFP Training (Employees’ continuous training)
IFP Energies nouvelles
R&D Center (Lyon, France)
Skills Improvement
•
•
Start-up and Inspection on site
Project Management in Process Design
¾ What
are the concerns of Engineering Department ?
Journée SFGP / Lille 2011
J.F. CHAPAT
6
Process Design Package
Process Book delivery
•
•
•
•
•
Heat and Material Balances
Process Flow Diagram
Piping and Instrumentation Diagram
Material and Mechanical Diagram
Process Datasheets with Specifications
Process Simulation and Thermodynamic
•
•
•
•
Static simulation software : Proii, Prosimplus, Aspentech
in-house software for design : AllinOne, Dimprop, Estime
Choice of the right Thermodynamic model for simulation
Studies with IFPEN (New Processes Development Project)
Journée SFGP / Lille 2011
J.F. CHAPAT
7
Case study
¾ Implementation of Prosimplus versus Pro ii
•
Comparison between the two simulation softwares
•
Master simulations to be compared for 12 Processes
•
Focus on physical properties, mixing rules, equations
¾ Process Simulation and Thermodynamic rules ?
¾Supercritical conditions approach ?
¾ Critical Point (Pc and Tc) use for Process Design ?
Journée SFGP / Lille 2011
J.F. CHAPAT
8
Détermination des
Coordonnées Critiques
Présentation 28 avril 2009
1
Contexte
Coordonnées Critiques données dans les feuilles de
spécifications :
Bilans Matière et Thermique
Echangeurs
Vannes de contrôle
Soupapes
…
Présentation 28 avril 2009
2
Définitions
Température Critique : température au dessus
de laquelle un gaz ne peut pas se liquéfier
Pression Critique : pression minimum suffisante
pour liquéfier un gaz à sa température critique
Présentation 28 avril 2009
3
Définitions : Corps Purs
Supercritique
Courbe de fusion
C
PC
Point critique
Liquide
Pression
Solide
Gaz
Courbe de sublimation
1
Courbe de vaporisation
2
Point triple
Température
Présentation 28 avril 2009
TC
4
Définitions : Corps Purs
Quelques valeurs :
TC (°C) PC (bar)
Présentation 28 avril 2009
H2
-240.0
13.1
O2
-118.6
50.4
N2
-147.0
34.0
Cl2
144.0
77.1
H2S
100.4
89.6
NH3
132.5
112.8
CO2
31.1
73.8
CH4
-82.6
46.0
5
Définitions : Corps Purs
Coordonnées critiques des paraffines : corps purs
60
900
800
50
700
600
30
400
300
Pc (bar)
Pc
500
Tc (K)
40
Tc
20
200
10
100
0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Mw (kg/kmol)
Présentation 28 avril 2009
6
Définitions : Mélanges
(b)
(a)
C
(c)
PMAX
PMAX
LIQUIDE
LIQUIDE C
TMAX
TMAX
LIQUIDE
P
P
P
VAPEUR
C
BPL
VAPEUR
BPL
DPL
VAPEUR
DPL
T
T
T
(d)
BPL = bubble-point line
PMAX
C
LIQUIDE
TMAX
P
DPL = dew-point line
C = critical point
BPL
DPL
VAPEUR
T
Présentation 28 avril 2009
Les lignes en pointillé correspondent à des
fractions vapeur massiques constantes
7
Définitions : Mélanges
Coordonnées critiques des paraffines : mélange binaire
250
900
800
200
700
600
Tc corps purs
Tc mélange
Pc corps purs
400
Pc mélange
100
Pc (bar)
Tc (K)
500
150
300
200
50
100
0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Mw (kg/kmol)
Présentation 28 avril 2009
8
Audit des Pratiques
Méthode de Kay
Enveloppe de phase (SRK ou PR)
Composition globale (avec H2 ou sans H2 ou sans
incondensables)
Composition liquide (avec H2 ou sans H2 ou sans
incondensables)
Variables suivant :
Procédé
Modèle thermodynamique utilisé
Equipement dimensionné
Présentation 28 avril 2009
9
Audit des Pratiques
Méthode de Kay : coordonnées pseudo-critiques
TC = ∑ ziTCi
i
PC = ∑ zi PCi
i
zi : fraction molaire du constituant i
Valeurs données par Pro/II et ProSim dans les fichiers d’extraction AIO
pour l’édition des bilans matière et énergie
Présentation 28 avril 2009
10
Audit des Pratiques
Coordonnées pseudo-critiques des paraffines : Méthode de Kay
250
900
800
200
700
600
Tc corps purs
Tc mélange
Tc Kay
400
Pc corps purs
100
Pc (bar)
Tc (K)
500
150
Pc mélange
300
Pc Kay
200
50
100
0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Mw (kg/kmol)
Présentation 28 avril 2009
11
Thermodynamique
Modèles par équation d’état : SRK, PR, …
Calcul des coordonnées critiques par détermination
de l’enveloppe de phase
Modèle par coefficients d’activités : GS, Amine,
Sour Water, …
Calcul des coordonnées critiques impossible
Pro/II : « the kvalue method must be srk, srkh, srkm, srkp,
srks, pr, prh, prm, or prp for the new phase envelope »
ProSim : « La propriété n'a pas pu être calculée. (Le
modèle thermo. est peut être mal adapté) »
Présentation 28 avril 2009
12
Thermodynamique
Construction d’une enveloppe de phase : exemple (entrée SHU Prime G)
60
60
50
50
L
40
40
)r
a
b
(
n 30
o
is
s
e
r
P
30
GS
SRK
20
20
Point Critique SRK
L-V
V
10
10
0
0
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Température (K)
Présentation 28 avril 2009
13
Littérature
Etude de mélanges binaires de paraffines
Etude du système CO2 - Paraffines
Détermination des coordonnées critiques par le modèle
thermodynamique PR par l’enveloppe de phase
Présentation 28 avril 2009
14
Littérature
Coordonnées critiques (modèle PR) : système Ethane - Paraffines
120
120
C1-C2
110
110
C2-C3
C2-C4
100
100
C2-C5
90
90
C2-C6
PC(bar)
C2-C7
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
100
200
300
400
500
600
700
TC(K)
Présentation 28 avril 2009
15
Littérature
Coordonnées critiques (modèle PR) : système CO2 - Paraffines
200
200
C1-CO2
C2-CO2
180
180
C3-CO2
C4-CO2
160
160
C5-CO2
PC(bar)
C10-CO2
140
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
100
200
300
400
500
600
700
TC(K)
Présentation 28 avril 2009
16
Comparaison des méthodes
Construction d’enveloppes de phase : modèle
thermodynamique SRK
Calcul par différentes méthodes : Kay, Total, Total sans H2,
Liquide, Liquide sans H2
Exemple d’écarts avec Hydrocarbures + H2 :
Pc de 19 à 43 bars
Tc de 170 à 600 K
Présentation 28 avril 2009
17
Comparaison des méthodes
Construction d’enveloppes de phase : modèle SRK
70
70
Total
Total sans H2
60
60
Liquide sans H2
Liquide
Coordonnées critiques
50
50
Pression (bar)
L
40
40
30
30
Kay
20
20
L-V
V
10
10
0
0
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Température (K)
Présentation 28 avril 2009
18
Comparaison Pro/II - ProSim
Détermination des coordonnées critiques par construction
d’enveloppes de phase : modèle thermodynamique SRK
Pro/II : Module « phase enveloppe »
ProSim : Fonction Excel Simulis
Prise en compte de 20 points par les différentes méthodes
décrites précédemment (Kay, Total, Total sans H2, Liquide,
Liquide sans H2)
Présentation 28 avril 2009
Ecart
moyen
Ecart
max
TC (K)
0.70
1.31
PC (bars)
0.57
1.52
19
Comparaison Pro/II - ProSim
TCProSim (K)
Comparaison des Températures Critiques
600
600
550
550
500
500
450
450
400
400
350
350
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
TCPro/ II (K)
Présentation 28 avril 2009
20
Comparaison Pro/II - ProSim
PCProSim (bar)
Comparaison des Pressions Critiques
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
10
20
30
40
50
60
70
PCPro/ II (bar)
Présentation 28 avril 2009
21
Performance des échangeurs
Pression critique permet de déterminer une courbe de flux
d’ébullition en fonction de la ΔT à la paroi chauffante
Détermination du régime d’ébullition : convectif, nucléé, film vapeur
Performances de l’échangeur dépendent des conditions de
fonctionnement
Pression critique « vraie » à considérer
Demander aux fournisseurs de logiciels quelles coordonnées
critiques sont utilisées dans les corrélations
Présentation 28 avril 2009
22
Conclusions
Connaître l’utilisation dans les corrélations de dimensionnement
(vannes, soupapes,…)
H & M B par méthode de Kay
Coordonnées critiques vraies pour les feuilles de spécifications
d’équipements (cohérence avec H & M B !!!)
Modèle SRK ou PR : enveloppe de phase
Cas particulier H2 (et H2S, CO2, …) : modèle GS :
-> approximation (SRK ou ?)
Présentation 28 avril 2009
23