Présentation de mon projet de fin d'études

Réalisépar: Nidhal Ammar
Responsableàl’ENIG:MonsieurAliSnoussi
ResponsableàAirLiquide:Monsieur Yahya Bayar
Présentéle19Septembre2015
Filière:Géniechimique&procédés
2014/2015

Description du procédé de production de CO2 Liquide
Modélisation mathématique du procédé de liquéfaction
Contribution à la résolution du problème
Conclusion / perspectives
Présentation de la problématique liée au liquéfacteur
I
II
III
IV
V
2

Circuit d’eau de refroidissement
MEA riche en CO2 ───
MEA Pauvre ───
Circuit de CO2 ───
Circuit de fréon R404A ───
Chaudière à tubes de fumée
Tour de refroidissement
Citerne de stockage de CO2 Liquide
Colonne de désorption
Colonne de lavage
Colonne d’absorption
Process de liquéfaction
Séparateur gaz/liq Compresseur
Colonne d’absorption à bulles
Rechauffeur
Les colonnes de dessiccation ( adsorption )
Colonne d’adsorption
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 1 : Combustion dans une chaudière à tubes de fumée → 10 % de CO2
3

Etape 2 : Lavage de la fumée dans une colonne d’absorption à garnissage
Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 3 : Récupération de CO2 → Absorption-Désorption par une solution de Mono-éthanol Amine (MEA)
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 4 : Compression du CO2 jusqu’à une pression de 21 bars
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 5 : L’élimination des NOx par absorption
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 6 : La dessiccation
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 7 : La désodorisation
3

Colonne de lavage
Rechauffeur
( Désodoriseur )
KMnO4
Na2CO3Na2CO3
RecPrép
HX
HX
HX
Etape 8 : La Liquéfaction : deux liquéfacteurs en série
Liquéfacteur N°1
Liquéfacteur N°2
3

 Le liquéfacteur de CO2 n’est autre qu’une machine frigorifique à
compression mais dans une version un peu plus complexe que les
machines frigorifiques ordinaire de Carnot.
 La liquéfaction de CO2 va se faire donc à travers un échange thermique
avec le fréon R404a tournant dans cette machine.
4

Les 5 éléments de la machine frigorifique :
 Un compresseur : Assurer la compression du fréon.
→ Ce compresseur subit l’injection d’une huile synthétique afin d’en
évacuer la chaleur
4

 Un condenseur : Rendre au fréon son état liquide en évacuant ainsi de la
chaleur vers l’eau de refroidissement circulant dans le côté tubes.
4

 Une vanne de détente thermostatique: produire le froid dans le fréon
suite à la baisse de sa pression par une détente isenthalpique de Joule -
Thomson
4

 Un évaporateur : Extraire une quantité de chaleur à partir du CO2 pour
l’exploiter dans la vaporisation totale du fréon.
4

 Circuit économiseur: qui assure le sous refroidissement supplémentaire
du fréon à la sortie du condenseur
4

I
II
III
IV
V
5

Le problème de cette machine est le fait qu’elle est très sensible aux
conditions de chaleur: en effet: Pendant la saison d’été et suite à la
montée de la température ambiante l’unité de liquéfaction devient
incapable de faire sortir le CO2 à la température de -25°C.
L’impossibilité de sa liquéfaction totale.
6

Interventiondel’industrielpourrendrele
fonctionnementconvenableduliquéfacteur
7

Modélisation mathématique du procédé de liquéfaction de CO2
Etude de l’influence des saisons sur la performance du procédé de liquéfaction
Proposition de solutions
1
2
A
B
Optimisation du rendement du liquéfacteur
8

I
II
III
IV
V
9

La caractérisation complète du procédé de point de vue fluide et composants.
Le calcul thermique des échangeurs par la simulation de leurs fonctionnement sous le
logiciel ASPEN Exchanger Design & Rating .
On présente dans les tableaux suivant la surface et le coefficient global d’échange pour
Le condenseur L’évaporateur secondaire
Le refroidisseur d’huile
La mise en équation du problème.
Bilan de masse
Et
Avec 𝝉 ≡ 𝒍𝒂 𝒇𝒓𝒂𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒅𝒆 𝒇𝒓é𝒐𝒏 𝒅é𝒕𝒆𝒏𝒅𝒖 𝒅𝒂𝒏𝒔 𝒍𝒆 𝒅é𝒕𝒆𝒏𝒅𝒆𝒖𝒓 𝒔𝒆𝒄𝒐𝒏𝒅𝒂𝒊𝒓𝒆 10

Bilan énergétique sur le liquéfacteur
Evaporateur du
cyclefrigorifique
Echangeur refroidisseur
oucondenseur
Vannededétente
Accumulateur ouséparateur biphasique
( liq–gaz)
Compresseur
Filtre àfréon
Filtre àhuile
Condenseur ducyclefrigorifique
( àeau)
Echangeur secondaire≡ Evaporateur secondaire
Vanne dedétente
Refroidisseur d’huile
Tourde
refroidissement
Circuit d’huile ─────
Circuit de CO2 ─────
Circuit de fréon R404A ─────
Circuit secondaire≡ Economiseur
é = é
é
’
é = ( é
VC1
VC2
VC3
VC4 VC5
VC6
VC7
é 𝒂 𝒊
𝒄𝒐
𝒄𝒐
𝒄𝒐𝒏𝒅
é𝒄𝒐
𝒆𝒇
Exemple :
Pour l’évaporateur (Volume de contrôle N°1)
Pour le compresseur (Volume de contrôle N°2)
11

Le bilan énergétique va nous fournir au total 11 équations.
12

Les équations de bilan associés aux équations de NUT nous ont donné en totalité
un système de 16 équations indépendantes.
Ecriture des équations de NUT pour les différents échangeurs de chaleur
Dans cette phase, il s’agit de faire l’analyse thermique des différents échangeurs par la méthode de
NUT : cette analyse va aboutir vers la fin à une équation qui met l’une des températures sortie de
l’échangeur en relation avec son nombre d’unité de transfert et l’une de ses températures d’entrée
Pour le condenseur :
Pour l’évaporateur secondaire :
Pour le refroidisseur d’huile :
13

Etude de la variance du problème
• Le dénombrement des inconnus : 41 inconnus
• Le dénombrement des paramètres fixés : 25 paramètres
V = 41 -25 = 16 → On a 16 degrés de liberté
On a 16 degrés de liberté
16 équations
Notre problème est bien définie
La validation du modèle mathématique développé
Résolution théorique du système d’équation pour le point de
fonctionnement du 13 Février 2015
14

Simulation du procédé de liquéfaction de CO2 sous le logiciel ASPEN Plus
dans le même point de fonctionnement choisi pour le calcul théorique
16

Simulation du procédé de liquéfaction de CO2 sous le logiciel ASPEN Plus
dans le même point de fonctionnement choisie pour le calcul théorique
30°C
22,7 bars
-14,86°C
22,7 bars
15°C
3 bars
17,47°C
3 bars
78,35°C
21 bars
26,19°C
21 bars
26,19°C
21 bars
10,4°C
8,6 bars
16,17°C
21 bars
-26,6°C
2,4 bars
-9,18°C
2,4 bars
10,7°C
8,6 bars
17

Confrontation du modèle mathématique à la simulation
Fluide Point du cycle Désignation Température
par calcul
théorique [°C]
Température par
simulation [°C]
Ecart entre les
résultats des deux
alternatives [°C]
Fréon R404a
Sortie du
compresseur
T6 79,8 78,35 1,45
Sortie du condenseur T9 26,8 26,19 0,61
Sortie du détendeur
secondaire
T12 11,4 10,4 1
Sortie principale de
l’évaporateur
secondaire
T14 14,18 16,17 -1,99
Sortie secondaire de
l’évaporateur
secondaire
T15 11,7 10,7 1
Sortie du détendeur
principal
T3 -25,9 -26,67 0,77
Sortie de
l’évaporateur
T4 -9,95 -9,18 - 0,77
CO2 Sortie de
l’évaporateur
T2 -15,4 -14,86 - 0,54
Eau Sortie du condenseur T11 17,74 17,47 0,27
Le modèle mathématique réalisé est acceptable d’où sa validation.
≤ ± 2 °C
18

I
II
III
IV
V
19

L’identification de la cause de dégradation de performance
La température de l’air ambiant ne sera plus suffisante pour refroidir l’eau dans
la tour de refroidissement, ainsi la température de l’eau va augmenter
L’eau de refroidissement n’est
plus capable de refroidir le
fréon au sein du condenseur
L’eau de refroidissement n’est
plus capable de refroidir l’huile
du compresseur
La quantité de chaleur échangée
au sein du condenseur diminue
La machine ne sera plus apte à
donner son effet frigorifique optimal
Diminution du taux de CO2 liquéfié
Le fonctionnement de ce dernier va
être perturbé à cause de
l’accumulation de chaleur excessive
20

L’identification de la cause de dégradation de performance
𝑸 𝑂𝑁𝐷
𝑊𝑎𝑡𝑡
𝑊𝑎𝑡𝑡
𝑸 𝐸𝑉𝐴𝑃
𝑊𝑎𝑡𝑡
𝑊𝑎𝑡𝑡
Etat hivernal : Tamb = 12 ° C
Etat estival : Tamb = 34 ° C
21

L’identification des limites de fonctionnement de l’installation
Le problème commence à apparaitre à partir de la température ambiante de 28°C
22

Solution 1 : L’exploitation du débit d’appoint froid avant son admission dans la
tour de refroidissement
ppt=𝑘𝑔.𝑠
Solution 2 : L’exploitation du froid dégagé par l’azote liquide dans l’évaporateur
atmosphérique
Le dimensionnement sur ASPEN Plus nous a permis de déterminer
la surface d’échange nécessaire à cette application : 13,28 m2
23

Une petite Remarque pour conclure: on constate que
la seule différence entre ce procédé et le précédant est
dans le faite que l’agent expanseur est conduit à partir
d’une cartouche externe et non pas produit dans le
milieu réactionnel donc tous les détails vus
précédemment, concernant le réacteur et le réacteur
chimique restent valables dans le 2ème procédé aussi.
Ammar Nidhal Ecole nationale des ingénieurs de Gabes

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