Présentation
Cette séance est est la deuxième partie d’un cours d’introduction à l’intégration thermique ou méthode du pincement.
Elle présente en détail un exemple d’utilisation pratique de cette méthode, en allant jusqu’à la construction du réseau d’échangeurs
Elle est complétée par deux autres séances :
- la séance IT1 présente les concepts de base de l’intégration thermique (pincement, composites, algorithme de minimisation du pincement) et les illustre par un exemple traité à la main.
- la séance IT3 est plus particulièrement consacrée à la méthode d’optimisation systémique de Thermoptim, qui est basée sur la méthode du pincement
INTEGRATION THERMIQUE
- Exercice d’application (Gourlia, 1989)
- Établir les CC à la main, puis dans Hint
- Construire le réseau d’échangeurs à la main
- Le faire avec Thermoptim
Données du problème
- Disponibilités
| Fluide 1 | 220 – 40 °C | 1 800 kW |
|---|---|---|
| Fluide 2 | 320 – 200 °C | 2 400 kW |
| Fluide 3 | 140 – 40 °C | 800 kW |
| Fluide 4 | 100 °C | 1 200 kW |
| Chaudière | 600 °C | x kW |
Données du problème
- Besoins
| Fluide 5 | 40 – 320 °C | 6 000 kW |
|---|---|---|
| Fluide 6 | 220 °C | 600 kW |
INTEGRATION THERMIQUE
- Objectif :
- 1) minimiser l’appoint (Algorithme de Minimisation du Pincement AMP)
- 2) concevoir le réseau d’échangeurs
AMP : 1) décalage des températures
-
Avant :
fluide m Cp Ts Tt H (kW/K) (°C) (°C) (kW) 1 10 40 220 1800 2 20 200 320 2400 3 8 40 140 800 4 1200 100 101 1200 5 21 40 320 6000 6 600 220 221 600 -
Après :
fluide m Cp type Tinf Tsup Δh (kW/K) (°C) (°C) (kW) 1 10 chaud 35 215 1800 2 20 chaud 195 315 2400 3 8 chaud 35 135 800 4 1200 chaud 95 96 1200 5 21 froid 45 325 6000 6 600 froid 225 226 600
AMP : 2) intervalles de température
- Δhbd = (Ti - Ti+1) (ΣmCpb - ΣmCpd) = Δhb - Δhd
| intervalle | Ti | Ti + 1 | fluides | Ti - Ti + 1 | Σ(m Cp) | Δhbd |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (°C) | (°C) | (K) | (kW) | (kW) | ||
| 1 | 325 | 315 | *5* | 10 | 21,43 | 214 |
| 2 | 315 | 226 | *5,2* | 89 | 1,43 | 127 |
| 3 | 226 | 225 | *5,2,6* | 1 | 601,43 | 601 |
| 4 | 225 | 21 | *5,2* | 10 | 1,43 | 14 |
| 5 | 215 | 195 | *5,2,1* | 20 | -8,57 | -171 |
| 6 | 195 | 135 | *5,1* | 60 | 11,43 | 686 |
| 7 | 135 | 96 | *5,1,3* | 39 | 3,43 | 134 |
| 8 | 96 | 95 | *5,1,3,4* | 1 | -1196,6 | -1197 |
| 9 | 95 | 45 | *5,1,3* | 50 | 3,43 | 171 |
| 10 | 45 | 35 | *1,3* | 10 | -18,0 | -180 |
AMP : 3) Bilans enthalpiques nets
| intervalle | Ti | Ti + 1 | Δh net | cumul |
|---|---|---|---|---|
| (°C) | (°C) | (kW) | (kW) | |
| 1 | 325 | 315 | 214 | -214 |
| 2 | 315 | 226 | 127 | -341 |
| 3 | 226 | 225 | 601 | -943 |
| 4 | 225 | 21 | 14 | -957 |
| 5 | 215 | 195 | -171 | -786 |
| 6 | 195 | 135 | 686 | -1471 |
| 7 | 135 | 96 | 134 | -1605pincement |
| 8 | 96 | 95 | -1197 | -409 |
| 9 | 95 | 45 | 171 | -580 |
| 10 | 45 | 35 | -180 | -400 |
AMP : 4) Bilans enthalpiques avec apport
| intervalle | Ti | Ti + 1 | Δh net | 1605 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 325 | 315 | 214 | 1391 |
| 2 | 315 | 226 | 127 | 1264 |
| 3 | 226 | 225 | 601 | 662 |
| 4 | 225 | 21 | 14 | 648 |
| 5 | 215 | 195 | -171 | 819 |
| 6 | 195 | 135 | 686 | 134 |
| 7 | 135 | 96 | 134 | 0 |
| 8 | 96 | 95 | -1197 | 1196 |
| 9 | 95 | 45 | 171 | 1025 |
| 10 | 45 | 35 | -180 | 1205 |
Résolution dans Hint
Résolution dans Hint
| intervalle | Ti | Ti + 1 | Δh net | 1605 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 325 | 315 | 214 | 1391 |
| 2 | 315 | 226 | 127 | 1264 |
| 3 | 226 | 225 | 601 | 662 |
| 4 | 225 | 21 | 14 | 648 |
| 5 | 215 | 195 | -171 | 819 |
| 6 | 195 | 135 | 686 | 134 |
| 7 | 135 | 96 | 134 | 0 |
| 8 | 96 | 95 | -1197 | 1196 |
| 9 | 95 | 45 | 171 | 1025 |
| 10 | 45 | 35 | -180 | 1205 |
Appariement des fluides
-
Notations
Appariement des fluides
- Pincement :
- apparition d’un nouveau fluide froid (besoin)
- disparition d’un fluide chaud (disponibilité)
- simultanéité des deux événements : apparition d’un fluide froid et disparition d’un fluide chaud
Règles à respecter
- séparer l’étude des zones endo et exothermique
- commencer au niveau du pincement, et s’en écarter progressivement (contrainte maximale)
- maximiser la charge des échangeurs (afin de minimiser leur nombre)
- au dessus du pincement : mCpc ≤ mCpf
- au dessous du pincement : mCpc ≥ mCpf
Appariement des fluides
- Rappel des données
Au dessus du pincement
-
premier intervalle de la zone endothermique : disparition du fluide chaud n° 4
- 1 fluide froid (5), et 2 fluides chauds (1 et 3)
- contraintes sur mcp respectées
- il faut donc scinder (5) en deux
Au dessus du pincement
-
intervalle au dessus :
- disparition du fluide 3
- la puissance correspondante (320 kW) doit être fournie au fluide 5 : mcp52 = mcp3 = 8
Au dessus du pincement
- on en déduit mcp51 = 13,4
- pour épuiser le fluide 1 (1200 kW), la température de sortie de l’échangeur 1 vaut 179°C
Au dessus du pincement
- 1 et 3 étant épuisés, seul 2 contient des disponibilités (2400 kW), à partager entre 5 (scindé) et 6
- on peut assurer toute la charge de 6 (600 kW), et une partie de celle de 5 (1800 kW sur 1888). Mais cela conduit à une impossibilité de T
- préférable de remélanger les deux branches de 5 en sortie des échangeurs 1 et 2, et de prévoir des utilités chaudes en complément (1608 kW)
Réseau d’échangeurs
- zone endothermique
Au dessous du pincement
- seul fluide froid : 5
- contrainte mcpc ≥ mcpf vérifiée ssi apparié à 4
- en maximisant la charge de cet échangeur, sachant que T entrée de 5 = 40 °C :
- Δh5 = mcp5 (90 - 40) = 1071 kW
Au dessous du pincement
- 5 totalement réchauffé
- ne peut refroidir 1, 3, et 4
- à faire par utilités froides (1209 kW)
Réseau d’échangeurs final
Construction avec Thermoptim
- Modélisation
- fluides : air parfait (Cp constant) et vapeur d’eau
-
débits estimés :
Écran d’optimisation
Composites
Réseau d’échangeurs
- 1) diviser en deux tous les fluides qui traversent le pincement, afin de séparer les deux sous-problèmes
Réseau d’échangeurs
- 2) bien analyser les mCp des fluides concernés
Réseau d’échangeurs
- 3) bâtir des blocs d’échange pour tester les échangeurs possibles :
- parallélisation de 5 au dessus du pincement
Réseau d’échangeurs
- 4) construire les échangeurs :
- attention aux fluides faisant double emploi
- échangeurs non automatiquement transférés dans l’éditeur de schémas
Petites difficultés pratiques
- 1) modification du modèle :
- division des fluides de part et d’autre du pincement
- échangeurs non construits dans l’éditeur de schémas
- 2) les parallélisations par défaut ne sont pas toujours satisfaisantes
- 3) dans les échangeurs, le titre des points de sortie ne doit pas être compris entre 0 et 1 (évaporations et condensations)
- Donc : opérer par étapes en sauvant les fichiers de projet et de schéma à chaque fois
Réseau d’échangeurs complet
Analyse du Problème Restant
- Situation où certains échangeurs sont imposés
- Remaining Problem Analysis en anglais
- Étude d’une variante du cas Gourlia :
- dans la zone endothermique, pas de scission du fluide 5, réchauffé au niveau du pincement par le fluide 3
Échangeurs imposé
Analyse du Problème Restant
- On retire les deux fluides appariés de l’étude
-
décocher l’option « fluide pinct. Minimum »
- On remet à jour le problème (Ctrl-U)
-
que se passe-t-il?
Analyse du Problème Restant
-
le besoin en appoint augmente, du fait qu’on ne respecte pas les contraintes au niveau du pincement
- la procédure de placement des autres échangeurs reste analogue
Composites
Optimisation valeur ΔTmin
- si ΔTmin augmente :
- zone d’échange interne diminue
- utilités chaudes et froides augmentent
- ⇒ coûts d’exploitation augmentent
- surface des échangeurs diminue
- ⇒ coûts d’investissement diminuent
Mise en œuvre de la méthode du pincement
Cette séance a permis de compléter la séance IT1 en traitant complètement le cas proposé en 1989 par Gourlia dans la Revue Générale de Thermique.
Les fichiers Hint et Thermoptim correspondant à l’exemple traité sont accessibles depuis le lien ci-dessous.
Vous devez maintenant être suffisamment familier de cette méthode pour pouvoir vous reporter à la littérature spécialisée, et notamment aux publications du Prof. B. Linnhoff.
Nous vous recommandons en particulier la lecture d’un document synthétique assez complet :
Introduction to Pinch Technology, Copyright 1998 Linnhoff March.
La séance IT3 est plus spécifiquement consacrée à la méthode d’optimisation systémique de Thermoptim, dans laquelle le simulateur thermodynamique est directement couplé à la méthode du pincement.