Optimisation des colonnes HIDiC, intégrant une mousse métallique, basée sur une étude théorique et expérimentale des transferts thermiques

HIDiC optimization, containing metal foams, based on a theoretical and experimental study of heat transfer

• Auteur / Autrice : Omar Yala
• Direction : David Rouzineau, Michel Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 14/11/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Stéphane Condoret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rouzineau, Michel Meyer, Lounès Tadrist, Lionel Estel, Nathalie Guintrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lounès Tadrist, Lionel Estel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus stochastiques

Technologie appropriée

Transfert de chaleur

Distillation

Mots clés libres

Colonne de distillation

Intégration énergétique

HIDiC

Technologie de transfert de chaleur

Optimisation stochastique

Distillation column

Heat integration

HIDiC

Heat and mass transfer technology

Stochastic optimization

Résumé

La distillation est une opération unitaire de séparation qui est largement utilisée. Toutefois, lorsque les volatilités des corps à séparer sont proches, le besoin en énergie de la colonne augmente, et l’efficacité énergétique du procédé de séparation diminue. Ainsi, la faiblesse de la distillation est son efficacité énergétique (au maximum 10 %). La réduction de la consommation énergétique des colonnes à distiller est donc un enjeu majeur dans le contexte énergétique actuel. Une des voies prometteuses est les colonnes à distiller dites HIDiC (Heat Integrated Distillation Column). Dans ce type de configuration, la colonne est scindée en deux colonnes : une colonne d’appauvrissement et une colonne d’enrichissement. La colonne d’appauvrissement opère à un niveau de pression plus faible que la colonne d’enrichissement. Un compresseur ainsi qu’une vanne de détente sont installés pour ajuster les niveaux de pression respectifs dans les deux parties. La différence de pression ainsi établie permet d’imposer une différence de températures qui offre la possibilité de transférer de l’énergie entre les deux colonnes par l’intermédiaire d’une technologie de transfert de chaleur. Dans un premier temps, l’objet de cette étude est de valider une nouvelle technologie de transfert thermique pour les colonnes concentriques HIDiC. Cette technologie innovante, Mousse métallique à cellules ouvertes, est caractérisée et validée en comparant avec un garnissage classique. Pour cela, un pilote expérimental de colonne concentrique contenant le garnissage structuré a été mis en oeuvre au laboratoire. Les résultats des mousses métalliques ont montré une performance thermique plus importante que le garnissage classique avec un gain moyen de 102 %. La conductance thermique des mousses métallique à cellules ouvertes obtenue expérimentalement est de 1285 W.K-1. Ces résultats confirment l’intérêt de l’utilisation du garnissage innovant dans les colonnes de distillation HIDiC en tant que technologie de transfert de chaleur. Dans un deuxième temps, un outil de simulation des colonnes HIDiC est développé dans le logiciel commercial ProSim Plus™®. Par rapport aux colonnes de distillation conventionnelles, les colonnes HIDiC possèdent des paramètres spécifiques tels que le rapport de pression et le profil d’échange de chaleur entre les deux sections de la colonne. Une procédure d’optimisation est élaborée afin d’obtenir une colonne HIDiC avec un coût total annuel « TAC » minimal et une distribution énergétique optimale. La méthode stochastique est adoptée avec un algorithme génétique « AG » ou l’initialisation des variables d’action n’est pas nécessaire. Deux études de cas sont effectuées. L’une est un système largement étudié dans la littérature, le mélange (Benzène/Toluène). La procédure de conception et d’optimisation est évaluée. Une réduction du TAC de 7,4 % et 13,9 % est obtenue par rapport aux précédents travaux de la littérature. L’autre étude de cas est un mélange binaire (Cyclohexane/n-Heptane). Les résultats de la simulation concernant les quantités d’énergie échangées de la colonne d’enrichissement vers la colonne d’appauvrissement sont validés en vérifiant la faisabilité du transfert thermique par la conductance thermique de la technologie innovante obtenue expérimentalement UA (W.K-1).

Distillation is the most applied separation technology. Its major drawback is the low thermodynamic efficiency (typically around 10 %). In response to environmental issues that concern energy consumption of distillation column, HIDiC (heat integrated distillation column) which combines advantages of vapor recompression and diabatic operation is expected to have a large impact on energy saving. The mixtures with close boiling point are confirmed to be the best candidates for HIDiC. In fact, in this configuration the rectifying section and the stripping section are separated. Heat is transferred inside the distillation column from the rectifying to the stripping section, because the operating pressure (and thus the temperature) of the rectifying section is increased by means of the compressor. First, a novel technology of heat and mass transfer between rectifying column and stripping column is characterized and validated on an experimental pilot. A concentric HIDiC which contains metal foam packing is designed. Compared to the Raschig Super-Ring results, the heat transfer in this structured packing is more efficient, with a gain up to 102 %. The obtained thermal conductance UA (W.K-1) of the innovative column packing is 1285 W.K-1. This confirms the purpose of open cell metal foams use in HIDiC as a heat transfer technology. Secondly, the aim of this study is to optimize the HIDiC sensitive parameters so as to minimize the Total Annual Cost (TAC). For this, a HIDiC simulation model is developed by using commercial software ProSim Plus™®. GA (Genetic Algorithm) is used to find the optimal HIDiC configuration where variables are optimized without initialization. Binary (Benzene/Toluene) separation case is examined for the evaluation of the proposed method. As a result, 7.4 % and 13.9 % TAC reductions are realized in comparison with the reported solutions in previous works. Binary (Cyclohexane/n-Heptane) is studied to evaluate the physical feasibility of heat transfer between rectifying and stripping column by the experimental thermal conductance (UA experimental [W.K-1]) of the innovative column packing.