Aujourd’hui, sur les procédés, les industriels cherchent à maximiser les profits en utilisant un minimum de ressources. Ce postulat implique une amélioration de l’efficacité des procédés grâce à : une utilisation efficace des matières premières, une réduction des émissions, des opérations unitaires plus efficaces, et une haute efficacité énergétique afin de réduire la consommation du procédé.
La comparaison quantitative de la production et de la consommation du procédé nécessite la définition de critères permettant de comparer les qualités respectives des différentes solutions technologiques envisagées. Les procédés peuvent être comparés sous divers aspects. Dans la littérature, plusieurs méthodes existent sur l’évaluation de l’efficacité et la comparaison des
Condenseur Evaporateur Détendeur Compresseur Source Chaude Source Froide Haute pression Basse pression
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différents processus énergétiques. Ces méthodes s’appuient sur les deux principes fondamentaux de la thermodynamique : le premier et le second principe.
2.1. Analyse énergétique
L’analyse énergétique des procédés s’appuie sur le principe de conservation de l’énergie, ou plus communément désigné par le premier principe de la thermodynamique. Il indique que l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite mais conservée lors d’une transformation ou d’un transfert (Lechatellier, (1884)). Les deux formes d’énergie retrouvées sont le travail 𝑊̇ et la chaleur 𝑄̇. Plus généralement, le premier principe s’énonce de la manière suivante : « Au
cours d’une transformation quelconque d’un système non réactif fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d’énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme d’énergies thermique et mécanique » :
∆𝑈 + ∆𝐸𝑐𝑖𝑛+ ∆𝐸𝑝𝑜𝑡 = 𝑊1→2𝑟𝑒ç𝑢+ 𝑄1→2𝑟𝑒ç𝑢 (1.1) Dans une machine thermique en système ouvert non réactif le 1er principe s’exprime de façon suivante : 𝑚̇ ((ℎ𝑗+𝑉𝑗 2 2 + 𝑔𝑧𝑗) − (ℎ𝑖+ 𝑉𝑖2 2 + 𝑔𝑧𝑖)) = ∑ 𝑊̇∗+ ∑ 𝑄̇ (1.2)
Le bilan énergétique des procédés se base sur le premier principe de thermodynamique. Il permet d’effectuer une analyse quantitative des flux énergétiques dans un système thermodynamiquement ouvert, mais il est impossible de distinguer la qualité des différentes formes d’énergie. Il traduit le rapport de l’énergie utile au système et l’énergie consommée dans une transformation ou un transfert (Figure 1.9) :
𝜂𝑒𝑛 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 (1.3)
Figure I-9 Bilan énergétique d’un procédé.
Energie consommée Energie perdue Energie utile
U
T
Procédé17
2.2. Théorie du pincement
La méthode du pincement a été proposée en 1979 par Linnhoff (1979) pour les industries chimiques et pétrochimiques. Aujourd’hui, son utilisation a été étendue à tous les secteurs énergivores. Cette méthode consiste à analyser de manière systématique le procédé dans sa globalité, pour déterminer les meilleures possibilités de récupération de chaleur entre les différentes opérations unitaires. L’objectif est d’identifier les opportunités de récupération de la chaleur par l’ajout d’un réseau d’échangeurs de chaleur sur le procédé afin de minimiser sa consommation énergétique. L’utilisation de cette approche nécessite la connaissance des différences de température, des débits et des propriétés des fluides. L’optimisation du procédé est effectuée sur le réseau d’échangeurs de chaleur par une recherche judicieuse de l’emplacement des échangeurs et de la source énergétique.
Cette méthode est basée sur les principes de la thermodynamique et permet de caractériser un réseau d’échangeurs de chaleur autour du procédé. Cette méthode analyse les échanges de chaleur possibles entre les fluides froids (nécessitant un apport de chaleur), et les fluides chauds (pouvant céder de la chaleur) de façon à minimiser les irréversibilités.
Les principaux avantages de cette méthode sont :
- Méthode graphique qui permet de conserver une approche physique des phénomènes alors que très souvent les méthodes d’optimisation sont purement numériques.
- Minimisation de l’énergie (ou de l’exergie) consommée est effectuée sans connaissance préalable du réseau d’échange, défini que dans un second temps.
- Prise en compte de l’ensemble du procédé voire du site complet, et permet une approche systémique au lieu de se focaliser sur un équipement ou une unité particulière.
- Réduction des investissements et des coûts d’exploitation. Les émissions sont minimisées en conséquence.
Cette méthode d’ingénierie est assez évidente à utiliser dans l’intégration d’un nouveau procédé possédant plusieurs opérations unitaires avec de nombreux flux « chauds » à refroidir et de nombreux flux « froids » à réchauffer. Pour cette raison, la méthode est largement appliquée à travers le monde dans le cadre de l’industrie chimique et pétrolière riche en opérations unitaires. Toutefois, cette méthode reste plus complexe à mettre en œuvre pour des procédés possédant peu d’opérations unitaires.
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2.3. Diagnostic exergétique
L’exergie s’appuie sur le second principe de la thermodynamique, ou principe de Carnot, permettant de quantifier la qualité de l’énergie. L’exergie peut se définir comme la fraction d’énergie mécanisable. Le second principe établit l’irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Ce principe d’évolution fut énoncé pour la première fois par un jeune polytechnicien français, Sadi Carnot (1796-1832) en 1824, et consolidé quelques années plus tard en 1865 par un physicien allemand, Rudolf Clausius (1822-1888) par une fonction d’état nommée « entropie ». Le second principe de la thermodynamique indique que pour tout phénomène physique, l’énergie se dissipe de façon irréversible sous forme de chaleur, passant d’un état ordonné exploitable à un état désordonné à peu près inutilisable pour l’homme. L’irréversibilité est due à la dissipation de l’énergie. D’après le rendement de Carnot, il est possible de transformer la chaleur en travail mais seule une fraction de la chaleur 𝜂 peut être convertie en énergie mécanique.
𝜂 = 1 −𝑇𝑓
𝑇𝑐 (1.4)
Où, 𝑇𝑓 représente la température de la source froide et 𝑇𝑐 la température de la source chaude. Le second principe introduit la fonction d’état entropie 𝑆, usuellement assimilée à la notion de désordre qui peut décroître au cours d’une transformation réelle. Cette fonction d’état donne une information sur la production d’énergie mécanique d’un système.
Il existe deux catégories d’énergie : l’énergie noble telle que l’énergie électrique et mécanique et l’énergie dégradée en chaleur. L’exergie est généralement définie comme l’énergie « utile », c’est-à-dire l’énergie pouvant être entièrement transformée par un système idéal en n’importe quelle autre forme d’énergie.
Ainsi, toutes les formes d’énergie ne sont pas égales. L’exergie permet de quantifier cette différence en introduisant les notions de « qualité » et d’énergie « utile ». Le rendement exergétique tient compte non seulement des flux énergétiques perdus mais également de la diminution en « qualité » des flux énergétique (Figure 1.10). La notion de « qualité » de l’énergie est introduite par le second principe de la thermodynamique. Il traduit les irréversibilités des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Le bilan exergétique dans une machine thermique, en régime permanent, sans réaction chimique, s’exprime de la façon suivante :
19 (∑ 𝑚̇𝑗 (ℎ⏟ 𝑗− 𝑇0𝑠𝑗) 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑠𝑝é𝑐𝑖𝑓𝑖𝑞𝑢𝑒 − ∑ 𝑚̇𝑖(ℎ𝑖− 𝑇0𝑠𝑖)) = ∑ 𝑊̇⏟∗ 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙 + ∑ 𝑄̇ (1 −𝑇0 𝑇𝑘) ⏟ 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 − 𝑇⏟ 0∆𝜎 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑑é𝑡𝑟𝑢𝑖𝑡𝑒 (1.5)
Figure I-10 Bilan exergétique d’un procédé.
Le bilan exergétique permet d’estimer le rendement exergétique du processus étudié : 𝜂𝑒𝑥 = 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚é𝑒 (1.6)
Les bénéfices de l’analyse exergétique sont nombreux car elle permet :
- de quantifier la « qualité » de l’énergie dans l’évaluation des performances du système énergétique ;
- d’identifier clairement la cause et les sources des pertes exergétiques par rapport à un système idéal.
Ainsi, cette analyse permet d’effectuer un diagnostic précis des limitations du procédé. Toutefois, le diagnostic exergétique est une généralisation de la méthode du pincement à tous les types de procédé.