Interêt de la modélisation dans l'éco-conception: cas de l'évaporation sous vide

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Submitted on 5 Jun 2020

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l’évaporation sous vide

Martial Madoumier

To cite this version:

Martial Madoumier. Interêt de la modélisation dans l’éco-conception: cas de l’évaporation sous vide.

Séminaire éco-conception Plate-forme STLO (2013-06-28) Rennes, Institut National de Recherche Agronomique (INRA). UMR Science et Technologie du Lait et de l’Oeuf (1253)., Jun 2013, Rennes, France. �hal-01209562�

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l’éco-conception

Cas de l’évaporation sous vide

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Compétences:

o Modélisation et simulation o Optimisation

o Conception des procédés et des produits

http://lgc.inp-toulouse.fr/

FRANCE Rennes

Toulouse

Compétences:

o Procédés de séparation et de concentration o Identifier, quantifier et modéliser les

mécanismes impliqués dans les procédés laitiers

http://www.inra.fr/

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Adapté de Ouattara et al., 2012

 Applications dans les industries chimiques

 Steffens et al., 1999

 Azapagic et al., 2011

 Ouattara et al., 2012

Coûts d’investissement

& opératoires Impacts

environnementaux : GWP, PCOP, AP, ATP,

HTPI, etc.

Stratégie d’optimisation Simulation

Déchets

Production d’utilités Modèle de

procédé

Matières premières

Energie

Produits & co- produits

Energie résiduelle

Interprétation et choix

Méthode d’aide à la décision

Front de Pareto

Concevoir des procédés durables : un cadre multi-objectifs

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HTPI, etc.

Déchets

procédé

Matières alimentaires

Energie

Energie résiduelle

Front de Pareto

 Application au domaine agroalimentaire ?

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 Application au domaine agroalimentaire ?

 Manque de modèles de procédés (Trystram, 2012)

 Utilisation rare des simulateurs de procédés génériques (ASPEN PLUS, HYSYS, PROSIM, PRO/II, etc.) Coûts d’investissement

HTPI, etc.

Déchets

procédé

Energie

Energie résiduelle

Front de Pareto

Propriétés du produit

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Objectif:

Développer un cadre méthodologique appliqué à un procédé de concentration laitière

 Modélisation et simulation

 Développer un modèle des procédés de concentration-séchage

Traitement

thermique Séchage

Poudre de lait

Evaporation sous vide

Lait

Logiciel SD2P® – Schuck et al., 2009

 Comparer la simulation à des données industrielles/expérimentales

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Objectif:

Développer un cadre méthodologique appliqué à un procédé de concentration laitière

 Analyse environnementale

 Etablissement d’un inventaire de cycle de vie

 A terme : intégrer un outil d’ACV

 Analyse économique

 Optimisation multi-objectif CO2, NOx, SO2, CO,

poussières, DBO, DCO

Changement climatique, eutrophisation, toxicité,

etc.

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 ASPEN PLUS (AspenTech, Inc.)

 ARIANE (ProSim SA)

 SIMAPRO (PRé Consultants)

 EcoInvent Centre (Swiss Centre for Life Cycle Inventories)

& opératoires Qualité du produit final

Impacts

HTPI, etc.

Déchets

procédé

Energie

Energie résiduelle

Interprétation et choix

Front de Pareto

Ouattara et al., 2012

Outils de simulation et d’analyse environnementale

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Lait

Plus de 2000 composés

 Propriétés physiques dans ASPEN PLUS:

 Choi & Okos (1986) pour chaque composé

 Possibilité de spécifier densité et capacité calorifique du mélange des 5 composés (modèle utilisateur)

Lait

Eau

Matière grasse

Protéines

Sucres (lactose)

Minéraux

Définition du lait dans ASPEN PLUS

Fortran

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Etapes de séchage

Adapté de Ribeiro et al., 2001-2003

Traitement

thermique Evaporation

Description d’un procédé modélisé sous ASPEN PLUS

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Validation du modèle

35 45 55 65 75 85

Milk outlet temperature in this work (°C)

Reference process milk outlet temperature (°C)

EV-101 EV-102 EV-103 EV-104 5% error lines y = x line -5% error

Températures obtenues par simulation

Températures mesurées industriellement (Ribeiro, 2001)

 Exemple : comparaison des niveaux de température du lait en sortie d’évaporateur

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Besoin en vapeur : 3600 kg/h (référence) Besoin en vapeur :

4095 kg/h (↗⁾

Besoin en vapeur : 3205 kg/h (↘⁾

 Reconcevoir le procédé en variant la configuration

 Spécification : produire un lait concentré à 50%, même débit de lait en entrée

Objectif

Etude de sensibilité : besoins énergétiques (vapeur)

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Analyse environnementale : calcul des émissions liées à la production de vapeur

Modèle de turbine avec réseau de vapeur sous ARIANE (Prosim SA)

 Spécifications :

 Combustible: gaz naturel ou fuel

 Facteurs d’émissions polluantes (gaz naturel) :

 Consignes :

 Débit de vapeur à produire : 3,6 t/h

 Pression de la vapeur : 6,7 bar

Facteur d'émission NOx 8715 mg/Nm3 combustible

Ratio CO/CO2 2,0 %

Facteur d'émission poussières 0,16 mg/Nm3 combustible

CO2 H2O O2 N2 CO NOX SO2 Poussières

Débit massique des fumées Besoins en vapeur

du procédé

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Unité : kg polluant/tonne de lait concentré à 50%

 Scénario : production de vapeur sur site

Analyse environnementale : calcul des émissions liées à la production de vapeur

0 100 200

CO2

0,0 0,5 1,0 1,5

NOx

Ariane Fuel oil

Book No. 2 Fuel oil

Ariane Natural gas

Book Natural gas

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

SOx

Sources:

 « Book » = Jiménez-González, C. & Constable, D. J. C. Green Chemistry and Engineering: A Practical Design Approach. 18 - Impacts of energy requirements. John Wiley & Sons, Inc., 2011, 519-541

 Ariane : logiciel Prosim SA

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Calcul des impacts (outils, bibliographie)

Analyse environnementale Développement de

modèles de procédés

 Simulation

HTPI, etc.

Déchets

procédé

Energie

Energie résiduelle

Interprétation et choix

Front de Pareto

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Logiciel SD2P® – Schuck et al., 2009

Optimisation multi-objectif

 Ajout de l’étape de séchage à la simulation

 Etendre les limites du système

+ Nettoyage : consommation énergétique, impacts environnementaux

+ Impacts de la production et du transport du lait

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Catherine.AzzaroPantel@ensiacet.fr Genevieve.Gesan-Guiziou@rennes.inra.fr

Martial.Madoumier@rennes.inra.fr