La thermodynamique sur le terrain - Société Française de · PDF file1 De...

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De la thermodynamique

sur le terrain de l’Ingénierie

présentation générale du métier d’Axensprofil des ingénieurs Process débutantsétude de cas supercritiques avec Prosim

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 2

Markets Served & Ambitions

Process LicensorProcess Licensor

Catalysts & Adsorbents ManufacturerCatalysts & Adsorbents Manufacturer

Advanced Services ProviderAdvanced Services Provider

RefiningRefining

PetrochemicalsChemicals

PetrochemicalsChemicals

Gas ProcessingGas Processing

Alternative FuelsAlternative FuelsMar

kets

Ambitions• Benchmark company for Clean Fuels and Aromatics production,

• Leader in purification for olefins/polyolefins, syngas, refining and petrochemical, and natural gas streams

• Innovator in the biodiesel market and syngas to liquids technology.

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 3

Process Licensor for Oil & Gas

License

Simulators

Construction

Advanced Control

ProductsTechnologies

Outside Axens perimeterServices

TechnicalService

Detailed Engineering

ReplacementLoad

Catalysts

FirstLoad

Catalysts

Tender and technology choice

Feasibility Study

Project Achievement Unit on-stream

Basic Engineering

Technical Consulting

Revamping

Catalyst Management

Revamping

4

Global Network

SolaizeSalindres Beijing Tokyo

Houston

Princeton

Moscow

SavannahCalvert City

Manufacturing SitesOffices & Tech Service

Agencies

Axens Headquaters - Rueil-Malmaison (France)

New DelhiBahrain

Brockville

Willow Island

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 5

Business and Development

Marketing & Technology• Detailed understanding of the market• Development of new Processes• Own catalyst development group• A long-term contract with IFP-ENPerformances Program

• Feasibility studies• Advanced Control

Catalysts & Adsorbents• Alliances with key industrial partners• Historical Plant in Salindres, 4 sites in North AmericaProcess & Licensing• Engineering Department in Rueil-Malmaison, France• Process Design in Princeton, NJ, USA

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 6

Key Success Factors

High level recruitment• ENSIC / ENSIACET• ENSI / UTC• ENSAM• Ecoles Centrale & Polytechnique

Enhanced Knowledge• IFP School (ENSPM)• IFP Training (Employees’ continuous training)

Skills Improvement• Start-up and Inspection on site• Project Management in Process Design

IFP Energies nouvellesR&D Center (Lyon, France)

What are the concerns of Engineering Department ?

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 7

Process Design Package

Process Book delivery

• Heat and Material Balances• Process Flow Diagram• Piping and Instrumentation Diagram• Material and Mechanical Diagram• Process Datasheets with Specifications

Process Simulation and Thermodynamic

• Static simulation software : Proii, Prosimplus, Aspentech• in-house software for design : AllinOne, Dimprop, Estime• Choice of the right Thermodynamic model for simulation• Studies with IFPEN (New Processes Development Project)

Journée SFGP / Lille 2011 J.F. CHAPAT 8

Case study

Implementation of Prosimplus versus Pro ii

• Comparison between the two simulation softwares

• Master simulations to be compared for 12 Processes

• Focus on physical properties, mixing rules, equations

Process Simulation and Thermodynamic rules ?

Supercritical conditions approach ?

Critical Point (Pc and Tc) use for Process Design ?

Présentation 28 avril 2009 1

Détermination des

Coordonnées Critiques

Présentation 28 avril 2009 2

Contexte

Bilans Matière et Thermique

Echangeurs

Vannes de contrôle

Soupapes

…

Coordonnées Critiques données dans les feuilles de spécifications :

Présentation 28 avril 2009 3

Température Critique : température au dessus

de laquelle un gaz ne peut pas se liquéfier

Pression Critique : pression minimum suffisante

pour liquéfier un gaz à sa température critique

Définitions

Présentation 28 avril 2009 4

Courbe de sublimation

1Point triple

2

Courbe de fusion

Courbe de vaporisation

Point critique

Pres

sion

Température

SolideLiquide

Gaz

Supercritique

PCC

TC

Définitions : Corps Purs

Présentation 28 avril 2009 5

Définitions : Corps Purs

TC (°C) PC (bar)H2 -240.0 13.1O2 -118.6 50.4N2 -147.0 34.0Cl2 144.0 77.1H2S 100.4 89.6NH3 132.5 112.8CO2 31.1 73.8CH4 -82.6 46.0

Quelques valeurs :

Présentation 28 avril 2009 6

Définitions : Corps Purs

Coordonnées critiques des paraffines : corps purs

0

10

20

30

40

50

60

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Pc (b

ar)

Tc (K

)

Mw (kg/kmol)

Tc

Pc

Présentation 28 avril 2009 7

Définitions : Mélanges

P

T

C

DPL

BPL

(d)

LIQUIDE

VAPEUR

MAXT

MAXP

T

(a)

C

LIQUIDE

VAPEUR

P

BPLDPL

C

(c)

P

LIQUIDE

VAPEUR

MAXT

MAXP

T

LIQUIDE C

BPL

DPL

(b)

P

VAPEUR

MAXP

MAXT

T

BPL = bubble-point line

DPL = dew-point line

C = critical point

Les lignes en pointillé correspondent à des fractions vapeur massiques constantes

Présentation 28 avril 2009 8

Définitions : Mélanges

Coordonnées critiques des paraffines : mélange binaire

0

50

100

150

200

250

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Pc (b

ar)

Tc (K

)

Mw (kg/kmol)

Tc corps pursTc mélangePc corps pursPc mélange

Présentation 28 avril 2009 9

Audit des Pratiques

Méthode de Kay

Enveloppe de phase (SRK ou PR)Composition globale (avec H2 ou sans H2 ou sans

incondensables)

Composition liquide (avec H2 ou sans H2 ou sans

incondensables)

Variables suivant : Procédé

Modèle thermodynamique utilisé

Equipement dimensionné

Présentation 28 avril 2009 10

Audit des Pratiques

Méthode de Kay : coordonnées pseudo-critiques

∑=i

CiiC TzT ∑=i

CiiC PzP

it constituandu molairefraction : iz

Valeurs données par Pro/II et ProSim dans les fichiers d’extraction AIO

pour l’édition des bilans matière et énergie

Présentation 28 avril 2009 11

Audit des Pratiques

0

50

100

150

200

250

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Pc (b

ar)

Tc (K

)

Mw (kg/kmol)

Tc corps pursTc mélangeTc KayPc corps pursPc mélangePc Kay

Coordonnées pseudo-critiques des paraffines : Méthode de Kay

Présentation 28 avril 2009 12

Thermodynamique

Modèles par équation d’état : SRK, PR, …Calcul des coordonnées critiques par détermination

de l’enveloppe de phase

Modèle par coefficients d’activités : GS, Amine,

Sour Water, …Calcul des coordonnées critiques impossible

Pro/II : « the kvalue method must be srk, srkh, srkm, srkp,

srks, pr, prh, prm, or prp for the new phase envelope »

ProSim : « La propriété n'a pas pu être calculée. (Le

modèle thermo. est peut être mal adapté) »

Présentation 28 avril 2009 13

Thermodynamique

0

10

20

30

40

50

60

0

10

20

30

40

50

60

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Pression (bar)

Température (K)

GSSRKPoint Critique SRK

L

VL-V

Construction d’une enveloppe de phase : exemple (entrée SHU Prime G)

Présentation 28 avril 2009 14

Littérature

Etude de mélanges binaires de paraffines

Etude du système CO2 - Paraffines

Détermination des coordonnées critiques par le modèle

thermodynamique PR par l’enveloppe de phase

Présentation 28 avril 2009 15

Littérature

Coordonnées critiques (modèle PR) : système Ethane - Paraffines

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

100 200 300 400 500 600 700

PC (b

ar)

TC (K)

C1-C2

C2-C3

C2-C4

C2-C5

C2-C6

C2-C7

Présentation 28 avril 2009 16

Littérature

Coordonnées critiques (modèle PR) : système CO2 - Paraffines

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

100 200 300 400 500 600 700

PC (b

ar)

TC (K)

C1-CO2C2-CO2C3-CO2C4-CO2C5-CO2C10-CO2

Présentation 28 avril 2009 17

Comparaison des méthodes

Construction d’enveloppes de phase : modèle

thermodynamique SRK

Calcul par différentes méthodes : Kay, Total, Total sans H2,

Liquide, Liquide sans H2

Exemple d’écarts avec Hydrocarbures + H2 :

Pc de 19 à 43 barsTc de 170 à 600 K

Présentation 28 avril 2009 18

Comparaison des méthodes

0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

70

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Pres

sion

(bar

)

Température (K)

Total

Total sans H2

Liquide sans H2

Liquide

Coordonnées critiques

Kay

L

VL-V

Construction d’enveloppes de phase : modèle SRK

Présentation 28 avril 2009 19

Comparaison Pro/II - ProSim

Détermination des coordonnées critiques par construction

d’enveloppes de phase : modèle thermodynamique SRK

Pro/II : Module « phase enveloppe »

ProSim : Fonction Excel Simulis

Prise en compte de 20 points par les différentes méthodes

décrites précédemment (Kay, Total, Total sans H2, Liquide,

Liquide sans H2)Ecart

moyenEcart max

TC (K) 0.70 1.31

PC (bars) 0.57 1.52

Présentation 28 avril 2009 20

Comparaison Pro/II - ProSim

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

TC Pr

oSim

(K)

TC Pro/ II (K)

Comparaison des Températures Critiques

Présentation 28 avril 2009 21

Comparaison Pro/II - ProSim

Comparaison des Pressions Critiques

10

20

30

40

50

60

70

10

20

30

40

50

60

70

10 20 30 40 50 60 70

PC Pr

oSim

(bar

)

PC Pro/ II (bar)

Présentation 28 avril 2009 22

Performance des échangeurs

Pression critique permet de déterminer une courbe de flux

d’ébullition en fonction de la ΔT à la paroi chauffante

Détermination du régime d’ébullition : convectif, nucléé, film vapeur

Performances de l’échangeur dépendent des conditions de

fonctionnement

Pression critique « vraie » à considérer

Demander aux fournisseurs de logiciels quelles coordonnées

critiques sont utilisées dans les corrélations

Présentation 28 avril 2009 23

Conclusions

Connaître l’utilisation dans les corrélations de dimensionnement

(vannes, soupapes,…)

H & M B par méthode de Kay

Coordonnées critiques vraies pour les feuilles de spécifications

d’équipements (cohérence avec H & M B !!!)

Modèle SRK ou PR : enveloppe de phase

Cas particulier H2 (et H2S, CO2, …) : modèle GS :

-> approximation (SRK ou ?)