Comparaison de procédés sur la base de bilans CO 2

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1 SFT Groupe Energétique Thermodynamique Journée exergie 20 Mars 2008 Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées Comparaison de procédés sur la base de bilans CO 2 Analyse exergétique Analyse de Cycle de Vie Sous la direction de : T.Burkhardt M.N. PONS Par : Anas ARCHANE UCP, ENSTA J.N.JAUBERT 1

2 Plan Introduction Contexte et objectif de l étude - Exergie, Analyse exergétique Cas des raffineries - Procédé étudié - Calcul d exergie - Analyse de Cycle de Vie Conclusions et perspectives 2

3 Introduction Les risques de changement climatique Emissions des gaz à effet de serre Particulièrement CO 2 Répartition par secteur des emissions de CO2 dans le monde 10% 4% 2% 30% Production electrique Industrie Transport 23% Résidentiel Tertiaire 22% Agriculture Source :ENERDATA 3

4 Contexte et objectif de l étude Cas du raffinage Les émissions de CO 2 dans le cycle de vie des hydrocarbures Champ de pétrole Raffinerie Véhicule, industrie CO 2 CO CO 2 2 CO 2 Production Distillation Conversion désulfuration Carburant H 2 Production d H 2 CO 2 4

5 Contexte et objectif de l étude Maîtriser les émissions des gaz à effet de serre Optimiser l utilisation de la production d énergie Suivre un indicateur qui reflète les efforts mis en place et qui tiendra compte de la complexité des schémas de raffinage 5

6 Contexte et objectif de l étude Elaboration d une méthodologie pour tenir compte de l'impact environnemental d'un procédé lors de sa conception. Analyse exergétique du procédé Détermination de l exergie détruite dans le procédé Analyse de Cycle de Vie (ACV) du procédé Déterminer l impact environnemental (bilans CO 2 ) 6

7 Analyse exergétique Exergie: - Energie «noble» Energie = Exergie + Anergie (Szargut et al,1985) - La proportion d énergie du système qui peut être transformée en travail 7

8 Types d exergie: Exergie associée au transfert de travail Exergie associée au transfert de chaleur Ex = Q A (1-T 0 /T) Distribution de température uniforme A : surface d échange thermique. T 0 : température de l environnement. T : température à laquelle le transfert est effectué SZARGUT 8

9 Exergie associée au transfert de flux de matière Ex = Ex c + Ex p + Ex th Ex p : Exergie potentielle Ex c : Exergie cinétique Ex ph : Exergie physique Ex th = Ex ph + Ex ch Ex ch : Exergie chimique Ex th : Exergie thermique 9

10 Exergie cinétique Ex c = m. C o2 /2 Exergie potentielle Ex p = m. g E. Z o m : débit massique du fluide ; C o : vitesse du fluide par rapport à la surface de la terre ; Z o : hauteur par rapport au niveau de la mer ; g E : accélération gravitationnelle. 10

11 Exergie physique: Exergie thermique Ex ph = H H 0 T 0 (S S 0 ) Exergie chimique: ex ch = RT 0 lnp 0 /P 00 P 00 : Pression partielle du composé à l état de référence ex ch = - G 0 - i x i ex chi, in + i x i ex chi, out Avec x i : fraction molaire du ieme composé G 0 : la fonction de formation de Gibbs Cornelissen,

12 Rendement exergétique Bilan exergétique : Ex Ent = Ex Sor + I (I:irréversibilité) Rendement : η = Ex Sor /Ex Ent Rendement rationnel (Kotas, 1985) : ψ = Ex des,sor /Ex util ψ =1- I/ Ex util Rendement avec exergie de passage (Kostenko) : η = (Ex sor Ex pas ) / (Ex ent Ex pas ) 12

13 Procédé étudié Unité d hydrotraitement de gazoles Caractéristiques Réactions exothermiques - la stabilité des produits; - la pollution; - l odeur; l - la corrosion; Rupture des liaisons C-N, C-O, C-S Elimination du O, N, S sous forme d H 2 O, NH 3 et H 2 S 13

14 Figure III.1 : Schéma d une raffinerie Gaz combustible Gaz humide Naphta léger Séparation des gaz Polymérisation Alkylation Essence Essence Alkylat Mélange et stockage des essences Ethane Propane Butane Essence pour moteur Naphta Lourd Hydrotraitement Reformage catalytique Reformat Carburant aviation Distillation Atmosphérique Kérosène Brut Distillats moyens Hydrotraitement H2S Récupération du soufre Incinération Kérosène Soufre Gazole Lourd Hydrocraquage Distillation Sous Vide Fraction des huiles lubrifiantes Craquage Catalytiqu e Purificateur Traitement Mazout léger Carburant diesel Mazout lourd Huiles lubrifiantes Cires Graisse Cokéfaction Soufflage des bitumes Coke 14 Asphalte

15 Simulation du procédé Logiciel : Pro II 7.0 Gasoil traité et hydrogène : Débits, compositions et conditions opératoires Amine (DEA): Absorption de H 2 S Modèles thermodynamiques Débit gasoil:180 t/h Débit d H 2 : 2 t/h Solution amine: 32t/h; 25 % wt DEA 15

16 Schéma simplifié d une unité d hydrodésulfuration avec recyclage PURGE DP1 S1 LAVAGE.AUX.A GAZ.DERECYCL GAZ.DE.STABI HYDROGENE M1 E GAZ.EN.EXCES 10 F1 H2 4 REACTEUR ECHANGEUR E1 2 CHARGE POMPE 1 M2 2 3 FOUR 6 SEPERATEUR P1 V T

17 Comparaison des procédés Variation du débit d H 2 Procédé II: +10%(H 2 ) - 20 C (réacteur) Procédé III: -10%(H 2 ) + 23 C 17

18 Calcul d exergie Eau Amine propre Flux entrant Gasoilprod Procédé d hydrotraitement H 2 Coproduits Amine riche Eau 18

19 Ex = H T 0 S T 0 = K (Szargut et al, 1988) Ex = Ex entrée + Ex e - Ex sortie Énergie et exergie détruite des procédés Procédé I Procédé II Procédé III Energie totale (Mw) Exergie détruite Ex (Mw) Débit H 2 (kg/h)

20 Analyse de Cycle de Vie Evaluer l impact environnemental d un produit, d un processus ou d une activité tout le long de son cycle de vie. Approche «du berceau à la tombe». Logiciel : Sima Pro

21 Contribution des principales substances dans le changement climatique 21

22 Conclusions Emission de CO 2 et destruction d exergie Emission CO2 (kg/kg produit) Procédé III Procédé I Procédé II Destruction d'exergie (Mw) 22

23 Cette étude a permis de : De démontrer que l Analyse Exergetique et l Analyse de Cycle de Vie des procédés d hydrotraitement dans l industrie pétrolière sont possibles. D affirmer que ces analyses peuvent être utilisées comme un outil d aide à la décision lors de la conception ou d optimisation des procédés. 23

24 Perspectives Importance de l exergie chimique ex ch. mel = i x i ex ch, i + RT 0 i x i ln γ i x i x i : fraction molaire du ieme composé, R la constante molaire des gaz et γ i le coefficient d activité. VNC : Valeur nette de combustion ex ch = φ. VNC φ : Coefficient calculé à partir de la composition atomique. (entre 1.04 et 1.08) ACV: Inventaire; Méthode utilisée 24

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