Conception de Procédés

L'analyse d'un procédé passe également par l'inventaire des entrées/sorties en énergie. Cette analyse doit nous amener à l'élaboration d'un réseau optimal d'échanges de chaleur, c'est-à-dire un nombre minimal d'échangeurs avec des apports de chaleur et des refroidissements optima. Pour réaliser cela, il existe des méthodologies telles que l'analyse Pinch [ Douglas, 1988^[1] ; Kemp, 2007^[2]] et l'analyse exergétique [ Le Goff, 1982^[3]]. L'usage de ces méthodes nécessite un inventaire des apports de chaleur et des refroidissements à assurer et des niveaux de température recherchés.

On illustrera cette problématique de l'intégration thermique par un exemple type rapporté par Smith [ Smith, 2005^[4]]. Il est basé sur un procédé type (cf. Figure suivante) qui commence à être familier au lecteur :

celui d'une réaction avec formation de produits et sous-produits, suivie d'une cascade de séparations par distillation (que l'on suppose « classique » et effectuées toutes deux à des pressions identiques), et recyclage du réactif non converti à son passage dans le réacteur.

L'inventaire des apports de chaleur et des refroidissements s'écrit comme suit :

• Chauffage d'un flux de procédé :

  • Entrée du réacteur ;

  • Bouilleurs de colonnes à distiller.

• Refroidissement d'un flux de procédé :

  • Sortie du réacteur ;

  • Condenseurs de colonnes à distiller.

• Les utilités utilisées ici dans les échanges thermiques sont :

  • De la vapeur d'eau sous pression ;

  • De l'eau froide.

Les niveaux de température en entrée et en sortie du réacteur sont fixés par la thermicité (réaction exothermique dans l'exemple donné ici), la cinétique de la réaction mise en œuvre et par le type de réacteur choisi (adiabatique dans l'exemple donné ici). Les niveaux de température en tête et en pied de colonne de distillation sont estimés grâce aux températures d'ébullition du réactif, du produit et du sous-produit et du mélange produit/sous-produit (à la pression fixée pour la distillation concernée).

Deux solutions d'intégration thermique sont proposées ci-dessous (cf. les deux Figures suivantes). Dans les deux configurations, on envisage d'abord l'utilisation d'un flux de procédé pour réchauffer ou refroidir un autre flux de procédé, puis on ajuste à la température cible voulue avec une utilité. Ce principe est appliqué en entrée et en sortie de réacteur, en pied de la première colonne et en tête de la seconde colonne. Seuls deux points sont traités différemment : la tête de la première colonne et le pied de la seconde colonne. Le condenseur en tête de la première colonne condense (au moins partiellement, soit le reflux de la colonne) le réactif qui est le constituant le plus volatil : c'est le point le plus froid de la chaîne de séparation du procédé (en supposant que l'alimentation de cette première colonne est un liquide bouillant). Il a été choisi ici de condenser à l'eau froide et ensuite d'utiliser le distillat comme flux refroidissant un autre flux de procédé, ce qui est judicieux dans le sens où ce distillat est recyclé en entrée du réacteur, entrée qu'il faut réchauffer à la vapeur. Quant au pied de la seconde colonne, c'est le point le plus chaud du procédé, maintenu à la température d'ébullition du constituant le moins volatil. Ce flux, auquel on doit apporter de l'énergie, ne peut être croisé avec aucun autre flux de procédé : on utilise donc de la vapeur sous pression.