Trains de distillation

Dtermination de la squence des colonnes

Carl DuchesneAutomne 2004

GCH-17802 CAO en gnie chimique

Introduction

Squence directe : le produit le plus lger est sorti en tte de chaque colonne.

Squence indirecte : le produit de plus lourd est sorti en pied de chaque colonne.

Il peut y avoir une diffrence majeur dans les cots en capitaux et dopration entre les diffrentes squences : choisir celle qui minimise les cots.

Ce qui suit traite des colonnes simples : lalimentation se spare en deux lignes (tte et pied), composs clefs qui ont des volatilits adjacentes, un rebouilleur et un condenseur.

Nombre de squences Pour choisir la squence qui

minimise les cots, il faut valuer chaque squence.

Nombre de squences augmente de faon exponentielle avec le nombre de composs :

Impossible dvaluer toutes les combinaisons au-del des systmes 4-5 composs!

Contraintes pratiques permettent de limiter le nombre de squences possibles.

4298

1327

426

145

54

23

12

Nombre de squences possibles

Nombre de composs

Contraintes pratiques Scurit : enlever les produits dangereux en premier pour minimiser leur inventaire.

Enlever les produits sensibles la chaleur ou ractifs le plus tt possible. Il faut donc de soutirer ces produits par le pied des colonnes.

Enlever les produits corrosifs le plus tt possible pour viter davoir utiliser des matriaux de construction dispendieux pour plusieurs colonnes.

Certains produits peuvent polymriser facilement. Il faut alors ajouter des additifs pour viter la polymrisation. Il faudra alors sparer ces additifs!

Les produits difficiles condenser (i.e. lgers comme H2, CH4) pression trs lev: cots capitaux et dopration levs! sortir les lgers en tte de la premire colonne pour minimiser les cots

Mthode heuristique

1. Les sparations de produits clefs ayant des volatilits relatives proches de lunit ou prsentant un azotrope, devraient tre fait en absence de composs non-clefs (i.e. faire les sparations difficiles la fin du train).

2. Favoriser les squences dans lesquelles les produits lgers sont spars, un un, en tte de chaque colonne (squence directe).

3. Un compos constituant une partie importante de lalimentation devrait tre spar en premier (minimiser la taille des colonnes subsquentes).

4. Favoriser les rpartitions presque quimolaires entre le distillat et le rsidu des colonnes individuelle (forme de la colonne plus uniforme, moins de problmes, moins coteux).

Problme: ces heuristiques peuvent conduire des choix conflictuels!

Le dbit total de vapeur en tte de colonne est un bon indicateur des cots en capital et des cots dopration.

Relation entre lnergie ncessaire pour oprer la colonne (condenseur + rebouilleur) et le dbit total de vapeur en tte de colonne lis par la chaleur sensible de vaporisation des composants (cots dopration).

Le dbit total de vapeur affecte les cots en capital puisque quun dbit de vapeur lev ncessite une colonne de plus grand diamtre, ainsi que de plus gros condenseurs et rebouilleurs.

Favoriser les squences ayant des dbits de vapeur en tte de colonne (V) plus faibles!

Problme : comment prdire V pour chaque colonne dans chaque squence?

Mthode analytique dcrite dans Robin Smith*, p. 135-142 (quation dUnderwood).

Simulation des diffrentes squences. Difficile si plusieurs composantes mais, en pratique, il est rare quil y ait plus de 6 composants (sauf raffineries!), ce qui fait 42 squences. Ce nombre est rduit considrablement par les contraintes dopration.

Conclusion : la slection de la squence devrait se concentrer sur les quelques squences ayant le plus de potentiel plutt que sur une seule squence (la meilleur obtenue partir des mthodes exposes prcdemment) car dautres considrations, telles que la scurit et lintgration nergtique pourrait avoir un impact sur la dcision finale.

* Smith, R., Chemical Process Design, McGraw-Hill, New-York, 1995.

Intgration nergtique Lorsquil ny a pas de contraintes limitant lintgration

nergtique des squences (ex. : pression maximale pour viter la dcomposition de certains composs):

squence ayant les cots nergtique minimaux avant intgration = squence optimale aprs intgration

possible de dcoupler en deux tapes squentielles

Dans le cas contraire, des mthodes existent pour slectionner la squence optimale et lintgration nergtique simultanment (voir Robin Smith p.144-155).

Rsum1. En labsence de contraintes limitant svrement lintgration

nergtique, la slection dune squence de colonnes simples peut tre dcompose en deux tapes :

a. identifier la meilleure structure non-intgreb. tudier lintgration nergtique de la (des) meilleure(s) squence(s)

2. Les quelques meilleures squences peuvent tre identifies partir du critre bas sur le dbit de vapeur total en tte de chaque colonne.

3. Considrer des colonnes plus complexes seulement dans les dernires tapes du design, permettant dvaluer lintgration nergtique de la squence avec le reste du procd (design complet).

Exemple: train GNL

Purifier C1, C2 et C3 partir du gaz naturel:

Combien de squences possibles?

Nom FEED1 FEED2 EX-DUTY Temprature (F) -138.3 -118 Pression (psia) 330.0 332.0 nergie (MMBtu/hr) 2.0 Dbit (lbmol/hr) N2 9.12 2.72 CO2 17.23 1.39 C1 2515.70 347.33 C2 686.19 56.53 C3 252.37 36.04 iC4 39.83 9.78 nC4 30.39 9.46 iC5 12.91 7.08 nC5 7.13 4.88 C6 1.22 1.78 C7 0.73 2.28 C8 0.20 1.30

Squence directe GNL

Squence indirecte GNL

Heuristiques - train GNL

1. Sparation la plus difficile: ? Points dbullition (C): C1: -161, C2: -88, C3: -42, iC4: -11 Sparer C3/C4+ en dernier

2. Favoriser la squence directe: sortir les lgers en premier

3. Proportion de C1 dominante (>70%), donc le sortir en premier

4. Les dbits sont plus quilibrs pour la squence directe

Aucun conflit: squence directe!