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1
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 ?)