Intégration Thermique

L'énergie minimale requise

L’Energie Minimale Requise (EMR) d’un procédé est la quantité de chaleur à apporter et/ou à retirer du procédé après avoir optimisé toute possibilité de récupération interne de chaleur via la construction d’un ou plusieurs échangeurs internes de récupération.

L’EMR peut être déduite graphiquement en utilisant les grandes courbes composites de la méthode du pincement ((Linnhoff et al., 1982), (Linnhoff and Eastwood, 1997)). Elle peut être aussi calculée numériquement en utilisant un calcul algébrique désigné souvent par la méthode dite « problem-table ».

L’application de la méthode du pincement commence par la modélisation des opérations unitaires que subit le produit transformé en fonction des critères de qualité produit et de productivité du système de production (lesquels devront être précisément définis pour chaque site étudié). Cette action fait totalement abstraction des moyens techniques éventuels permettant de réaliser cette transformation et aboutit à un modèle de type « flowsheet » du procédé. Les flux de chaleur issus de cette modélisation permettent alors la construction des courbes composites et de déduire l’EMR.

L’EMR, ensemble des besoins thermiques calorifiques et frigorifiques des procédés industriels, est assurée respectivement par des utilitaires chauds (e.g. chaudière, cogénération, pompes à chaleur …) et par des utilitaires froids (e.g. tour aéro-réfrigérantes, groupes frigorifiques …).

Le coût total de fonctionnement des utilitaires est certainement fonction des technologies choisies mais aussi des niveaux de températures de l’énergie thermique délivrée correspondant au besoin du procédé. Généralement, plus l’écart entre la température du procédé et la température de l’utilitaire est grand, plus l’exergie est détruite. Dans la plupart des cas, le coût d’exploitation augmente quand l’exergie est détruite (voir l’illustration de la figure ci-dessous).

 

Minimiser la destruction d’exergie par les actions de chauffage et de refroidissement est un objectif principal.

Exergie Minimale Requise de la transformation du « produit » (ExMR)

L’association du premier et du deuxième principes de la thermodynamique permet de définir l’exergie comme étant la part de l’énergie convertissable en travail. Le principe de l’exergie associe ainsi une qualité à l’énergie et permet de tenir compte du niveau de température ou de la nature de l’énergie (mécanique, chimique ou thermique) mise en jeu lors d’une transformation.

D’après le concept du niveau d’énergie W définissant le rapport entre l’énergie et l’exergie (Feng et Zhu, 1997), l’exergie minimale requise pour une opération mécanique est égale à son énergie minimale requise (W = 1).

Pour une opération chimique de combustion, le contenu énergétique peut être identifié à de l’exergie pure puisqu’idéalement une température infinie peut-être considérée comme obtenue. S’il s’agit d’une transformation chimique, on peut faire une similitude avec les transformations thermiques dans la mesure où il est alors question de réactions chimiques qui d’une part, nécessitent des conditions de pression et de température spécifiques, et d’autre part, nécessitent l’apport de chaleur (réactions endothermiques) ou dégagent de la chaleur (réactions exothermiques).

Pour un traitement thermique, le calcul de l’exergie dépend essentiellement du niveau de température des utilités chaudes et froides employées pour réaliser la transformation du produit.

 

Intégration Thermique - MINES ParisTech
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