La méthode du Pincement : principes, applications et limitations

La méthode du Pincement : principes, applications et limitations

Appliquée dans des domaines variés comme la chimie, la pétrochimie ou l’agroalimentaire, la méthode du Pincement constitue la base de toute intégration thermique. Elle vise une réduction des consommations d’énergies (électricité, fuel, gaz), d’eau et d’hydrogène. Des logiciels ont été développés pour systématiser la méthode : PinchLight, SuperTarget, Hint, … Toutefois, en raison de sa complexité, la conception du réseau d’échangeurs de chaleur par l’utilisation de méthodes informatiques constitue aujourd’hui encore un réel défi .

Cette partie est divisée en 3 sections :
– La présentation de la Méthode du Pincement : Linnhoff a consacré de nombreuses années à la définition de cette méthode et les articles qui y font référence sont nombreux. Les objectifs historiques et la méthodologie sont décrits.
– La construction du réseau d’échangeurs : la construction manuelle du réseau d’échangeurs ainsi que des outils pour la faciliter sont présentés. La construction automatisée du réseau par des méthodes informatiques fera l’objet du second chapitre de cette thèse.
– La définition du « targeting ». Afin d’optimiser le réseau initialement conçu, des objectifs intermédiaires appelés « target » sont définis. De nombreux travaux de recherche ont été menés pour développer ces méthodes d’optimisation.

Présentation de la méthode 

La méthode du pincement originelle, pinch method, a été développée par Linnhoff et Hindmarsh (Linnhoff and Hindmarsh, 1983). Basée sur la description et l’analyse de l’ensemble des flux de chaleur présents dans un procédé industriel, elle a ensuite été étendue sous le nom d’analyse de pincement, pinch analysis, pour englober dans l’étude l’ensemble des procédés et des utilités.

La méthode du pincement, essentiellement graphique, est didactique et interactive. Le fait de visualiser rapidement les flux d’un site industriel et les opportunités de récupération de chaleur est un des points forts de la méthode. Une fois les flux de chaleur identifiés, la méthode du pincement permet de définir immédiatement l’Énergie Minimale Requise (EMR). C’est la quantité d’énergie chaude et froide que doivent fournir les utilités si le potentiel de récupération d’énergie a été atteint.

Les étapes de la méthode sont les suivantes (Ressources Naturelles Canada, 2003; Smith, 2000):
– Définition des flux chauds et des flux froids. On appelle source (ou flux chaud) un fluide qui doit être refroidi et puits (ou flux froid) un fluide qui doit être chauffé dans le cadre du procédé. Ces besoins sont décrits par le débit et la chaleur spécifique du fluide ainsi que ses températures à l’entrée et à la sortie de l’opération unitaire à l’aide de la formule : ∆𝐻 = 𝑚̇ 𝑐𝑝∆𝑇 = 𝐶𝑃∆𝑇 (voir Figure I – 1, gauche). Le CP doit être constant mais les changements d’état sont pris en compte par une pente nulle. Ces données sont obtenues par instrumentation et par simulation numérique du procédé (Linnhoff et al., 1999). Attention, cette étape préalable à la méthode est chronophage.

– Construction des courbes composites. Les courbes composites chaude et froide sont obtenues en assemblant les flux respectivement chauds et froids. les CP et les puissances correspondantes sont additionnées sur chaque intervalle de température (voir Figure I – 1, droite). Les bornes des intervalles correspondent à l’apparition ou à la disparition d’un flux. Les courbes composites représentent le profil des sources de chaleur disponibles et des besoins thermiques du procédé et sont utilisées pour établir les valeurs cibles de consommation minimale en énergie.

– Identification du pincement. Pour ce faire, les courbes composites froide et chaude sont positionnées sur le même diagramme. L’axe des abscisses est indicatif, c’est la position relative des courbes composites qui fait sens. La courbe composite chaude part de l’axe des ordonnées et la courbe composite froide se translate horizontalement. Le pincement est défini comme l’écart vertical (différence de température) minimal entre les courbes et noté ΔTmin. Le choix du pincement résulte d’un optimum thermoéconomique entre le coût des échangeurs et la consommation énergétique évitée.

– Calcul de l’énergie minimale requise (Minimal Energy Requirement, MER). Une fois les courbes composites “calées” l’une par rapport à l’autre, on distingue deux zones. Au dessus du point de pincement, on trouve la zone endothermique qui nécessite uniquement un apport de chaleur QHmin. Sous le point de pincement se trouve la zone exothermique qui nécessite un refroidissement (QCmin). Le MER et le MERCold correspondent respectivement aux besoins en utilités chaudes et froides non fournies par la récupération d’énergie. Sur la Figure I – 2, ce sont QHmin et QCmin.

– Construction de la Grande Courbe Composite. La Grande Courbe Composite (GCC) sert principalement à l’optimisation des utilités. Une fois ΔTmin fixé, on utilise un artifice graphique pour la tracer : les températures corrigées. La courbe composite chaude est descendue de ΔTmin/2 tandis que la composite froide est montée de ΔTmin/2. Les courbes composites sont au contact au niveau du point de pincement. On calcule alors le bilan enthalpique net des deux courbes pour chaque température (Figure I – 3). L’intersection de la courbe et de l’axe des ordonnées se fait au pincement. Au dessus, on trouve la zone endothermique et en dessous, bien que les valeurs de puissance soient positives, il s’agit de la zone exothermique et donc des besoins de froid. Si l’échelle des abscisses est modifiée sur la GCC, les valeurs de 900 kW et 750 kW pour respectivement QHmin et QCmin sont identiques sur les deux représentations.

La séparation du problème en deux zones indépendantes par le pincement implique 3 règles d’or à respecter pour concevoir un réseau d’échangeurs de chaleur optimal et ses utilités :
♦ ne pas réaliser d’échange de chaleur qui croise le pincement
♦ ne pas utiliser d’utilité chaud en dessous du pincement.
♦ ne pas utiliser d’utilité froid au dessus du pincement.

La transgression d’une de ces règles implique une pénalité énergétique. Voici l’explication de la règle n°1, dont découlent les deux autres (Figure I – 4): Supposons que l’on utilise une quantité de chaleur α provenant de la zone endothermique pour chauffer un fluide de la zone exothermique. La chaleur α ne sera plus disponible pour chauffer les fluides froids au dessus du pincement. Le besoin de chaleur de la zone endothermique se sera accru de α pour atteindre QHmin + α. À l’inverse, la zone exothermique, déjà excédentaire en chaleur, va devoir en évacuer davantage, ce qui va accroitre le besoin de refroidissement de QCmin à QCmin + α. Ainsi, un échange à travers le pincement induit une double pénalité énergétique .

La méthode du pincement présente un certains nombre d’avantages permettant d’améliorer la performance énergétique des procédés industriels.
♦ elle fournit une vision globale du site industriel étudié, optimisant la récupération d’énergie et minimisant ainsi les pertes énergétiques présentes dans les flux chauds non refroidis.
♦ elle permet d’adapter les consommations d’énergie des utilités aux besoins du procédé, contrairement aux méthodes traditionnelles, qui portent en premier lieu sur les utilités en les séparant du procédé de fabrication.

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I : Étude bibliographique sur les méthodes d’analyse énergétique et d’optimisation mathématique
1. La méthode du Pincement : principes, applications et limitations
1.1. Présentation de la méthode
1.2. Construction du réseau d’échangeurs de chaleur
1.3. Targeting et Objectifs
2. Autres méthodes d’analyse
2.1. Analyse exergétique
2.2. La méthode du pincement étendue à l’analyse exergétique
2.3. La méthode de Frazier
2.4. Analyse de cycle de vie
3. Optimisation mathématique
3.1. Formulation d’un problème d’optimisation
3.2. Programmation linéaire et non linéaire
3.3. Méthodes heuristiques et métaheuristiques
Conclusion
Chapitre II : Conception d’un réseau d’échangeurs de chaleur sous contraintes multiples
1. Choix d’un algorithme existant
1.1. L’approche simultanée
1.2. L’approche séquentielle
1.3. L’approche par linéarisation
1.4. Les approches méta-heuristiques
1.5. Les méthodes de reconception/rénovation
1.6. Choix de l’algorithme de Barbaro et Bagajewicz
2. Mise en œuvre numérique
2.1. Choix des cas de référence
2.2. Environnement de développement
2.3. Discrétisation en trois étapes
2.4. Précalcul des éléments non linéaires
2.5. Flux procédés à températures de sortie variables
3. Différenciation des technologies d’échangeurs de chaleur
3.1. Présentation et interface
3.2. Implémentation dans le modèle de HEN
3.3. Validation sur un cas de référence
4. Utilisation de l’algorithme sur un cas industriel de raffinerie pétrochimique
4.1. Présentation du cas
4.2. Premiers résultats
4.3. Simplification des flux
4.4. Amélioration des utilités
Conclusion
Chapitre III : Module de pré-sélection d’utilités thermodynamiques
1. Développement du module de préselection : Inspiration et Principes physiques
1.1. Les différents types d’utilité
1.2. Restriction de l’espace de recherche
1.3. Zonage thermique des autres utilités
2. Formulation mathématique et cas d’exemple
Chapitre IV : Application de la méthodologie à une usine de fabrication de papier
1. Méthodologie d’étude de problèmes d’intégration énergétique
1.1. Enchainement Présélection des Utilités / Conception du HEN
1.2. Analyse de l’état actuel du procédé
1.3. Etudes avec/sans retrofit des échangeurs/utilités existants
2. Étude préliminaire du procédé de fabrication de papier
2.1. Présentation générale
2.2. Consommations actuelles
2.3. Consommation théorique minimale : vision thermodynamique
2.4. Consommation théorique minimale : vision technologique
2.5. Evaluation des solutions de récupération déjà en place
3. Etudes de reconception du procédé papetier
3.1. Reconception générale de la valorisation des condensats
3.2. Intégration de nouvelles utilités thermodynamiques
3.3. Optimisation des pompes à chaleur
Conclusion
Conclusion Générale

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