USAN-20 – Point Etude - Société Française de Génie des Procédés

Un point de vue industriel sur des besoins en thermodynamique
de procédés
Laurent AVAULLEE
Centre Scientifique et Technique Jean Féger, PAU, France
Société Française de Génie des Procédés – le 28/11/2011 – Lille (France)
TOTAL
Les activités industrielles du Groupe
et ses besoins en Thermodynamique
2 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
THERMODYNAMIQUE: Un outil de base pour une compagnie pétrolière intégrée
La simulation largement utilisée dans les processus industriels
ƒ Estimation des réserves et de la récupération des huiles et gaz de gisement
ƒ Calculs hydrauliques de puits, pipe-lines (both steady-state and dynamic)
ƒ Simulation d’installations Off-shore, de raffinage et de pétrochimie, etc …
ƒ Equipements de sécurité : design des torches, calculs de dispersion et explosion
La thermodynamique est la base de l’évaluation des propriétés
physiques
3 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
Le Pétrole : un matériau complexe traité par plusieurs branches métier
Les huiles et gaz de gisement ne contiennent pas seulement des
hydrocarbures :
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Eau: eaux de gisement, injection de vapeur dans les procédés
Sels: provenant des eaux de gisement
Composés divers en quantité petites: azote, mercure, hélium etc …
Gaz acides: dioxide de carbone, sulfure d’hydrogène
Composés soufrés: mercaptans, sulfures
Procédés d’hydrocarbures nécessitant d’autres constituants:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Méthanol, Mono-éthylene Glycol et Ethanol (inhibition d’hydrates)
Tri-éthylene Glycol pour les procédés de deshydratation de gaz
Amines pour traitement des gaz acides
Hydrogène pour les réformages catalytiques et l’hydro-désulfuration
Alcools, aldéhydes, cétones produits par réactions (pétrochimie)
Solvants polaires pour la distillation extractive (aromatiques, butadiène)
etc,…
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Le Pétrole : un matériau complexe traité par plusieurs branches de TOTAL
Une large plage de conditions opératoires
Basse température -165 °C :
ƒ Liquéfaction du gaz naturel (production huile et gaz amont)
ƒ Récupération d’hydrogène dans les vapocraqueurs (pétrochimie - chimie de base)
Hautes températures > 600 °C :
ƒ Réacteurs de raffinage et pétrochimie (craqueurs cat., vapeur, viscoréducteurs)
Basse pression:
ƒ Distillation sous vide (raffinage sur le résidue atmosphérique)
ƒ Purification du styrène (pétrochimie – chimie de base)
Haute pression:
ƒ Gisements d’hydrocarbures (pouvant excéder 1000 bars)
ƒ Procédé Polyéthylene basse densité (pétrochimie – polymérisation) 3000 bars
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Le Pétrole : un matériau complexe traité par plusieurs branches de TOTAL
Métier de TOTAL: Produire des hydrocarbures (huile, gaz, énergie, BC)
Besoins en thermodynamique:
- Large domaines de constituants (bien au-delà des hydrocarbures)
- Large domaines de conditions
- Au service de métiers très différents
Besoin commun entre plusieurs branches: mélanges d’hydrocarbures et
de corps polaires sous pression, avec association ou non.
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TOTAL
Les non-idéalités dans les mélanges d’hydrocarbures
et leur impact sur les procédés de distillation
7 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
PURIFICATION DE PROPYLENE
Fractionnement de coupes C3 (Propylene + propane + methylacetylene +
propadiene) – Propylène : un monomère fondamental dans les matériaux plastiques
Le propylène est purifié par distillation sous pression (C3-splitter)
Prévision de Hausse de demande mondiale de propylène dans les décénies futures
Exemple de projet : Steam Cracker Plant
ƒ Construction d’une nouvelle tour de distillation pour la purification de propylene à
partir d’une coupe C3 de vapocraqueur
Choix d’un modèle thermodynamique:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Séparation entre hydrocarbures
Très faible volatilité relative entre propane et propylene
Azéotrope entre propane et methylacetylene
Azeotrope entre propane et propadiene
Choix inadéquat de modèle thermodynamique ?
ƒ Estimation du nombre de plateaux et de leurs charges hydrauliques
8 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
PURIFICATION DE PROPYLENE
Exercice Design théorique d’une nouvelle tour de distillation
Capacité de production : environ 570 kta de propylène grade Polymère
Alimentation :
72 t/h
Propylene
Spécification requises:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Pureté en propylene en tête de colonne :
Teneur en propadiene en tête de colonne :
Récupération du propylène en produit de tête :
Utilité au condenseur :
Propane
2,6 %
Propadiene
2,4 %
Methylacetylene
3,5 %
C4 and heaviers
0,5 %
99,9 %
< 0.1 ppm
98,0 %
Eau de réfrigération
Trois package thermodynamiques de base :
ƒ Default PR : équation d’état de Peng-Robinson (Aspen Plus 12.1)
ƒ Tuned SRK : équation d’état de Redlich-Kwong Soave
ƒ Tuned NRTL : approche gamma-phi
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91,0 %
- NRTL Coefficient d’activité
- Fugacity Coeff. Redlich-Kwong
1
Modèle : NRTL – RK
- Tension de vapeur 5 parameters
0
0
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPA-01
P-xy of PROPADIE PROPYLEN
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
10 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
25
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
Pressure bar
Exp Y ISOT-328 R-1 (328,15 K)
Est Y ISOT-328 R-1 (328,15 K)
Exp X ISOT-328 R-1 (328,15 K)
Est X ISOT-328 R-1 (328,15 K)
15
17.5
20
22.5
18
0
Pressure bar
Est Y ISOT-328 R-1 (328,15 K)
Exp X ISOT-328 R-1 (328,15 K)
Est X ISOT-328 R-1 (328,15 K)
16.5 17 17.5 18 18.5 19
Pressure bar
Est Y ISOT313 R-1 (313,15 K)
Exp X ISOT313 R-1 (313,15 K)
Est X ISOT313 R-1 (313,15 K)
9
10 11 12 13 14 15
16
P-xy of PROPANE PROPYLEN
Pressure bar
Est Y ISOT-313 R-1 (313,15 K)
Exp X ISOT-313 R-1 (313,15 K)
Est X ISOT-313 R-1 (313,15 K)
11 12 13 14 15 16 17
Pressure bar
Exp Y ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Est Y ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Exp X ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Est X ISOT-330 R-1 (330,0 K)
20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24
P-xy of METHY-01 PROPA-01
19.5
PURIFICATION DE PROPYLENE
C3 Systems : ELV sur 28 isothermes – calage modèle NRTL
1
1
P-xy of PROPA-01 PROPA-02
0
0
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPA-01
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
1
P-xy of PROPYLEN PROPYNE
1
PURIFICATION DE PROPYLENE
0
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
1
0
30
P-xy of PROPANE PROPYLEN
P-xy of PROPANE PROPYLEN
Pressure bar
Exp Y ISOT-340 R-1 (340,0 K)
Est Y ISOT-340 R-1 (340,0 K)
Exp X ISOT-340 R-1 (340,0 K)
Est X ISOT-340 R-1 (340,0 K)
26
28
P-xy of PROPANE PROPYLEN
Pressure bar
Exp Y ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Est Y ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Exp X ISOT-330 R-1 (330,0 K)
Est X ISOT-330 R-1 (330,0 K)
20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24
Pressure bar
Exp Y ISOT-320 R-1 (320,0 K)
Est Y ISOT-320 R-1 (320,0 K)
Exp X ISOT-320 R-1 (320,0 K)
Est X ISOT-320 R-1 (320,0 K)
16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5
C3 Systems : VLE data from 8 isotherms – Tuned SRK
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
1
0
0.25
0.5
0.75
Mole fraction PROPYLEN
Ajustement de l’équation d’état SRK pour le système Propane / Propylene:
- Acentric factors ajustés sur les tensions de vapeur des corps purs (C3)
- Ajustement de paramètre binaire kij variable avec la température
11 - Société Française de Génie des Procédés – Enseignement de la Thermodynamique – 28/11/2011 - Lille
1
PURIFICATION DE PROPYLENE
Design d’une nouvelle tour de distillation avec 3 configurations
de package thermodynamiques en utilisant des pratiques de
design identiques par ailleurs
Model ELV
NRTL-RK
SRK
Peng-Robinson
Ajustement du Modèle
Oui
Oui
Default simulateur
Nombre de plateaux
190
165
200
Taux de Reflux Requis
13,2
11,3
14,4
Puissance rebouillage
78 MW
69 MW
84 MW
Diamètre de colonne
6,60 m
6,00 m
6,90 m
Hauteur de Colonne
123 m
108 m
129 m
Capex Colonne (estim.)
68 M€
49 M€
79 M€
Pratique TOTAL : NRTL-RK (expérience de nombreux test-runs)
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PURIFICATION DE PROPYLENE
Résultats attendus suivant chaque scénarios:
ƒ NRTL-RK permet de donner le design de référence
ƒ Tuned SRK Model : Ce design résulte en une capacité inférieure à celle attendue
due à l’engorgement des plateaux dans la section d’épuisement. La virole est trop
petite. A la capacité maximale du craqueur, l’opérateur pousse les utilités de la
colonne à leur capacité ultime et maximise la production de Propylène en
respectant les spécifications du produit. Mais la récupération de propylène est très
dégradée et beaucoup de propylène est perdu en fond de colonne. Le produit de
fond (Propane) est mal valorisé. La production de propylène est de 52,6 t/h au lieu
des 67,6 t/h attendue. La dégradation produit dépasse 50 M€ par an.
ƒ Peng-Robinson : Le design obtenu est très confortable. La perte de charge sur les
empilements de plateaux est inférieure à celle attendue. Lorsque le craqueur est
opéré à 75 % de sa capacité maximale, le taux de reflux doit être plus élevé que
spécifié pour maintenir une efficacité optimale des plateaux de tête opérant à la
limite acceptable de pleurage (sous-charge hydraulique en gaz), d’où une surconsommation. On envisage de remplacer les plateaux lors du prochain arrêt (2
M€ de travaux dans 6 ans). De plus, le capital immobilisé est de 15 M€ supérieur à
ce qui était nécessaire.
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DEHEXANISEUR
Procédé d’extraction de benzène d’une coupe C6
Distillation Extractive par la N-méthyl Pyrrolidone (BASF - Lurgi)
- Une distillation extractive avec
solvant NMP
ATM
D304
D305
E314
NMP FRAICHE
P307 P306
P310
E307
65
E315
55
15
E3
06
P302
A
B
36
- Une opération de stripping du
benzène et régénération de solvant
E311
E312
25
D302
D303
D306
30
E302
E308
D307
P303 P311
39 - 26
P305
T303
6
14
T301
E305
14
La charge est une coupe essence étroite obtenue par:
E303
D301
D309
E310A/B
E304
E211
BZ1
A
E313
B
E301
B
- Hydrogénation sélective
P304
E309
- Dépentanisation
A
P301
LU
vers BZ2
- Déhexanisation
P308
Spécification du déhexaniseurs: maximiser la récupération de benzène dans le
produit de tête (C6), valuer limitée en toluène et en methylcyclohexane
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DEHEXANISEUR
Spécification du déhexaniseur:
Récupération de benzène sur l’essence hydrogénée :
> 98 %
Spécification en methyl-cyclohexane :
< 850 ppm
Spécification en toluène :
< 50 ppm
Pratique TOTAL pour la configuration de ce service:
- Package thermodynamique NRTL-RK complété avec UNIFAC
- Efficacité globale 66 % avec des plateaux conventionnels cross-flow
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DEHEXANISEUR
Extrait composition masse % de l’essence hydrogénée
Débit de charge : 40 t/h
2,3-DIMETHYL-1-BUTENE
0,00505
C7DIOLEFINS
0,02040
2-METHYL-PENTANE
1,41925
2-METHYLHEXANE
1,08384
3-METHYL-PENTANE
1,05718
2,3-DIMETHYLPENTANE
0,30265
2-METHYL-1-PENTENE
0,00153
1,1-DIMETHYLCYCLOPENTANE
0,09866
N-HEXANE
3,38057
CYCLOHEXENE
0,00505
2-METHYL-2-PENTENE
0,00396
TRANS-1,3-DIMETHYLCYCLOPENTANE
0,22263
3-METHYLCYCLOPENTENE
0,00545
N-HEPTANE
0,29440
3-METHYL-CIS-2-PENTENE
0,01149
CIS-1,2-DIMETHYLCYCLOPENTANE
0,08625
1,4-HEXADIENE
0,00356
METHYLCYCLOHEXANE
0,57573
2,2-DIMETHYLPENTANE
0,70040
1,1,3-TRIMETHYLCYCLOPENTANE
0,02297
METHYLCYCLOPENTANE
6,06934
ETHYLCYCLOPENTANE
0,68683
2,4-DIMETHYLPENTANE
0,86712
CYCLOHEPTENE
0,03506
2,2,3-TRIMETHYLBUTANE
0,10788
1,1,3-TRIMETHYLCYCLOPENTANE
0,03614
BENZENE
44,76607
TOLUENE
15,90521
3-ETHYL-1-PENTENE
0,27714
2,3-DIMETHYLHEXANE
0,00129
CYCLOHEXANE
1,17041
2-METHYL-1-HEPTENE
0,02495
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DEHEXANISEUR
Colonne de 30 étages théoriques
45 plateaux Koch-Glitsch cross-flow - Virole diamètre 2670 / 2970 mm
SRK
PR
NRTL-RK
40 t/h
40 t/h
40 t/h
Production en tête
24,4 t/h
24,4 t/h
24,4 t/h
Reflux requis
24,5 t/h
22,6 t/h
51,5 t/h
1,00
0,92
2,10
Jet flood (enveloppe diphasique sur aire active)
46 / 42
44 / 40
75 / 68
DC Choking (vitesse dans les déversoirs)
24 / 42
22 / 40
51 / 63
DC Backup Ratio (remontée déversoirs)
26 / 22
26 / 21
32 / 26
Charge alimentation
Taux de reflux requis
Paramètres Hydrauliques simulés plateaux 2 / 45
Débit de charge maximal observé avant contrainte hydraulique : 43 t/h
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Conclusion
L’impact de la non-idéalité d’un système sur un
procédé qui traite ce système se mesure sur le
procédé lui-même
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Modèle Thermodynamique pour les mélanges d’hydrocarbures
Les faibles écarts à l’idéalité doivent être restituées parfaitement pour simuler
certains procédés de séparation de manière acceptable
Les mélanges d’hydrocarbures peuvent tirer profit des modèles de règles de
mélange à deux fluides (NRTL, UNIQUAC, etc …) dans plusieurs cas:
- Ecarts de volatilité faibles (Volatilité relatives proches de 1,2)
- La proximité de points de Bancroft
- D’une manière plus générale et en corolaire, mélange complexes dans
lesquels le comportement de phase de certaines espèces chimiques est un
enjeu ou une spécification de la séparation
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