Process design by optimization of superstructures for the factory of the future (PRO-FUTUR) - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Process design by optimization of superstructures for the factory of the future (PRO-FUTUR)

Conception des procédés par optimisation de superstructures pour l'usine du futur (PRO-FUTUR)

Résumé

Projections from the International Renewable Energy Agency (IRENA) support that by the year 2050, electricity will be the main energy carrier with 50 % of the share of the energy market. The deployment of clean energy production and its integration to the energy market will play a key role towards this objective. Also, the quest for more efficient, sustainable and economic processes is one important challenge that process engineers are constantly facing in research and industry, which commonly need to determine the best structural configuration of a process, leading to the optimal interconnection of the processing units, with the respective set up of the operating conditions. This task would require evaluating several process designs to find the best configuration, which is a tedious and time-consuming approach to execute manually. Therefore, this work is foreseen to enable a practical methodology for process engineers to evaluate multiple process alternatives within a unique superstructure, to determine the best structural arrangement, the set of operating conditions and/or design parameters, leading towards the optimal process configuration regarding some economic, energetic and/or environmental criteria. The methodology is applied to a scenario of energy storage in ammonia, using as reference the conventional Haber-Bosch process. Four process superstructures have been proposed and evaluated to determine the best process structure, which include the selection of: (i) the number of compressors in the main compression stage; (ii) the number of catalytic reactors; (iii) the catalytic material, either Fe-based or Ru-based; (iv) the reactor arrangement, either multibed adiabatic or multitube autothermal; (v) the cooling system for the adiabatic reactors, either indirect (AICR) or direct (AQCR); (vi) the use of intermediate separation; (vii) the separation technology, among the condenser, membrane filters, and PSA; (viii) the use of pressure equalization on the permeate streams of the membrane filters; (ix) the use of an additional condenser after the separation by membranes or by PSA. The main results found through the optimization of these superstructures, allowed to determine that the best structural arrangement consists of two autothermal reactors in series, using the Ru-based catalyst, with two stages of compression, with intermediate and final separation by condensation. This configuration allows to produce 3 994.8 tNH3/y, representing an LCOA of 790.3 €/tNH3, and an energy efficiency of 67.13 %. The specific power consumption of the complete scenario is equal to 10.23 kWh/kgNH3, with the best available technology for ammonia synthesis, based on hydrogen from natural gas, consuming 27.4 GJ/tNH3. The main driver of the energy consumption is the electrolyser, responsible for 9.09 kWh/kgNH3 (88.85 %), while the nitrogen production represents 0.68 kWh/kgNH3 (6.65 %), and the HB synthesis loop consumes 0.46 kWh/kgNH3 (4.50 %).
Selon les projections de l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), d'ici 2050, l'électricité sera le principal vecteur énergétique, avec une part de 50 % du marché de l'énergie. Le déploiement de la production d'énergie propre et son intégration au marché de l'énergie joueront un rôle clé dans la réalisation de cet objectif. De même, la recherche de procédés plus efficaces, durables et économiques est un défi important auquel les ingénieurs des procédés sont constamment confrontés dans la recherche et l'industrie, qui doivent généralement déterminer la meilleure configuration structurelle d'un procédé, conduisant à l'interconnexion optimale des unités opératoires, avec la mise en place respective des conditions d'exploitation. Cette tâche nécessite l'évaluation de plusieurs conceptions de processus pour trouver la meilleure configuration, ce qui est une approche épuisante et chronophage à exécuter manuellement. Par conséquent, ce travail est prévu pour permettre une méthodologie pratique pour les ingénieurs de processus d'évaluer de multiples alternatives de processus dans une superstructure unique, afin de déterminer la meilleure disposition structurelle, l'ensemble des conditions d'exploitation et/ou les paramètres de conception, menant à la configuration de processus optimale en ce qui concerne certains critères économiques, énergétiques et/ou environnementaux. La méthodologie est appliquée à un scénario de stockage d'énergie dans l'ammoniac, en utilisant comme référence le procédé conventionnel Haber-Bosch. Quatre superstructures de procédé ont été proposées et évaluées afin de déterminer la meilleure structure de procédé, qui inclut la sélection de : (i) le nombre de compresseurs dans l'étage de compression principal ; (ii) le nombre de réacteurs catalytiques ; (iii) le matériau catalytique, soit à base de Fe, soit à base de Ru ; (iv) la disposition des réacteurs, soit adiabatiques multi-lits, soit autothermiques multitubes ; (v) le système de refroidissement des réacteurs adiabatiques, soit indirect (AICR), soit direct (AQCR) ; (vi) l'utilisation d'une séparation intermédiaire ; (vii) la technologie de séparation, parmi le condenseur, les filtres à membrane et le PSA ; (viii) l'utilisation d'une égalisation de pression sur les flux de perméat des filtres à membrane ; (ix) l'utilisation d'un condenseur supplémentaire après la séparation par membranes ou par PSA. Les principaux résultats trouvés à travers l'optimisation de ces superstructures, ont permis de déterminer que le meilleur arrangement structurel consiste en deux réacteurs autothermiques en série, utilisant le catalyseur à base de Ru, avec deux étapes de compression, avec séparation intermédiaire et finale par condensation. Cette configuration permet de produire 3 994,8 tNH3/an, soit un LCOA de 790,3 €/t NH3, et une efficacité énergétique de 67,13 %. La consommation d'énergie spécifique du scénario complet est égale à 10,23 kWh/kgNH3, la meilleure technologie disponible pour la synthèse de l'ammoniac, basée sur l'hydrogène du gaz naturel, consommant 27,4 GJ/tNH3. Le principal moteur de la consommation d'énergie est l'électrolyseur, responsable de 9,09 kWh/kgNH3 (88,85 %), tandis que la production d'azote représente 0,68 kWh/kgNH3 (6,65 %), et la boucle de synthèse HB consomme 0,46 kWh/kgNH3 (4,50 %).
Fichier principal
Vignette du fichier
DDOC_T_2022_0103_QUINTERO_MASSELSKI.pdf (10.29 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03887267 , version 1 (06-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03887267 , version 1

Citer

Christian Quintero-Masselski. Process design by optimization of superstructures for the factory of the future (PRO-FUTUR). Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0103⟩. ⟨tel-03887267⟩
63 Consultations
14 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More