Méthode multi-échelle pour la conception optimale d'une bioraffinerie multi-produit

De nos jours, de nouvelles technologies sont développées pour produire efficacement des produits dérivés de matières premières autresque le pétrole, comme par exemple la biomasse. En effet, la biomasse et plus spécifiquement la biomasse non alimentaire possède un fort potentielcomme substitut aux ressources fossiles pour des raisons environnementales, économiques et politiques. Dans ce contexte, l’étude des bioraffineries offre de nouvelles opportunités pour le Process System Engineering et plus particulièrement pour des activités de recherche quivisent la conception de systèmes constitués d’entités interconnectés. En effet, le verrou principal se concentre sur la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie qui permet l’intégration de plusieurs échelles spatiales allant de l’échelle moléculaire à celle de l’unité de production. Ces différentes échelles sont essentielles pour décrire correctement le système puisqu’elles interagissent en permanence. La forte dilution des courants est le meilleur exemple pour illustrer ces interactions. En effet, la présence d’eau induit de nombreux problèmes thermodynamiques (azéotropes, etc.) à l’échelle moléculaire, ce qui impacte fortement la topologie du procédé notamment sur les étapes de séparation, de purification et detraitement des purges (pour limiter les pertes en produits). Ainsi, la performance de la séquence d’opérations unitaires de l’étape de purification dépend entièrement de la concentration en eau. De plus dans la conception de bioraffinerie, il est fréquent de coupler fermentation et séparation afin d’améliorer les performances de la fermentation et de limiter la présence d’eau dans l’étapede purification. Par ailleurs, la grande quantité d’eau à chauffer ou refroidir entraine la nécessité de réaliser l’intégration énergétique du réseaud’échangeurs du procédé afin de minimiser le coût les dépenses énergétiques. L’objectif de ce travail est alors de proposer une méthodologie générique et les outils associés afin de lever certains verrous de la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie. Basée sur une approche par superstructure, la finalité de la méthodologie est d’évaluer les performances des alternatives étudiées en termes technico-économiques, environnementaux et d’efficacité énergétique en vue de son optimisation multi-objectifs pour trouver la voie de traitement optimale pour le(s) bioproduit(s) d’intérêt. Le cas d’application retenu se focalise sur la production de biobutanol à partir du système Acétone-Butanol-Ethanolet d’une biomasse d’origine forestière. La première étape de la méthodologie proposée concerne la création de la superstructure de la bioraffineriebasée sur une décomposition de cette dernière en 5 étapes principales : le prétraitement, la fermentation, la séparation, la purification et letraitement des purges. Ensuite, la seconde étape consiste à modéliser chaque alternative de procédé. Cette modélisation utilise un modèlethermodynamique à coefficients d’activité afin de décrire le comportement fortement non-idéal des molécules du milieu. De plus, l’intégration du traitement des purges et de l’intégration énergétique durant cette étape permet d’améliorer le procédé. Enfin, la dernière étape s’intéresse à l’optimisation multiobjectif qui se focalise sur différents aspects : maximisation de la production, minimisation des coûts, du prix minimal de vente des bioproduits, des pertes en produits et de l’impact environnemental. Cette dernière étape inclut également des études de sensibilité sur les différents paramètres de la méthodologie : opératoires, économiques, environnementaux... A l’issu de l’optimisation, un compromis seratrouvé afin d’obtenir une bioraffinerie durable

From conceptual design to process design optimization: a review on flowsheet synthesis

International audienceThis paper presents the authors’ perspectives on some of the open questions and opportunities in Process Systems Engineering (PSE) focusing on process synthesis. A general overview of process synthesis is given, and the difference between Conceptual Design (CD) and Process Design (PD) is presented using an original ternary diagram. Then, a bibliometric analysis is performed to place major research team activities in the latter. An analysis of ongoing work is conducted and some perspectives are provided based on the analysis. This analysis includes symbolic knowledge representation concepts and inference techniques, i.e., ontology, that is believed to become useful in the future. Future research challenges that process synthesis will have to face, such as biomass transformation, shale production, response to spaceflight demand, modular plant design, and intermittent production of energy, are also discussed

Heat Integration optimization in a Multiproduct Biorefinery

The biorefining is a fast-growing topic and laboratory data about biorefineries accumulate sharply, but this type of process is still mainly unknown at the industrial scale. In this context, it is necessary to propose a method that permits to evaluate the industrial interest in order to design and to build the biorefinery. Moreover, the optimization of water and energy consumption represents two of the most important operating costs in a biorefinery. Thus, to limit utilities consumption, energy integration has to be incorporated for all process design alternatives. The proposed MILP program minimizes utilities consumption in coupling cold streams and hot streams through heat exchangers

Optimal design of an efficient, profitable and sustainable biorefinery producing acetone, butanol and ethanol: influence of the in-situ separation on the purification structure

The bio-based n-butanol has major potential to replace fossil-based products due to, on the first hand, the decline of crude oil and, on the other hand, since the butanol has high potential as fuel. To set its production in industrial scale the development of tools designing the process is needed. In our work, we focus on second generation biorefinery using wood as feedstock. The biorefinery was composed by the pretreatment, the hydrolysis, the fermentation, the butanol recovery and the purification. The proposed methodology is a multiscale decision support tool for the selection of the optimal process design of the biorefinery producing biobutanol. The optimal biorefinery is selected from the superstructure recapping all feasible scenarios after process modelling and simulation, economic and environmental evaluations and energy integration. Thus, the optimal process is profitable, efficient and sustainable. Moreover, to identify the influence of the biobutanol recovery on the fermentation’s performances, the process modelling includes the retroaction of biobutanol recovery. In this study, three biobutanol recovery and four purification scenarios are combined and then processes are compared to select the optimal biorefinery for the bio based butanol production

Modélisation dynamique et contrôle d'une installation pilote pour la capture post-combustion du CO2

peer reviewedA dynamic model of a post-combustion pilot capture plant is developed using Aspen Plus Dynamics. An innovative process control strategy is studied for regulating the water balance of the process. A washing section where the flue gas from the absorber is washed with cold water is included to the process in order to reduce the emissions of amine to the air. Control of the water balance in the solvent loop is successfully achieved by changing the washing water temperature. In previous publications regarding CO2 capture pilot plants, the regulation of the water balance always required a water make-up flow which appears here as unnecessary. Rejection of disturbances and different load reduction scenarios are tested to confirm the efficiency of this strategy. Potential operational problems of this control strategy are identified and solved

Multiproduct biorefinery optimal design: application to the acetone-butanol-ethanol system

The bioproduct from biomass appears to be major interests for future years given the spectacular and fast advances in microbiology. But the industrial developments of the new bioproducts production struggle to follow this constant and massive creation. Therefore, to estimate the potential of new bioproducts is necessary to pre-design biorefineries with the highest relevance. This study proposes a methodology assessing the relevance of such industrialized production. The presented tool is a multi-scale methodology describing a decision-support tool for the determination of an optimal biorefinery from a superstructure through process simulation, and economic and environmental evaluations. To optimize the biorefinery, energy integration is also applied on the selected processes, because a biorefinery needs a large amount of energy to operate, especially in the pretreatment and purification steps of the process due to huge water flowrate. Thus, the tool designs an efficient, profitable and sustainable biorefinery. We demonstrate our methodology capabilities with the acetone, butanol and ethanol production (ABE system) from lignocellulosic biomass, especially from wood wastes

Modeling post-combustion CO2 capture with assessment of solvent degradation

peer reviewedPost-combustion CO2 capture in power plants is one of the most mature technologies for a short-term and large-scale decrease of CO2 emissions while simultaneously addressing the growing global energy demand. CO2 is chemically absorbed in an amine solvent that can be regenerated at higher temperature, producing a pure CO2 stream. However, the large impact of this technology on the power plant efficiency and the environmental penalty are the main drawbacks for large-scale implementation. In this work, an innovative approach combining process modeling and evaluation of the environmental penalty due to amine degradation is presented. Based on experimental results, the kinetics of solvent oxidative and thermal degradation is estimated and included in the process model developed in Aspen Plus. Using this model, the influence of operating parameters like the oxygen concentration in the flue gas or the solvent regeneration pressure is studied. This model is a first step for a multi-objective optimization of the CO2 capture process, assessing both energy and environmental penalties of this technology.Le captage post-combustion du CO2 en centrale électrique est une des technologies les plus matures pour réduire rapidement et à grande échelle les émissions de CO2 tout en répondant à la croissance de la demande mondiale en énergie. Le CO2 est absorbé chimiquement dans un solvant aminé qui est régénéré à haute température, produisant un flux de CO2 pur. Cependant, l’impact de cette technique sur le rendement énergétique de la centrale ainsi que l’impact environnemental lié à la dégradation du solvant aminé freinent l’implémentation à grande échelle. Dans ce travail, une approche innovante combinant l’étude des impacts énergétiques et environnementaux est présentée. Sur base de résultats expérimentaux considérant à la fois la dégradation oxydative et la dégradation thermique sous CO2, la cinétique de dégradation des solvants est évaluée et insérée dans un modèle du procédé réalisé dans le logiciel Aspen Plus. Ce modèle permet d’étudier l’influence des conditions opératoires du procédé telles que la teneur en oxygène des fumées ou la pression de régénération. Il constitue une première étape pour une optimisation multi-objectif du procédé de captage de CO2 afin d’identifier un compromis entre le coût énergétique de cette technologie et son impact environnemental.Capture du CO

Modélisation dynamique et contrôle d'une unité pilote de capture de CO2 en post-combustion

A dynamic model of a post-combustion capture pilot plant is developed using Aspen Plus Dynamics. An innovative process control strategy is studied for regulating the water balance of the process. A washing section where the flue gas from the absorber is washed with cold water is included to the process in order to reduce the emissions of amine to the air. Control of the water balance in the solvent loop is successfully achieved by changing the washing water temperature. In previous publications regarding CO2 capture pilot plants, the regulation of the water balance always required a water make-up flow which appears here as unnecessary. Rejection of disturbances and different load reduction scenarios are tested to confirm the efficiency of this strategy. Potential operational problems of this control strategy are identified and solved

Modélisation du captage post-combustion de CO2 avec évaluation de la dégradation des solvants

Post-combustion CO2 capture in power plants is one of the most mature technologies for a short-term and large-scale decrease of CO2 emissions while simultaneously addressing the growing global energy demand. CO2 is chemically absorbed in an amine solvent that can be regenerated at higher temperature, producing a pure CO2 stream. However, the large impact of this technology on the power plant efficiency and the environmental penalty are the main drawbacks for large-scale implementation. In this work, an innovative approach combining process modeling and evaluation of the environmental penalty due to amine degradation is presented. Based on experimental results, the kinetics of solvent oxidative and thermal degradation is estimated and included in the process model developed in Aspen Plus. Using this model, the influence of operating parameters like the oxygen concentration in the flue gas or the solvent regeneration pressure is studied. This model is a first step for a multi-objective optimization of the CO2 capture process, assessing both energy and environmental penalties of this technology.Le captage post-combustion du CO2 en centrale électrique est une des technologies les plus matures pour réduire rapidement et à grande échelle les émissions de CO2 tout en répondant à la croissance de la demande mondiale en énergie. Le CO2 est absorbé chimiquement dans un solvant aminé qui est régénéré à haute température, produisant un flux de CO2 pur. Cependant, l’impact de cette technique sur le rendement énergétique de la centrale ainsi que l’impact environnemental lié à la dégradation du solvant aminé freinent l’implémentation à grande échelle. Dans ce travail, une approche innovante combinant l’étude des impacts énergétiques et environnementaux est présentée. Sur base de résultats expérimentaux considérant à la fois la dégradation oxydative et la dégradation thermique sous CO2, la cinétique de dégradation des solvants est évaluée et insérée dans un modèle du procédé réalisé dans le logiciel Aspen Plus. Ce modèle permet d’étudier l’influence des conditions opératoires du procédé telles que la teneur en oxygène des fumées ou la pression de régénération. Il constitue une première étape pour une optimisation multi-objectif du procédé de captage de CO2 afin d’identifier un compromis entre le coût énergétique de cette technologie et son impact environnemental