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PIeCE Program for North American Mobility In Higher Education Rev:2.3 Créé à LÉcole Polytechnique de Montréal & Universidad de Guanajuato Program for North.

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1 PIeCE Program for North American Mobility In Higher Education Rev:2.3 Créé à LÉcole Polytechnique de Montréal & Universidad de Guanajuato Program for North American Mobility in Higher Education (NAMP) Introducing Process Integration for Environmental Control in Engineering Curricula (PIECE) Module 8: Introduction à lIntégration des Procédés - Niveau 3

2 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 2 Résumé du projet Objectifs Créer des modules disponibles via internet pour aider les universités à présenter lintroduction de lintégration des procédés dans les programmes détudes en ingénierie. Rendre ces modules largement disponibles dans chacun des pays participants Institutions participantes Deux universités dans chacun des trois pays (Canada, Mexique et États-Unis) Deux instituts de recherche dans différents secteurs de lindustrie: pétrole (Mexique), pâtes et papiers (Canada) Chacune des six universités a parrainé 7 échanges détudiants durant la période de la bourse, subventionnée en partie par le gouvernement des 3 pays.

3 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 3 Quelle est la structure de ce module ? Tous les modules sont divisés en 3 niveaux, chacun ayant un but spécifique: Niveau 1: Information préliminaire Niveau 2: Application avec des études de cas Niveau 3: Problèmes avec structure de réponse ouverte Ces niveaux doivent être complétés dans cet ordre spécifique. Les étudiants seront questionnés à différents moments pour mesurer leur degré de compréhension, avant de passer au niveau suivant. Chaque niveau comprend un énoncé dintention au début et un quiz à la fin. Structure du Module 8

4 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 4 Quel est le but de ce module ? Le but de ce module est de couvrir les aspects de base des méthodes et outils de lIntégration des Procédés, et de situer lIntégration des Procédés dans une perspective plus vaste. Cette étape a été identifiée comme pré-requis pour les autres modules en relation avec lapprentissage de lIntégration des Procédés. But du Module 8

5 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 5 Niveau 3 Problèmes à développement ouvert

6 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 6 Niveau 3: Objectif Niveau 3: Énoncé dintention Le but de ce niveau est de résoudre une application réelle de l Intégration des Procédés dans lequel létudiant doit interpréter les résultats obtenus à partir dun éventail doutils de l Intégration des Procédés. À la fin du niveau 3, létudiant devrait être capable didentifier: Les bénéfices à utiliser les outils de l Intégration des Procédés Les opportunités potentielles déconomie lorsque les outils de l Intégration des Procédés sont utilisés La réduction de limpact environnemental résultant de lapplication des outils de l Intégration des Procédés Comment lapplication des outils de l Intégration des Procédés peut être utilisée pour obtenir un procédé fonctionnel

7 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 7 Le procédé de mise en pâte Kraft Les caractéristiques de base du procédé de mise en pâte Kraft sont décrites sur la diapositive suivante. Les copeaux de bois (contenant 50% deau) sont amenés dune trémie dimpulsion (a surge hopper) vers une unité de préétuvage pour faciliter limprégnation subséquente des copeaux avec les produits chimiques. Un alimentateur à haute pression transfère les copeaux à partir de létuveur jusquau lessiveur. Dans le lessiveur, les copeaux de bois sont cuits avec une liqueur blanche (un mélange de produits chimiques de cuisson, incluant NaOH, Na2S, Na2CO3 et de leau) pour solubiliser la lignine dans les copeaux de bois. Dans le procédé de cuisson, du méthanol est produit. Suite au lessivage de la lignine, les produits chimiques servant à la cuisson sont éliminés de la pâte. Une unité de lavage à contre-courant à étapes multiples est utilisée pour minimiser les traces de produits chimiques dans la pâte. On appelle liqueur noire faible, les résidus chimiques suite au procédé de mise en pâte. La liqueur noire contient des sels de sodium, de la lignine dissoute, (hydroxyde, sulfure, carbonate, chlorure, sulfite et sulfate), du méthanol et de leau. Avant que lévacuation (the outlet) du lessiveur soit alimentée vers la blanchisseuse, la pâte cuite et la liqueur noire passent dans un réservoir de décharge où la pâte est séparée de la liqueur noire faible qui est dirigée vers un système de récupération pour être convertie en liqueur blanche. La première étape de la récupération est la concentration de la liqueur noire faible via des évaporateurs à effets multiples (multiple effect evaporators). La solution concentrée est pulvérisée dans une chaudière de récupération. Le procédé dévaporation résulte dans la production dune grande quantité de condensats combinés, considérée comme un courant deaux usées et de déchets gazeux dont le polluant principal est le H 2 S. Le salin en provenance du four est dissout dans leau pour former une solution verte qui entre en réaction avec de la chaux (CaO) pour produire une liqueur blanche et une « boue » de carbonate de calcium. La liqueur blanche récupérée est mélangée avec du matériel de fabrication (make-up) et recyclé vers le lessiveur. La boue de carbonate de calcium est décomposée par la chaleur (thermally) dans un four pour produire de la chaux laquelle est utilisée dans la réaction de caustification. Il y a de nombreux déchets gazeux émis durant le procédé, certains pouvant être utilisés pour générer ou cogénérer de la vapeur. Niveau 3 – Énoncé du problème Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design ToolsPollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools

8 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 8 Niveau 3 – Énoncé du problème Extinction de la chaux et Caustification Sédimentation et Filtration Lessiveur Réservoir de décharge Four de récupération Cuvier à dissoudre Four à chaux Évaporateurs À effet multiple Chaux Liqueur blanche récupérée Pâte pour fabrication ultérieure Gaz Sortie des gaz Copeaux de bois Vapeur Liqueur noire faible Vapeur Liqueur noire forte Condensat Gaz de carneau Salin Sortie de gaz Eau Liqueur verte Carbonate de Calcium Air Gaz Déchet gazeux Blanchisseuse Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools

9 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 9 Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft Les moulins de pâtes et papiers utilisent beaucoup deau fraîche qui entraîne la production dune quantité significative deffluents aqueux. Donc, lobjectif doptimiser lusage de leau et du rejet des eaux usées présente un défi majeur à lindustrie. Dû au contact direct de leau avec des espèces variées, les sédiments aqueux sont chargés de composés divers incluant du méthanol, des éléments non-traités et des espèces organiques et inorganiques. Le méthanol est classé comme un polluant à haute priorité pour lindustrie des pâtes et papiers. De plus, il pourrait produire une source de revenus sil était adéquatement récupéré. Le mé thanol se retrouve dans la plupart des sédiments du procédé de mise en pâte Kraft, particulièrement dans le condensat à la sortie de lunité dévaporation à effet multiple et le condensateur utilisé pour condenser la vapeur de lunité de pré-vaporisage avant que les copeaux de bois soient dirigés vers le lessiveur. Tous les sédiments des eaux usées sont traités en utilisant des bio-traitements puis rejetés à la rivière. Tous les sédiments rejetés dans la rivière ne doivent pas contenir de méthanol dans une proportion excédant 15 ppmw. Linformation suivante est disponible pour léquipement de bio-traitement: Composition de méthanol acceptable à lentrée du bio-traitement < ppmwComposition de méthanol acceptable à lentrée du bio-traitement < ppmw Composition moyenne de méthanol à la sortie = 15 ppmwComposition moyenne de méthanol à la sortie = 15 ppmw Coût dopération du bio-traitement = 0.11*M *G où M est la charge de masse (kg/h) de méthanol et G est le débit des eaux usées (kg/h)Coût dopération du bio-traitement = 0.11*M *G où M est la charge de masse (kg/h) de méthanol et G est le débit des eaux usées (kg/h) Niveau 3 – Énoncé du problème Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design ToolsPollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools

10 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 10 Niveau 3 – Énoncé du problème Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft (2) La quantité de méthanol dans les eaux usées pourrait être réduite en utilisant un stripage à lair et récupérée à partir des courants aqueux pour produire des ventes de méthanol supérieures au coût de récupération. Le débit de lair est déterminé comme suit: L = 0.5*ƒ*G Où L et G sont respectivement le débit de masse (kg/h) dair et des eaux usées, et ƒ est le retrait de la masse fractionnaire de méthanol dans leau, par stripage ou épuration (stripping). Le coût dopération de lépuration à lair (air stripping) nous est donné dans la relation suivante: Coût dopération (US$/h) = 0.003*L (kg air/h) Ce coût inclut la compression de lair et la condensation du méthanol. Lopérateur du plan de traitement des eaux usées a également des difficultés à prévoir quand le procédé de traitement ira dun régime dopération à un autre, ou quand le procédé produira de leau avec des concentrations de méthanol et autres polluants au delà des limites permises. Il dispose des données dopération de lunité de traitement pour les trois dernières années, mais il ne sait pas comment interpréter une si grande quantité dinformation. Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design ToolsPollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools

11 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 11 Niveau 3 – Énoncé du problème Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft (3) En plus du méthanol, un des principaux polluants retrouvés dans les effluents aqueux des moulins de mise en pâte Kraft, on retrouve dautres composés organiques et inorganiques. Ils incluent le chloroforme, la formaldéhyde, le phénol, etc, dépendamment du moulin et du procédé utilisé. Le phénol est une préoccupation principalement à cause de sa toxicité, de sa désoxygénation et de sa turbidité. De plus le phénol peut causer un goût inacceptable à la chair de poisson et à leau potable. Différentes techniques peuvent être utilisées pour séparer le phénol. Trois technologies externes sont considérées ici pour retirer le phénol. Ces procédés incluent ladsorption avec du charbon activé, léchange dions utilisant une résine polymérique et le débourrage en utilisant de lair. Les coûts dopération pour chacune des méthodes comprend le coût de fabrication (make-up) et le coût de régénération. Pour le charbon activé, la vapeur est utilisée pour régénérer lagent séparateur de masse (the mass-separating agent) tandis que la soude caustique (NaOH) est utilisée pour la régénération de la résine déchange dions (the ion exchange resin). Dans le cas de lépuration à lair (air stripping), la vapeur gazeuse qui sort de lunité déchange de masse (mass-exchange unit) ne peut pas être libéré dans latmosphère dû à la régulation sur la qualité de lair. Donc, lair sortant de lunité de séparation (separation unit) approvisionne une unité de récupération du phénol dans laquelle on utilise un réfrigérant pour condenser le phénol. Le coût dopération pour chaque technologie est donc respectivement US$, US$ et US$ par kg de phénol retiré pour le charbon activé, la résine déchange dions et le débourrage par succion. Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design ToolsPollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools

12 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 12 Niveau 3 – Énoncé du problème Énergie dans le procédé de mise en pâte Kraft Le procédé de mise en pâte Kraft est un procédé à forte intensité dénergie: lutilisation de lélectricité, commune à tous les moulins de pâtes et papiers, inclut le pompage, lutilisation de lair et de lallumage (lighting). De plus, les besoins en vapeur et la grande quantité de liquide à traiter( process streams) font de ce secteur de lindustrie un bon candidat pour une amélioration de lintégration de la chaleur (for improved heat integration). La concentration de liqueur noire est normalement lopération utilisant le plus de vapeur dans un moulin de mise en pâte Kraft. Les évaporateurs installés dans les années 60 et 70 furent construits avec quatre ou cinq effets, tandis que la plupart des moulins Kraft aujourdhui utilisent cinq ou six évaporateurs … (effect evaporators), avec un concentrateur pour augmenter encore plus le contenu en matières solides. Lalimentation (Firing) des chaudières de récupération de la liqueur noire avec des contenus en solides plus élevés, améliore la performance globale des chaudières et est une tendance générale dans lindustrie. Pour contourner ce problème de consommation dénergie le moulin de pâte Kraft utilise la biomasse. En fait, en plus dêtre la matière première (feedstock) pour la production de la pâte et du papier, la biomasse est une source dénergie majeure pour lindustrie. Lindustrie a aussi accès aux résidus de labattage du bois de trituration (pulpwood), dont certains peuvent être retirés de la forêt sur une base viable. Toute la liqueur noire et la plupart des résidus du moulin sont utilisés sur le site du moulin pour alimenter les systèmes de cogénération, procurant de la vapeur et de lélectricité utilisables sur place. La cogénération aussi appelée chaleur et puissance combinée (Combined Heat and Power) (CHP) est la production simultanée délectricité et de chaleur utilisables à partir du même combustible et énergie. Un système de cogénération typique consiste en un moteur (engine), une turbine à vapeur, ou turbine à combustion qui fait fonctionner un générateur. Un échangeur thermique (waste heat exchanger) récupère la chaleur perdue par le moteur et/ou des gaz déchappement pour produire de leau chaude et de la vapeur.

13 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 13 Niveau 3 – Énoncé du problème Énergie dans le procédé de mise en pâte Kraft (2) La cogénération produit une certaine quantité de puissance électrique et traite de la chaleur avec 10% à 30% moins de combustible que requis pour produire lélectricité et traiter la chaleur (process heat) séparément. Les installations avec des systèmes de cogénération les utilisent pour produire leur propre électricité, et utiliser lexcédent (déchet) de chaleur pour fabriquer de la vapeur, pour chauffer leau, pour chauffer les locaux, et autres besoins thermiques. Ils peuvent aussi utiliser lexcès de chaleur émise pour produire de la vapeur pour la production délectricité. Dans la récupération chimique, lusine de vapeur, les aires de cogénération, les solides de la liqueur de pâte achetés et les résidus de bois générés sur place, la boue de clarificateur primaire, (primary clarifier sludge) provenant de lusine de traitement des eaux usées, et les boutons( knots) sont brûlés pour récupérer des matériaux chimiques de cuisson (cooking chemicals) et pour produire de lénergie. Les liqueurs résiduaires comptent aujourdhui, pour plus de 70% des combustibles dérivés de la biomasse dans lindustrie des pâtes et papiers. Dans le procédé de récupération, la liqueur noire forte résultante provenant des évaporateurs, est pulvérisée dans la chaudière de récupération, où le contenu organique dans la liqueur est brûlé, dégageant de lénergie et produisant de la vapeur pour utilisation dans le moulin. Durant la combustion, la portion inorganique de la liqueur noire forte produit un gaz de carneau (flue gas) Le ratio de production électricité/chaleur pour un système de cogénération à turbine à vapeur conventionnelle à contre-pression va de kWh/GJ, ce qui est relativement bien en rapport (well- matched) aux besoins en vapeur et en électricité dans les moulins plus anciens. Des ratios électricité/ chaleur plus élevés sont possibles en utilisant la biomasse et les technologies de cogénération de la liqueur noire, basées sur les turbines au gaz au lieu des turbines à vapeur. Le développement des technologies dans un but commercial pour convertir la liqueur noire ou les résidus de la biomasse en combustible de gaz est continu, en parallèle avec les systèmes de nettoyage nécessaires pour pouvoir utiliser le gaz dans les cycles de turbines au gaz.

14 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 14 Niveau 3 – Questions Question 1. Le traitement de leau usée dans le procédé de mise en pâte Kraft Quels outils de lIntégration des Procédés pourraient être utilisés pour aborder toutes les questions présentées dans les diapositives traitant du méthanol? Définir les étapes dans la méthodologie que vous utiliseriez pour répondre aux points suivants: (A)Une réduction au minimum du méthanol dans le flot des eaux usées, aussi bien que lutilisation réduite deau et la diminution du rejet des eaux usées (B)Un compromis entre la minimisation des coûts dopération en relation avec les éléments mentionnés en (A) et les bénéfices résultant de la récupération du méthanol (C)Interprétation et utilisation des données du processus dopération pour aider lopérateur de lusine de traitement à obtenir un meilleur contrôle de lopération de lusine de traitement des eaux usées Question 2. Le traitement des eaux usées dans le procédé de mise en pâte Kraft (2) En utilisant vos connaissances des outils de lIntégration des Procédés, décrivez la méthodologie qui pourrait être utilisée pour choisir le meilleur agent de séparation de masse (mass-separating) pour traiter le flot de déchets de phénol dans ce moulin de pâtes et papiers Kraft.

15 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 15 Niveau 3 – Questions Question 3. Lénergie dans le procédé de mise en pâte Kraft Avec les connaissances acquises lors des deux derniers niveaux, de lIntégration des Procédés, proposez une méthodologie qui vous aiderait à identifier les possibilités déconomie dénergie ainsi que le potentiel de cogénération dans un moulin de pâte à papier Kraft. Donnez les détails pour chacune des étapes choisies pour conduire une telle étude, sans oublier dinclure dans votre proposition limpact de votre solution sur lenvironnement.

16 PIECENAMP Module 8: Introduction à lintégration des procédés 16 Fin du Niveau 3 Ceci est la fin du Module 8. Veuillez s.v.p. soumettre votre rapport à votre professeur pour évaluation. Nous sommes toujours intéressés aux suggestions susceptibles daméliorer le cours. Vous pouvez nous contacter à:


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