Cr

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• 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
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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.

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Structure du Module 8

• 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.

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But du Module 8

• 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.

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Niveau 3Problèmes à développementouvert
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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

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Niveau 3 Énoncé du problème
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
H2S. 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.
Reference El-Halwagi, M. M., Pollution
Prevention through Process Integration
Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
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Niveau 3 Énoncé du problème
Reference El-Halwagi, M. M., Pollution
Prevention through Process Integration
Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
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Niveau 3 Énoncé du problème

• 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 méthanol 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 lt 1.000 ppmw
• Composition moyenne de méthanol à la sortie 15
  ppmw
• Coût dopération du bio-traitement 0.11M
  0.0013G où M est la charge de masse (kg/h) de
  méthanol et G est le débit des eaux usées (kg/h)

Reference El-Halwagi, M. M., Pollution
Prevention through Process Integration
Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
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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
0.5ƒG 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)
0.003L (kg air/h) Ce coût inclut la compression
de lair et la condensation du méthanol. Lopéra
teur 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, 1997.
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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 0.737 US, 1.150 US et 2.069 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, 1997.
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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.
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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 40-60 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.
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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
• 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
• 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
• 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.
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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.
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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 http//process-integ
ration.tamu.edu/