Modélisation du transfert de chaleur pour optimiser l’utilisation de l’énergie : Une étude de cas
Introduction
Les réacteurs discontinus sont couramment utilisés dans divers processus chimiques. Ils sont généralement utilisés pour le mélange, la réaction des matières premières, les fermentations ou, dans le cas présent, pour le traitement des déchets. L’un des principaux défis liés au fonctionnement des réacteurs discontinus est la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer le contenu du réacteur à la température souhaitée. Cela peut entraîner des coûts énergétiques importants et des impacts environnementaux associés. Pour résoudre ce problème, des systèmes de récupération de la chaleur sont souvent utilisés pour récupérer la chaleur résiduelle du réacteur et l’utiliser pour préchauffer la matière première entrante. Dans cet article, nous explorons la modélisation préliminaire d’un système de récupération de chaleur transitoire pour un réacteur discontinu, qui peut ensuite être utilisé pour améliorer l’efficacité énergétique et l’économie du processus.
Définir le problème de modélisation
Une fois la réaction terminée, il est indispensable de refroidir le mélange réactionnel chaud avant de le soumettre aux processus suivants. Une solution pratique consiste à utiliser la charge froide entrante, en la faisant circuler par l’intermédiaire d’un serpentin ou d’une enveloppe, intégrés dans le réacteur ou l’entourant. Cela permet non seulement de refroidir le mélange réactionnel chaud, mais aussi de réchauffer la charge entrante. Compte tenu de la nature discontinue de ce processus, il est évident que nous sommes confrontés à un défi transitoire de récupération de chaleur qui nécessitera ultérieurement un réglage fin pour un fonctionnement optimal. Pour bien comprendre les mécanismes et obtenir le résultat souhaité, il est essentiel de se concentrer sur des variables spécifiques : les températures de l’eau de charge, du réacteur et de la ligne de retour. La modélisation de ces variables dans le temps permettra non seulement de comprendre leur dynamique, mais aussi de définir la stratégie opérationnelle la plus efficace.
Formulation du modèle
Le modèle mathématique est établi à partir des équations fondamentales de conservation de la masse et de l’énergie. La figure montre une représentation schématique de l’opération à modéliser.
Cette modélisation mathématique permet d’obtenir l’équation suivante pour décrire le changement de température de l’eau de chargement :
L’équation suivante est dérivée pour décrire le changement de température du réacteur :
Résolution du modèle
Une fois que la modélisation du système de transfert de chaleur transitoire est bien établie, une pléthore d’observations perspicaces peut être extraite, guidant les décisions opérationnelles critiques. Tout d’abord, le modèle peut aider à identifier les facteurs limitant le taux dans le processus de transfert de chaleur. En simulant différentes conditions opérationnelles, nous pouvons prédire comment des changements de variables telles que le débit, la vitesse de mélange ou les températures initiales peuvent affecter les performances globales du système. Le modèle peut être utilisé pour prévoir le moment optimal pour lancer les processus en aval, en veillant à ce que le mélange réactionnel atteigne la température souhaitée, maximisant ainsi l’efficacité du processus. L’identification des possibilités d’économie d’énergie est un autre élément précieux. Le modèle est également utile pour tester les effets que les modifications de la conception des serpentins auront directement sur le temps de transfert de chaleur requis.
La figure montre les sorties du modèle pour les profils de température obtenus lors de la circulation de l’eau de charge froide dans les serpentins du réacteur. On constate que les températures du réacteur et de l’eau de charge convergent rapidement dans un premier temps. Cela est dû à la grande différence de température initiale entre le contenu chaud du réacteur et l’eau de charge froide – la différence de température étant la force motrice du transfert de chaleur. Au fur et à mesure que les températures se rapprochent, le taux de transfert de chaleur ralentit.
La question se pose alors : Combien de temps la récupération de chaleur doit-elle être appliquée avant de s’arrêter ?
L’arrêt prématuré de la récupération de chaleur signifie que de la chaleur récupérable précieuse est laissée sur la table, ce qui augmente les coûts de chauffage pour le lot froid entrant. Toutefois, si la récupération de chaleur se poursuit trop longtemps, le temps de fonctionnement par lot augmente, ce qui réduit le débit effectif du réacteur. Il s’agit là d’un excellent exemple d’optimisation opérationnelle, qui fera l’objet d’un article ultérieur.
Essentiellement, avec un modèle de système de transfert de chaleur transitoire bien défini, les ingénieurs disposent d’un outil robuste qui peut être utilisé non seulement pour optimiser l’efficacité opérationnelle, mais aussi pour servir de boussole à l’amélioration continue des processus et à l’innovation.
Auteur : Willem Rossouw
Directeur de l’ingénierie @ Macrotec