Logiciel Aspen Plus 

Aspen Plus est un outil de modélisation largement utilisé en génie des procédés et génie chimique. Il permet de concevoir, d’optimiser et de suivre les performances des procédés. Il permet de réaliser un bilan de matière, un bilan d’énergie et un bilan d’exergie. Il est constitué de plusieurs blocs d’opérations unitaires. Ces blocs peuvent être assemblés pour modéliser et simuler le procédé souhaité. Aspen Plus a été utilisé dans la littérature pour simuler la pyrolyse et la gazéification de la biomasse afin de prédire les produits : gaz, goudrons et char [1–5]. La composition et les rendements des produits dans ces études sont modélisés : en utilisant des modèles d’équilibre thermodynamique (minimisation de l’énergie de Gibbs) ou en considérant la cinétique des réactions de dégradation et/ou de formation des produits. 

Méthodologie

 Le modèle qui a été développé est constitué de 6 blocs (rectangles colorés) que nous divisons en deux parties (Figure 61) et en annexe 3 : – La partie 1 est la chaîne de conversion de la biomasse en biométhane – La partie 2 est l’intégration énergétique du procédé La partie 1 comprend les blocs du séchage de la biomasse, de la pyrolyse, du craquage et du reformage des matières volatiles, de l’épuration du syngaz et de la biométhanation du syngaz. La partie 2 est constituée de la combustion du char issu de la pyrolyse de la biomasse et de l’apport de chaleur d’abord au procédé de craquage/reformage, ensuite au procédé de pyrolyse, puis au procédé de séchage et enfin au procédé de biométhanation. L’upgrading du biométhane n’est pas inclus. Les différents blocs sont décrits dans la suite.

Principaux équipements utilisés pour la modélisation. 

• Réacteur RSTOIC : Il est utilisé pour modéliser une réaction lorsque la stœchiométrie est connue. Il a été utilisé pour modéliser le séchage et la biométhanation. Les coefficients stœchiométriques ont été spécifiés dans le réacteur. • Réacteur de RYIELD : Si les réactions et leurs stœchiométries sont inconnues, mais que les quantités des produits par unité de masse ou unité de mole du réactif sont connues, le réacteur RYIELD peut être utilisé. Il permet de spécifier les rendements ou de les calculer avec un sous-programme Fortran fourni par l’utilisateur. Il a été utilisé pour modéliser la pyrolyse et la décomposition du char. • Réacteur Rplug : Chapitre 6 : Intégration énergétique du procédé de pyrogazéification couplé à la biométhanation 163 Pour modéliser les réactions dont les stœchiométries et les cinétiques sous ASPEN plus, on utilise le réacteur Rplug ou réacteur piston. Les réactions chimiques doivent être définies et ajoutées au réacteur. La loi d’Arrhenius peut être utilisée pour calculer la vitesse de la réaction. 1 i E N n RT i i r kT e C  − = =  6.1 r est la vitesse de réaction kmol.s-1 m-3 , k le facteur pré-exponentiel, T est la température absolue, E est l’énergie d’activation et R est la constante de gaz parfait, Ci est la concentration du composé i, σi est l’exposant du composé i. La longueur et le diamètre du réacteur sont spécifiés par l’utilisateur. Le temps de séjour est calculé par Aspen et il dépend du volume du réacteur et de la température. Ce réacteur a été utilisé pour modéliser le craquage/reformage des matières volatiles de la pyrolyse. • Le réacteur de RGIBBS : C’est un réacteur qui permet de minimiser l’enthalpie libre des produits. Les propriétés de l’état standard de chaque molécule sortant du réacteur sont utilisées. Ceci peut être réalisé sans avoir à indiquer les réactions mises en jeu et les constantes d’équilibre ou les cinétiques. Il a été utilisé pour simuler la combustion des produits issus de la décomposition du char. • RDFRAC : Ce réacteur permet de modéliser de façon rigoureuse des colonnes de distillation, d’absorption, etc. Les données d’entrée de ce modèle sont : – le nombre d’étages et des spécifications supplémentaires donnant taux de reflux, débit de distillat, la puissance thermique du bouilleur ou du condenseur ; – la position des alimentations et des soutirages ; – le profil de pression dans la colonne. Il a été utilisé pour l’épuration du syngaz. • DSTWU : Chapitre 6 : Intégration énergétique du procédé de pyrogazéification couplé à la biométhanation 164 C’est une colonne de distillation simplifiée qui permet de calculer le taux de reflux donné et de trouver, pour des performances de séparation imposées entre deux constituants clés, le nombre d’étages correspondant à un taux de reflux donné, ou le taux de reflux correspondant à un nombre d’étages. Le modèle de calcul est basé sur les équations de Gilliland et Underwood. Les données à spécifier sont : – les performances de séparation (clé lourde et clé légère) ; – soit le nombre d’étages, soit le taux de reflux ; – la pression en tête et en pied de la colonne. La colonne est supposée adiabatique. Elle a été utilisée pour régénérer le biodiesel. • Échangeur de chaleur ou HEATER Un Heater peut représenter n’importe quelle opération qui échange de la chaleur avec l’extérieur. Le modèle HEATER établit les bilans matière et énergie, indépendamment de la façon dont l’énergie est échangée avec l’extérieur. • Échangeur de chaleur HEATX Par rapport au HEATER, HEATX permet de tenir compte des surfaces et des coefficients d’échange thermique. • Mélangeur (Mixer) Ce module accepte un nombre illimité de débits d’entrée, et les combine en un débit de sortie unique et homogène. Il est supposé adiabatique. • Diviseurs de débits (SPLIT) Un diviseur de débit part d’un débit d’entrée qu’il sépare en un nombre illimité de débits de sortie, tous à la même température, la même pression et la même composition.

Modélisation des propriétés de la biomasse et du char

 Le logiciel intègre une base de données des composés prédéfinis avec des propriétés bien connues. Pour les composés qui ne sont pas prédéfinis, il revient à l’utilisateur d’utiliser les fonctions disponibles dans le logiciel. Pour définir la biomasse et le char, nous avons utilisé le Chapitre 6 : Intégration énergétique du procédé de pyrogazéification couplé à la biométhanation 165 fonction « MIXCINC ». Cette fonction signifie composés conventionnels, solides conventionnels et non conventionnels, sans distribution de taille de particule. Les déchets verts et le char issu de leur pyrolyse ont été définis dans le modèle. Leurs caractéristiques sont données dans le Tableau 29. Les méthodes HCOALGEN et DGOALIGT permettent de calculer l’enthalpie et la densité des déchets verts et du bois en se basant sur les données du Tableau 29. Le débit de la biomasse entrante considéré est de 0,75 kg/h avec une teneur en humidité de 20% sur base humide. Le choix du débit a été fait afin de reproduire les conditions expérimentales.