Optimisation d'architecture de procédés membranaires

Optimization of membrane process architecture

• Auteur / Autrice : Marjan Bozorg
• Direction : Christophe Castel, Bernardetta Addis, Veronica Piccialli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Università degli studi di Roma "Tor Vergata" (1972-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Marion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Veronica Piccialli, Marco Locatelli, Adele Brunetti, Thibaut Neveux, Andrea Pacifici
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Locatelli, Adele Brunetti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes optimaux

Optimisation globale

Technique de la production

Membranes (technologie)

Gaz -- Séparation

Mots clés libres

Séparation de gaz

Procédé membranaire

Optimisation globale

Algorithme MBH

Gas separation

Membrane process

Global optimization

MBH Algorithm

Résumé

Les procédés de séparation membranaire sont une technologie bien connue et déjà largement utilisée dans le domaine de la purification des gaz. Ces procédés sont applicables à de nombreux secteurs d’activités industriels. Selon les performances de séparation recherchées, elles peuvent constituer une alternative intéressante aux technologies existantes de traitement des gaz (adsorption, cryogénie, contacteurs gaz/liquide). Pour exploiter au mieux cette technologie, le développement d'outils d’aide à la décision permettant d’identifier les procédés et les conditions opératoires économiquement avantageux est absolument nécessaire. Bien que les approches expérimentales d'optimisation appliquées à différentes études de cas conservent un intérêt certain, une approche générale et sa validation dans le cadre de différentes études de cas font toujours défaut. L’objectif principal de cette thèse est de développer un outil numérique le plus générique possible d’optimisation de procédés de séparation membranaire. Dans ce travail, la synthèse du procédé membranaire est traitée et modélisée comme un problème d'optimisation mathématique non linéaire et non convexe basé sur un paradigme de superstructure couvrant une combinatoire d'unités (modules membranaires, compresseurs, pompes à vide) et de connexions la plus exhaustive possible. Des fonctions de coûts réalistes et détaillées sont utilisées comme fonction objectif dans l'optimisation. Une stratégie d'optimisation globale continue, qui peut se considérer comme la composition de deux algorithmes : Multistart et Monotonic Basin Hopping (MBH) ; est présentée pour résoudre le problème d'optimisation susmentionné. L'efficacité de cette démarche d'optimisation est dans un premier temps validée en comparant sa solution à celles présentées dans la littérature. La méthode proposée est ensuite appliquée à l'optimisation de plusieurs cas emblématiques de la séparation de gaz (CO2 de gaz de haut fourneaux, séparation O2/N2 de l’air, traitement du biogaz et du gaz naturel). Différents degrés de liberté du système sont permis et analysés selon les cas (pressions variables, type de membrane variable). L'analyse détaillée des résultats est discutée en termes d’architecture de procédés et de distribution des coûts (CAPEX, OPEX).

Membrane separation is a well-known technology in gas purification, which is applicable in different aspects of the industry. Over the last decades, depending on the required separation performances, it became a viable alternative to several gas separation technologies (adsorption, cryogenics, gas /liquid contactors). To exploit at best this technology, nevertheless, tools to find cost-effective designs and operating conditions are necessary. While experimental optimization approaches applied to different case studies have been investigated extensively, a more generic optimization approach and its validation along different case studies are still missing. The work of this thesis starts with this key observation and tries to fill this gap. The membrane process synthesis is modelled as a nonlinear and non-convex mathematical optimization problem based on a superstructure paradigm covering a wide range of possible units (membrane modules, compressors, and vacuum pumps) and connections as exhaustive as possible. Realistic and detailed cost functions are used as the objective in the optimization. A continues global optimization strategy, that can be considered as the composition of two algorithms: Multistart and Monotonic Basin Hopping (MBH); is presented to solve the aforementioned optimization problem. The efficiency of this overall optimization approach is, first, validated by comparing its solution with the ones presented in the literature. Then, the proposed method is applied to the optimization of several important gas separation cases (CO2 recovery from blast furnace gas, O2/N2 air separation, and biogas and natural gas purification) by increasing the membrane system degree of freedom step by step. Detailed analysis of the results is discussed in terms of process architecture and cost distribution (CAPEX, OPEX).