Methodology for the design of optimal processes : application to sugarcane conversion processes

par Rami Bechara

Thèse de doctorat en Procédés

Sous la direction de Jean-Marc Schweitzer et de François Maréchal.

Soutenue le 17-11-2015

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Institut Français du Pétrole. Energies Nouvelles (Lyon site) (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Jallut.

Le jury était composé de Jean-Marc Schweitzer, François Maréchal, Marianne Boix.

Les rapporteurs étaient Daniel Favrat, Assaad Zoughaib.

  • Titre traduit

    Méthodologie pour la conception de procédés optimaux : application aux procédés de conversion de canne à sucre


  • Résumé

    L'adoption d'une méthodologie est cruciale pour la conception de procédés chimiques optimaux. L'optimisation multi-objective de modèles rigoureux en est un exemple, jouissant d'une application extensive dans la littérature. Cette méthode retourne un ensemble de solutions, dit de Pareto, présentant un compromis optimal entre les fonctions objectives. Ceci est suivi par une étape de sélection d'une solution d'intérêt répondant à des critères définis. Cette méthodologie s'appliquait, dans le cadre de cette thèse, à deux procédés. Le premier consistait en une distillerie d'éthanol à partir de la canne à sucre, combinée à un système de cogénération et de combustion à partir de la biomasse de canne à sucre. Le deuxième contenait en plus un système d'hydrolyse enzymatique de cette biomasse. Notre première contribution traitait de la construction d'une procédure pour la modélisation, simulation, intégration thermique et évaluation du coût des équipements. La deuxième contribution traitait de l'analyse des résultats réalisée à travers un suivi de variables mesurées, une fragmentation de la courbe de Pareto, une hiérarchisation des variables de décision et une comparaison avec la littérature. La dernière contribution traitait de l'étape de sélection qui s'est réalisée à travers une évaluation économique des solutions, sous des scénarii différents, avec la Valeur Nette Présente comme critère de sélection. En conclusion, cette thèse constitue une première application intégrale de la méthodologie proposée. Elle représente, de par ses contributions, un tremplin pour des applications futures à des procédés chimiques ou biochimiques, plus spécialement pour la canne à sucre


  • Résumé

    The use of a systematic methodology is crucial for the design of optimal chemical processes, namely bio-processes. Multi-objective optimization of rigorous process models is therein a prime example, with extensive use in literature. This method yields a Pareto set of optimal compromise solutions, from which one optimal solution is chosen based on specific criteria. This methodology was applied, in the course of this thesis, to two studied processes. The first consisted in a distillery converting sugarcane to ethanol, combined with a sugarcane biomass combustion and power cogeneration system. The second contained an additional biomass hydrolysis system. Our first contribution deals with the construction of an organized procedure for the modeling, simulation, heat integration and equipment and capital cost estimation of chemical processes. The second contribution deals with the analysis of the optimization results through a tracking of measured variables, the fragmentation of the Pareto curve, an ordering of optimization variables, and a comparisons with literature results. The final realization deals with the selection step realized through an economic evaluation of optimal solutions for various scenarios, with the Net Present Value as the selection criterion. In conclusion, this thesis constitutes a first integral application of the said methodology. It sets, through its contributions, a stepping stone for future application in the field of chemical and biochemical processes, namely for sugarcane processes


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