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AVERTISSEMENT

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Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10

NANCY UNIVERSIT

´E I

NSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Ecole doctorale RP2E

Laboratoire des Science du G´enie Chimique

Laboratoire de Thermodynamique des Milieux Polyphas´es

IFP LyonTH

`E SE pr´esent´ee par

Jean-Fran¸cois PORTHA

Ing´enieur des Industries Chimiques - ENSIC

Agr´eg´e de Sciences Physiques option Proc´ed´es Physico-Chimiques pour obtenir le grade de

Docteur en Sciences de l"INPL

Sp´ecialit´e

G´enie des Proc´ed´es et des ProduitsM

´E

T HODOLOGIEP OURT ENIRC OMPTED EL"IMPACT ENVIRONNEMENTAL D"UNPROCEDE LORS DE SA CONCEPTIONTh`ese soutenue publiquement le 4 novembre 2008 devant la commission d"examen :

Rapporteurs

Jacques BOURGOIS

Patrick ROUSSEAUX

Examinateurs

Jean-No¨el JAUBERT (Co-directeur de th`ese)

Fran¸cois MARECHAL

Marie-No¨elle PONS (Directeur de th`ese)

Invit´es

Fr´ed´erique BOUVART

Sylvain LOURET (Promoteur industriel)

Table des mati`eres

R emerciements7

R´esum´e9

Liste des symboles11

Introduction g´en´erale17

1 Etude bibliographique19

1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2 Les impacts ´ecologiques des activit´es humaines . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.2 Le changement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3 Le raffinage du p´etrole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.2 Fonctionnement d"une raffinerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.3.3 Fractionnement initial des p´etroles bruts . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.4 Am´elioration des indices d"octane des essences de distillation . . . . 26

1.3.5 Les hydroraffinages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.3.6 Les proc´ed´es de conversion des charges lourdes . . . . . . . . . . . . 27

1.4 L"analyse de cycle de vie : d´efinition et structure . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.4.1 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.4.2 Structure et cadre normatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.4.3 D´efinition des objectifs et du cadre de l"´etude . . . . . . . . . . . . 29

1.4.4 Analyse de l"inventaire du cycle de vie . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.4.5 Evaluation des impacts sur l"environnement . . . . . . . . . . . . . 32

1.4.6 Interpr´etation et am´eliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.5 Applications et limites de l"ACV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.5.1 L"ACV et les proc´ed´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.5.2 ACV et ´emissions de GES d"un proc´ed´e . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.5.3 Principales limites de l"ACV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.5.4 L"ACV exerg´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.5.5 L"ACV appliqu´ee aux proc´ed´es et aux produits . . . . . . . . . . . 38

1.6 L"analyse exerg´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3

TAB LED ESM ATI`ERES1.6.1 Introduction `a la notion d"exergie . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 42

1.6.2 Le bilan exerg´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.6.3 Apport et limites de l"exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1.6.4 Applications de l"analyse exerg´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2 Mod´elisations et simulations59

2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.2 Outils utilis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.2.2 Le logiciel ProII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3 Le four de raffinerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.3.2 Sch´ema de proc´ed´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.3.3 Les coefficients de transfert thermique . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.3.4 Bilans thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.3.5 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.4 Le proc´ed´e de reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.4.2 Le reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4.3 Mod´elisation des r´eacteurs catalytiques . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.4.4 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.5 Le proc´ed´e d"hydrotraitement du naphta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.5.2 Etude du proc´ed´e d"hydrotraitement du naphta . . . . . . . . . . . 86

2.5.3 Simulations r´ealis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3 Analyse de cycle de vie des proc´ed´es93

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.2 Le logiciel Simapro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.3 Application de l"ACV aux proc´ed´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.3.1 Caract´eristiques des ´etapes de l"ACV pratiqu´ee . . . . . . . . . . . 94

3.3.2 Les m´ethodes d"´evaluation des impacts . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.3.3 Calcul des ´emissions de GES du sc´enario de base . . . . . . . . . . 96

3.4 Facteurs d"impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.4.1 Le mix ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.4.2 L"´energie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.5 R´esultats pour le four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.6 R´esultats pour le reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.6.2 Influence des utilit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.6.3 Influence des param`etres physiques du proc´ed´e . . . . . . . . . . . . 104

3.6.4 Comparaison des modes d"allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094

TAB LED ESM ATI`ERESBibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4 Analyse exerg´etique des proc´ed´es111

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.2 Calcul de l"enthalpie et de l"entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.2.1 Les ´equations d"´etat utilis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.2.2 L"enthalpie d"un corps pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.2.3 Potentiel chimique d"un constituantidans un m´elange de fluides r´eels113

4.2.4 L"enthalpie d"un m´elange r´eel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.5 L"entropie d"un m´elange r´eel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.2.6 Terme correctif pour le calcul de l"enthalpie et de l"entropie . . . . . 114

4.3 L"exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.3.1 Conditions standard et environnementales . . . . . . . . . . . . . . 117

4.3.2 L"environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.3.3 L"exergie physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.3.4 L"exergie chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.3.5 Int´erˆet de la notion d"exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.4 Calcul du coefficient de fugacit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.4.1 M´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.4.2 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.5 Les bilans ´energ´etique et exerg´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.5.1 Le bilan ´energ´etique appliqu´e aux proc´ed´es . . . . . . . . . . . . . . 123

4.5.2 Le bilan exerg´etique appliqu´e aux proc´ed´es . . . . . . . . . . . . . . 124

4.6 R´esultats pour le four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.6.2 Lien entre exergie d´etruite et avancement . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.6.3 Lien entre exergie d´etruite et ´energie thermique ´echang´ee . . . . . . 125

4.7 R´esultats pour le reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.7.2 Calcul de l"exergie d´etruite pour le sc´enario de base . . . . . . . . . 126

4.7.3 Influence des param`etres physiques du proc´ed´e . . . . . . . . . . . . 127

4.7.4 Analyse exerg´etique par op´eration unitaire . . . . . . . . . . . . . . 131

4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5 Calcul des ´emissions de gaz `a effet de serre137

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.2 Description de l"´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.3 Emissions deCO2lors d"une combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.3.1 Cas g´en´eral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.3.2 Cas particulier d"une combustion de m´ethane . . . . . . . . . . . . 140

5.4 Exergie et impacts environnementaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.4.1 Simulations r´ealis´ees et notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.4.2 Exergie physique et exergie chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5.4.3 Emissions de GES et exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.4.4 Influence des param`etres op´eratoires . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.4.5 Evolution de la DCE en fonction de l"exergie d´etruite . . . . . . . . 1485

TAB LED ESM ATI`ERES5.4.6 Probl´ematique des fronti`eres du syst`eme . . . . . . . . .. . . . . . 149

5.4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.5 Etablissement d"un indice pour calculer les ´emissions de GES d"un proc´ed´e 151

5.5.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.5.2 D´emarche utilis´ee pour le calcul des ´emissions de GES . . . . . . . 151

5.5.3 Calcul des ´emissions de GES pour le reformage catalytique . . . . . 152

5.5.4 R´esultats pour le reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.5.5 Calcul des ´emissions de GES pour l"hydrod´esulfuration . . . . . . . 154

5.5.6 R´esultats pour l"hydrod´esulfuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

5.6 Recherche d"un indice de qualit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.6.2 L"exergie comme indice de qualit´e? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.6.3 D´emarche utilis´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.6.4 Application au cas du reformage catalytique . . . . . . . . . . . . . 159

5.7 Comparaison de deux proc´ed´es de reformage . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.7.2 Comparaison des puissances et des quantit´es de produits obtenus . 160

5.7.3 Emissions de GES et exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

5.7.4 Emissions de GES et indice exerg´etiqueIp. . . . . . . . . . . . . . 165

5.7.5 Qualit´e des produits obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.7.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.8 Indice de d´eveloppement thermo-´economique . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.8.1 Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.8.2 Evolution en fonction du coˆut des ´emissions de GES . . . . . . . . . 168

5.9 M´ethodologie propos´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5.9.1 La m´ethode qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5.9.2 La m´ethode quantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Bilan et perspectives173

Annexes175

Principes de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Programmation des r´eacteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Liste des abr´eviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Bilans de mati`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Description des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Exergies chimiques molaires partielles de r´ef´erence . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Calcul de l"indice d"octane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Interface Fortran/ProII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866

Remerciements

C

e travail a ´et´e r´ealis´e au sein du Laboratoire des Sciences du G´enie Chimique (LSGC)

et du Laboratoire de Thermodynamique des Milieux Polyphas´es (LTMP) de l"Ecole Natio-

nale Sup´erieure des Industries Chimiques (ENSIC), `a Nancy. Il a ´et´e financ´e par l"Institut

Fran¸cais du P´etrole (IFP) de Lyon.

Tout d"abord, je tiens `a remercier Messieurs les Professeurs Michel Sardin et Roland Solimando, directeurs respectivement du LSGC et du LTMP, de m"avoir accueilli et int´egr´e au sein de leur laboratoire de recherche. Que ma directrice de th`ese, Madame Marie-No¨elle Pons, Directeur de recherche CNRS, trouve ici l"expression de ma profonde reconnaissance pour avoir encadr´e ce travail et pour

la confiance qu"elle m"a accord´ee. Ses comp´etences scientifiques, ses pr´ecieux conseils, sa

bienveillance ainsi que ses orientations, m"ont ´et´e d"une grande aide tout au long de la th`ese et ont largement contribu´es `a son bon avancement. J"adresse mes vifs remerciements `a Monsieur le Professeur Jean-No¨el Jaubert, co-

directeur de th`ese. Ses qualit´es scientifiques, sa p´edagogie et son amabilit´e ont grandement

contribu´e au bon d´eroulement de cette th`ese. Ses comp´etences tant dans le domaine de la recherche que dans celui de l"enseignement constituent un v´eritable mod`ele pour tout ´etudiant se destinant `a une carri`ere d"enseignant-chercheur. Mes sinc`eres remerciements vont ´egalement `a Monsieur Sylvain Louret, ing´enieur IFP et promoteur industriel de cette th`ese. Celui-ci a su me faire profiter de ses connaissances et de ses id´ees tout en faisant preuve de grandes qualit´es humaines. Son accueil chaleu- reux `a l"IFP m"a permis de parfaitement m"y int´egrer. Je remercie ´egalement Monsieur Thorsten Burkhardt pour sa confiance et ses conseils.quotesdbs_dbs10.pdfusesText_16