Faculté des Sciences et Génie MARINISATION DES ......2019/10/03 · I. Iliuta, F. Larachi, Industrial & Engineering Chemistry Research sous presse (2019) 16/ Faculté des Sciences

1/

Faculté des Sciences et Génie

Nov. 11-13/2019 Forum québécois en sciences de la mer, Rimouski - PQ 1/

F. Larachi

Département de génie chimique

Université Laval, Québec, PQ, Canada

Natural Sciences and Engineering Research Council of CanadaConseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada

FORUM QUÉBÉCOIS EN SCIENCES DE LA MERRimouski, PQ – 11-13 novembre (2019)

MARINISATION DES OPÉRATIONS

UNITAIRES VUE PAR LES

INGÉNIEURS CHIMISTES

2/


Nov. 11-13/2019 Forum québécois en sciences de la mer, Rimouski - PQ

PHQ – ÉQUIPE DE RECHERCHE

G.P. Assima (PhD/PDF)

Dr. M. Hamidipour

(PhD/PDF)

Dr. I. Iliuta

(RP/UL)

Dr. M. Schubert (PDF)

J. Zhang (PhD)

W. Liu (PhD)

Dr. I. Mohammed (PDF)

Dashliborun

A.M. (PhD/PDF) N. Heydari (PhD)

H. Bouteldja (MSc)

C. Drechsler(PhD)

A. Wongkia (PDF)

C. Schmidtchen(MSc)

3/



CONTEXTEÉmissions en transport maritime & hydrocarbures offshore(Marinisation des opérations unitaires & réacteurs)

ÉMULATION LABO DU MOUVEMENT MARINSimulateur de houle (hexapode)/banc d’essai colonne garnieÉtudes sur les transferts de masse/réactions chimiques

RESULTATS Q&AQ1? Maldistribution des fluides induite & atténuationQ2? … Son incidence sur l’aire de contact gaz-liquideQ3? CFD & marinisation des réacteurs/opérations unitaires

REMARQUES FINALES

CONTENU

4/



Zoom sur la région du Québec

Prévision des émissions par la voie maritime du Saint-Laurent par classe de navire et par contaminant

Québec Emissions 2020 – Total (tmetric/y)

Vessel ClassCriteria Air Contaminants (CACs) Greenhouse Gases (GHGs)

NOx SOx CO PM CO2 CH4 N2O Fuel_Cons

Coast Guard 404 0 34 8 20 603 0 1 6 784

Fishing 2 0 0 0 172 0 0 38

Merchant Bulk 10 953 473 1 443 308 701 585 20 31 192 364

Merchant Container 6 906 214 667 146 314 145 7 14 92 942

Merchant Cruise 1 246 51 150 34 81 806 2 3 21 410

Merchant Passenger 1 588 64 209 44 103 131 3 4 26 663

Merchant Other 2 266 122 325 81 188 451 4 8 54 597

Special Purpose 345 0 74 12 25 098 0 1 7 597

Tanker 5 367 207 616 135 311 946 8 14 85 994

Tug boat 2 612 1 410 67 139 524 2 6 44 968

War 89 0 8 2 4 943 0 0 1 437

Other 145 0 18 3 6 333 0 0 2 023

Total 31 924 1 133 3 954 838 1 897 738 48 82 536 818

Données: Inventaire des émissions marines

(Environnement & Changement climatique Canada)

Capture CO2 = 0 / conversion CO2 en MeOH = 0 / Mélange MeOH/MDO = 0

5/



EMISSIONS EN TRANSPORT MARITIME

https://www.epa.gov/ghgemissions/ http://www.imo.org/

Transport maritime = 3 % émissions GES, ca. 109 t/an CO2

Mandatory implementation for ALL shipsSEEMP

NEW ships meet efficiency targetsEEDI

New ships must improve efficiency 10%

20% CO2

reduction per tonne/km

New ships must improve efficiency 20%

New ships must improve efficiency by at least 40%

Golden number 70%CO2 reduction per tonne/km

2013 2015 2020 2025 2030 2050

Nations Unies – Feuille de route OMI contrôle GESStratégie initiale OMI réduction émissions GES des navires(Résolution MEPC.304(72), Avr. 2018)

SEEMP = Shipping Energy Efficiency Management Plan

EEDI = Energy Efficiency Design Index

6/



EMISSIONS EN TRANSPORT MARITIME

4.5% 3.5% 0.5%

2012 2020(report possible à 2025)

1.5% 1.0% 0.1%

2010 2015

(S)ECA---(Sulfur) Emission Control Area

Global

International Convention for the Prevention of (Marine) Pollution from Ships (MARPOL Annex VI, reg. 14)

http://www.automobileglobe.com

% Soufre/carburants marins

Options envisagées Substitution fuel lourd bon marché par Diesel marin Passage de la propulsion au fuel vers GNL (< 1% à court terme) Business as usual: laveurs embarqués lavage des gaz de combustion (mesure temporaire:

conformité MARPOL < 15% )

7/



EXPLOITATION OFFSHORE DES HYDROCARBURES

Champs on-shore majeurs gaziers/pétroliers découverts

Réserves GN/pétrole offshoreSystèmes flottants adaptés aux champs offshore/eaux profondes

Floating Production Storage/Offloading

Compliant towers

Tensioned Leg Platform (TLP)

Semi-submersible

Single Point Anchor Reservoir (SPAR)

CO

MM

ON

FLO

ATI

NG

SY

STEM

S

Mobilité après fermeture du site

Adaptée aux petit/grand champs GN/pétrolier

Retrofitting de navires existants

Acheminement direct des produits raffinés

Traitement sur le site d’extraction

Leffler et al. (2003) Deepwater Petroleum Exploration & Production, PennWell

8/



Procédés de traitement à bord FPSO

Séparation saumure/huile Stabilisation des huiles Transport, stockage/déchargement Compression des gaz Lavage des gaz Traitement des huiles Traitement des eaux Injection chimique

COLONNE GARNIE EMBARQUÉE

MARINISATIONConception, refonte ou test de produits spécifiquement destinés à être utilisés et à la survie à long terme dans un environnement marin sévère

Hydrodynamique, transferts, dispersion, aire de contact, conversion chimique/catalytique, etc.

Jaffee et al., Process safety & environmental protection (87) 147-160, 2009

Performance de la colonne dépend des conditions marinesSélection du garnissage vs. impact du mouvement du système flottantOffshore versus onshore (maldistribution, dispersion des fluides, régime d’écoulement, X & S)

Marinisation: Opérations unitaires & reacteurs

9/



Laveur/réacteur sujet(s) aux perturbations marines (6 degrés de liberté)

DEGRÉS DE LIBERTÉ

Sea wave six-degree of freedom ship motion

ROULIS (±15°)

TANGAGE

LACET

CA

VA

LEM

ENT

EMBARDÉE

PILONNEMENT

http://www.ognition.com/589/ship-fso-fpso-motions-illustration www.rmrco.com/docs/m1207_ship_movements_at_sea.pdf

10/






REMARQUES FINALES

CONTENU

11/



Z

X

Y

RZ

RXRY

SIMULATEUR DE HOULE EN LABORATOIRE

Réalité Concept Banc d’essai

12/



Translational & rotational ship motions

Heave (Tz)

Yaw (Rz)

Sway (Ty)

Pitch (Ry)Surge (Tx)

Roll (Rx)

Notus hexapod

SIMULATEUR DE HOULE

Hexapod motion path

Axis Course velocities Acceleration

Tx ± 250 mm ± 500 mm/s ± 10 m/s2

Ty ± 250 mm ± 500 mm/s ± 10 m/s2

Tz ± 200 mm ± 300 mm/s ± 7 m/s2

Rx ± 25 ° ± 50 °/s ± 200 °/s2

Ry ± 25 ° ± 50 °/s ± 200 °/s2

Rz ± 25 ° ± 50 °/s ± 200 °/s2

Tx (Sway)Ty (Surge) Rz (Yaw)

Rx (Pitch)Ry (Roll)Tz (Heave)

13/



OSCILLATIONS/INCLINAISONS PAR L’HEXAPODE

Motion Period (s) Phase lag (°) Amplitude

Roll (Rx) 40/20 / 10 / 5 0 15°

Roll (Rx) + Pitch (Ry) 40/20 / 10 / 5 90° Rx & 0° Ry 15° & 15°

Yaw (Rz) 5 0 15°

Heave (Tz) 5 0 200 mm

Sway (Ty) 5 0 250 mm

Static tilted position (°) 5, 10, 15

Lacet Pilonnement EmbardéeRoulis/tangageRoulis

Heave (Tz)

Yaw (Rz)

Sway (Ty)


Roll (Rx)

14/



BANC D’ESSAI = LIT GARNI//HEXAPODE//CAPTEURS

Raschig ring Open-cell foam M500X Monolith

Garnissages

Propriétés des garnissages

Packing Length

(mm)

Diameter

(mm)

Porosity

(-)

S/V ratio

(m2/m3)

Cell density dh

(mm)

Glass bead - 3 0.395 - - 3.7

Raschig ring 6 6 0.73 789 -

Foam module 100 57 0.9 1296 20 ppi 2.5

M500X 225 - 0.91 500 - 7.3

Monolith module 100 48 0.76 2740 400 cpsi 1.1

15/



RÉACTIONS (NON-)CATALYTIQUES ÉTUDIÉES

Carbamatation des amines (capture de CO2)A. Motamed-Dashliborun, F. Larachi, S.-M. Taghavi, Chemical Engineering Journal 377, 119236 (2019)

I. Iliuta, F. Larachi, AIChE Journal 63, 1064 (2017)

Lavage des gaz de combustion (abattement de NOx/SO2)I. Iliuta, F. Larachi, Catalysts 9, 489 (2019)

Lavage du gaz naturel (abattement H2S/CO2 )I. Iliuta, F. Larachi, International Journal Greenhouse Gas Control 79, 1 (2018)

Désorption (CO2) régénérative des aminesI. Iliuta, F. Larachi, International Journal Greenhouse Gas Control 74, 229 (2018)

Synthèse Fischer-TropschI. Iliuta, F. Larachi, Chemical Engineering Science 177, 509 (2018)

Capture enzymatique du CO2I. Iliuta, F. Larachi, Ocean Engineering 144, 157 (2017)

Hydrodésulfurization du kérosèneI. Iliuta, F. Larachi, Fuel 186, 35 (2016)

Conversion CO2/H2O (r-WGS) en MeOH (plasma micro-ondes)I. Iliuta, F. Larachi, Industrial & Engineering Chemistry Research sous presse (2019)

16/






REMARQUES FINALES

CONTENU

17/



DISTRIBUTION GAZ-LIQUIDE Roulis(UL = 2 mm/s & UG = 32 mm/s)

5 10 15 20 25 30 35 400

Deg

ree

of

un

ifo

rmit

y (

)

0.2 Hz

0.15

0.20

0.25

0

Time (s)5 10 15 20 25 30 35 400

Deg

ree

of

un

ifo

rmit

y (

)

0.1 Hz

0.15

0.20

0.25

0

Time (s)5 10 15 20 25 30 35 400

Deg

ree

of

un

ifo

rmit

y (

)0.05 Hz

0.15

0.20

0.25

0

Time (s)

Roulis

↘ Freq. roulis ↗ maldistribution (écoulement stratifié)Maldistribution ↗ @ position inclinée & ↘ @ position verticale↘ Fréq. ↗ oscillations de la maldistribution

18/



DISTRIBUTION GAZ-LIQUIDE Roulis+tangage(UL = 2 mm/s & UG = 32 mm/s)

Heave (Tz)

Yaw (Rz)

Sway (Ty)


Roll (Rx)

De

gre

e o

f u

nif

orm

ity

( )

Roulis + tangage oscillations maldistribution↘ Fréq. ↗ maldistribution (écoulement stratifié)↘ Fréq . ↗ oscillations de la maldistribution

19/



Maldistribution_légère dégradation vs. statique 0°: lacet, pilonnement, embardéeMaldistribution_indépendante de la fréquenceMouvement périodique hexapode fluctuations de la maldistribution

DISTRIBUTION GAZ-LIQUIDE Lacet, pilonnement,

embardée/cavalement (UL = 2 mm/s & UG = 32 mm/s)

20/



GARNISSAGE ALÉATOIRE, MOUSSE CÉRAMIQUE,MONOLITHE

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)

Liquid superficial velocity (m/s)

Glass beads

Open-cell foam

Monolith

@H = 100 mm

0.04

0.06

0.08

0.1

0.004 0.006 0.008

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)

Liquid velocity (m/s)

0deg 5deg 10deg

15deg 20deg 25deg

Glass beads

@H = 600 mm

0.04

0.06

0.08

0.1

0.004 0.006 0.008M

ald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)


0deg 5deg 10deg

15deg 20deg 25deg

Monolith

@H = 600 mm

LIT VERTICAL _Près de l’ENTRÉE

LIT INCLINÉ_Près de la SORTIE

Monolith RÉSILIENCE monolith vs. inclinaison de litMonolithe > Garnissage Aléatoire/Structuré >

Mousse céramique

21/



0.04

0.06

0.08

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)

Gas velocity (m/s)

0 deg

15 deg

Rx_15deg20s

Glass beads @H = 600 mm0.04

0.06

0.08

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)

Gas velocity (m/s)

0deg

15deg

Rx_15deg20s

Monolith @H = 600 mm

0.04

0.06

0.08

0.004 0.005 0.006 0.007 0.008

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)


0deg

15deg

Rx_15deg20s

Monolith @H = 600 mm

0.04

0.06

0.08

0.004 0.005 0.006 0.007 0.008

Mald

istr

ibu

tion

fact

or

(-)


0deg

15deg

Rx_15deg20s

Glass beads @H = 600 mm

Distribution de fluides robuste/monolithe –RESILIENCE accrue contre perturbations marines

GARNISSAGE ALÉATOIRE, MOUSSE CÉRAMIQUE,MONOLITHE

22/






REMARQUES FINALES

CONTENU

23/



Colonne verticale ae lit pré-mouillé > ae sans pré-mouillage

30

35

40

45

50

55

60

5 10 20 40

ae

(m2/m

3)

Period (s)

M500X Raschig ring

Vertical/Pre-wet M500X

Vertical/no Pre-wet M500X

Vertical/Pre-wet Raschig

Vertical/no Pre-wet Raschig

↗ période ↘ aire interfaciale (zones de ségrégation gaz-liquide)

ae (roulis) > ae (vertical/sans pré-mouillage) mouvements secondairestransversaux du liquide améliorent le mouillage du lit

AIRE DE CONTACT GAZ-LIQUIDE Roulis

UL = 0.67 mm/s, UG = 6.7 cm/s, Amplitude = 15°

24/



Zone de charge↗ amplitude anglulaire ↘ aire interfaciale (lit incliné statique)↗ période ↘ aire interfaciale (roulis)ae (roulis) > ae (lit incliné statique)

5 10 20 40

0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15

Period (s)

ae

(m2/m

3)

ae

(m2/m

3)

Tilt angle (°)

Static Bed Rolling Bed

Garnissage structuré M500XUL = 2.3 mm/s, UG = 23.1 cm/s, Amplitude = 15°

AIRE DE CONTACT GAZ-LIQUIDE Roulis

25/



Lacet PilonnementEmbardée

30

35

40

45

50

55

60

Static dryBed

Yaw Surge/sway Heave Static wetBed

ae

(m2/m

3)

Deg. Lib. non-inclinés

M500XRaschig ring

ae (Deg. Lib. non-incliné) ≈ ae (vertical/pré-mouillage)

AIRE DE CONTACT GAZ-LIQUIDE Lacet, embardée/

cavalement , pilonnement

26/






REMARQUES FINALES

CONTENU

27/



EFFORTS DE CONCEPTUALIZATIONMODÉLISATION & SIMULATION CFD

ANSYS FLUENTEulerian Multiphase Model

Dispersion capillaire (UDF)

Échange aux interfaces de la quantité de

mouvement (UDF)

Dispersion mécanique(UDF)

Solveur non-stationnaire

Couplage Pression-vitesse méthode SIMPLE

Discrétisation Second-order upwind

Conditions aux frontières

Inlet velocity inlet Outlet outflow conditionParoi sans glissement

Roulis (UDF)

28/



X

Z

Y

θ

Gas-liquid inletTop view

3D Grid

0q q q q qvt

( 0q q q q q meshv vt

(2 ( ) )t

q q q q q q q q q q q q q q q

dvdv v v v r r P g F

t dt dt

( )q q q q q q mesh q q q q q qv v v v P g Ft

meshv r

MOVING REFERENCE FRAME

SLIDING MESH

EFFORTS DE CONCEPTUALIZATIONMODÉLISATION & SIMULATION CFD

29/



LOIS DE FERMETURE

Gas-liquid drag

Capillary dispersion

Gas-solid drag

Liquid-solid drag

-gl gl g lF K v v

2/3 1/32

1 22

(1 ) 11 1-

1 1

g g

gl g g g l

g p g p g

K E E v vd d

gs gs gF K v

2/3 1/32

1 22

(1 ) 11 1

1 1

g g

gs g g g

g p g p g

K E E vd d

ls ls lF K v

2

1 22 2

(1 ) (1 )ls l l l

l p l p

K E E vd d

1/3

min

1 1 12 ( )

1c g l l

g p

P P Pd d

2

min

3 1

2pd d

4/3

min

2 1 1 1 1( )( )

3 1 1c l g

p g

Pd d

Mechanical dispersion in liquid

Mechanical dispersion in gas

Drift velocity

Spread factor

, , , , ,( )D mech l ls D l gl D l D gF K v K v v

, , , , ,( )D mech g gs D g gl D g D lF K v K v v

, ( ( ) )m k

D k k k k k

k k

S vv v v

v

0.015m pS d

,k g l

Lappalainen et al., Chem. Eng. Sci. (64) 207-218, 2009

Interphase Momentum Exchange (Drag Forces)

Capillary & Mechanical Dispersion

Attou et al., Chem. Eng. Sci. 54(6) 785-802, 1999

30/



Saturation liquide Mesurée vs. simulation CFDRoulis amplitudes & périodes d’oscillations

Modèle CFD capture la dynamique du roulis sur la saturation liquide

Ro

llax

is

R2

Ro

llax

is

R1

Ro

llax

is

R1

Ro

llax

is

R1

31/



REMARQUES FINALES

MALDISTRIBUTION [Dégradation vs. colonne verticale]• Mouvement incliné (roll; roll + pitch) (↘ fréq. ↗ maldristribution)• Mouvement non-incliné (yaw; heave; sway) maldristribution constante• Monolithe résilient vs. perturbations marines > garnissage aléatoire/structuré/mousse

TRANSFERT DE MATIÈRE• ↘ Efficacité du transfer de masse avec ↘ fréquence• ↘ Aire interfaciale avec ↘ fréquence

[EFFORTS DE CONCEPTUALIZATION] {Roulis}• Roulis/Garnissage aléatoire

Validation Hydrodynamique 3-D + t complétée avec succès

32/



Olive Oyl, Swee’Pea?! I’m speeding!

33/



FLOTTE MARCHANDE MONDIALE vs. Types de navires(Milliards de tonnes de port en lourd & en nombre)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Cap

acit

é d

e c

har

ge, G

TPL

Autres navires Porte-conteneurs

Navires de charge classique Vraquiers

Pétroliers Total

0

20

40

60

80

100

120

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

No

mb

red

e n

avir

es,

M

illie

rs

Autres navires Porte-conteneurs

Navires de charge classique Vraquiers

Pétroliers Total

Conférence des Nations unies sur le commerce et le développement

https://unctadstat.unctad.org/wds/ReportFolders/reportFolders.aspx

https://unctadstat.unctad.org/wds/ReportFolders/reportFolders.aspx

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