Methods disponibles

Visualisations

pinch.plot_composites_curves()           # Composite Curves
pinch.plot_GCC()                          # Grand Composite Curve
pinch.plot_streams_and_temperature_intervals()  # Flux et intervalles
pinch.graphical_hen_design()              # Heat Exchanger Network

Result DataFrames

pinch.stream_list                         # Flux avec températures décalées
pinch.df_intervals                        # Intervalles de température
pinch.df_decomposition_flux               # Décomposition par intervalle
pinch.df_surplus_deficit                  # Surplus/déficit énergétique
pinch.df_composite_curve                  # Données courbes composites
pinch.df_heat_exchange_combinations       # Combinaisons d'échange

Calculated Attributes

print(f"Pinch Point: {pinch.T_pinch}°C")
print(f"Hot Utility min: {pinch.Qh_min} kW")
print(f"Cold Utility min: {pinch.Qc_min} kW")
  - 195
  - 50
  - 200

Intervalles de température

On crée une liste de tous les changements de température dans le système pour diviser le problème en intervalles.

Étape 3 : Calcul du problème table (Problem Table)

Bilan énergétique par intervalle

Pour chaque intervalle de température, on calcule :

  • Heat disponible (flux chauds traversant l’intervalle)

  • Heat requise (flux froids traversant l’intervalle)

  • Surplus ou déficit énergétique

Le bilan cumulé permet d’identifier :

  • Pinch Point : où le cascade énergétique atteint son minimum

  • Hot Utility minimale (Qh,min)

  • Cold Utility minimale (Qc,min)

Théorème du Pinch

Le théorème du Pinch énonce :

  1. Aucun transfert de chaleur ne doit traverser le point Pinch

  2. Au-dessus du Pinch : pas de refroidissement externe

  3. En-dessous du Pinch : pas de chauffage externe

Étape 4 : Construction des courbes composites

Courbe Composite Chaude (CCC)

Construction :

  1. Tracer chaque flux chaud dans le diagramme H-T (enthalpie-température)

  2. Décaler verticalement de -ΔTmin/2

  3. Sommer horizontalement tous les flux chauds

La CCC représente le profil de refroidissement total du procédé.

Courbe Composite Froide (CCF)

Construction :

  1. Tracer chaque flux froid dans le diagramme H-T

  2. Décaler verticalement de +ΔTmin/2

  3. Sommer horizontalement tous les flux froids

La CCF représente le profil de chauffage total du procédé.

Identification du Pinch

Le point Pinch est visible sur les courbes composites :

  • C’est le point où l’écart vertical entre CCC et CCF est minimal (= ΔTmin)

  • Il divise le système en deux régions thermiquement indépendantes

Étape 5 : Construction de la Grande Courbe Composite (GCC)

La GCC se construit en :

  1. Calculant la différence entre CCC et CCF à chaque température

  2. Traçant cette différence en fonction de la température décalée

Interprétation de la GCC

  • Zone à droite de l’axe : surplus de chaleur → besoin de refroidissement

  • Zone à gauche de l’axe : déficit de chaleur → besoin de chauffage

  • Point le plus à gauche : point Pinch

  • Extrémité haute : utilité chaude minimale

  • Extrémité basse : utilité froide minimale

La GCC permet d’optimiser le positionnement des utilités :

  • Vapeur HP/MP/BP

  • Eau de refroidissement à différentes températures

  • Réfrigération

Étape 6 : Conception du réseau d’échangeurs (HEN)

Règles de conception

  1. Ne pas traverser le Pinch : aucun échangeur ne doit transférer de la chaleur à travers le point Pinch

  2. Zone au-dessus du Pinch :

    • Respecter CPchaud ≥ CPfroid pour chaque échangeur

    • Utiliser uniquement des utilités chaudes

  3. Zone en-dessous du Pinch :

    • Respecter CPchaud ≤ CPfroid pour chaque échangeur

    • Utiliser uniquement des utilités froides

  4. Règle du tick-off : apparier les flux en priorité pour satisfaire les objectifs de récupération

Nombre minimum d’échangeurs

Le nombre minimum théorique d’unités (MER - Minimum Energy Recovery) se calcule par :

\[N_{min} = N_{streams} - 1\]

où N_streams est le nombre total de flux (chauds + froids + utilités).

En pratique, on ajoute souvent des échangeurs supplémentaires pour :

  • Améliorer la flexibilité opérationnelle

  • Faciliter la maintenance

  • Respecter les contraintes de procédé (pression, encrassement, etc.)

Optimisation coût-énergie

Le choix du ΔTmin est un compromis entre :

  • ΔTmin faible : moins d’utilités mais plus de surface d’échange (coût capital)

  • ΔTmin élevé : moins de surface mais plus d’utilités (coût opérationnel)

L’optimum économique se trouve en analysant le coût total annualisé (TAC) :

\[TAC = \text{Coût capital annualisé} + \text{Coût opérationnel}\]

Étape 7 : Analyse de sensibilité

Il est important d’analyser la robustesse de la solution vis-à-vis de :

  • Variations de débits

  • Variations de températures

  • Disponibilité des flux (arrêts, maintenance)

  • Modes opératoires différents (démarrage, arrêt, régime partiel)

Outils pour l’analyse de sensibilité :

  • Grid diagram : visualisation de la flexibilité du réseau

  • Plus-Minus principle : calcul des marges de sécurité

  • Driving force plots : analyse des forces motrices d’échange

Logiciels disponibles

Plusieurs logiciels commerciaux et open-source existent pour l’analyse Pinch :

  • Aspen Energy Analyzer (Aspen Technology)

  • SPRINT (Centre for Process Integration, Université de Manchester)

  • PinCH (IChemE)

  • SuperTarget (Linnhoff March)

  • EnergySystemModels (open-source Python) ← Ce package !

Références méthodologiques

  • Linnhoff, B., & Flower, J. R. (1978). “Synthesis of heat exchanger networks”. AIChE Journal, 24(4), 633-642.

  • Hohmann, E. C. (1971). “Optimum networks for heat exchange”. PhD Thesis, University of Southern California.

  • Cerda, J., & Westerberg, A. W. (1983). “Synthesizing heat exchanger networks having restricted stream/stream matches”. Chemical Engineering Science, 38(10), 1723-1740.