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          Last update : March 21, 2013
Modeling and simulation of the recovery workshop in a kraft mill

Modélisation et simulation de l'atelier de régénération de l'usine kraft


Jean-Baptiste Picot

Grenoble INP-Pagora


PhD thesis defended on December 21, 2012
Thèse soutenue le 21 Décembre 2012

LGP2

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Abstract

   


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Chemical recovery at the kraft mill is the process whereby the valuable inorganic elements are extracted from spent kraft liquors and regenerated under their form effective to the cooking of the wood and energy is produced from the dissolved organic fraction. Many unit operations are involved and sometimes insufficiently described in terms of chemical engineering and thermodynamics.

In the general framework of the conversion of kraft pulp mills into wood biorefineries, this thesis aims at developing mathematical models of the overall kraft recovery process for implementation in a decision tool.

A comprehensive literature review was made regarding the models of the unit operations and the properties of the constituents. A database of the thermodynamic, physical and chemical properties of the constituents was created. The existing models were analysed and a new modelling approach for the evaporators was developed. The models were implemented in a C/C++ library which was called in an object oriented simulation platform using the Modelica language (OpenModelica/Dymola) and were validated against literature results.

Several simulation scenarii have put forward the main issues for global energy gains and the directions for possible improvements of some operations. More particularly the high refinement of the evaporator model in terms of thermodynamics and chemical engineering, above the published literature on the topic, opens novel perspectives in terms of strategy for process control of the evaporator train.

Résumé

L'atelier de régénération d'une usine kraft permet d'extraire des liqueurs noires les éléments chimiques nécessaires à la cuisson du bois et de les régénérer sous leur forme active, ainsi que de valoriser la fraction organique dissoute sous forme de chaleur.

Les opérations unitaires mises en œuvre sont nombreuses, complexes et souvent mal décrites. Cette thèse vise à permettre une meilleure compréhension de la régénération (évaporation, caustification, chaudière,...) et le développement d'outils informatiques permettant de simuler et optimiser le fonctionnement d'un atelier, et, à terme, de servir d'outil d'aide à la décision pour une modification de procédé par exemple dans le cadre d'une bioraffinerie.

Une revue bibliographique exhaustive des différentes opérations unitaires a été réalisée. Elle a permis de constituer une base de données des propriétés des constituants et, à la suite d'une analyse critique, de choisir entre les modèles existants ou le développement de nouveaux modèles, notamment pour les évaporateurs. Ces modèles, décrivant les phénomènes et processus dans chaque opération unitaire, ont été implémentés dans une bibliothèque informatique développée en langage C et validés à partir de données issues de la bibliographie.

La simulation du fonctionnement d'un atelier de régénération a été effectuée dans l'environnement OpenModelica/Dymola, en utilisant ces bibliothèques. Les résultats obtenus ont permis de discerner certains verrous et des améliorations possibles sur certaines opérations unitaires. En particulier la simulation d'un train d'évaporateurs utilisant un modèle d'évaporateur qui, de par sa conception très détaillée sur le plan de la thermodynamique et du génie des procédés va nettement au-delà de la littérature publiée, ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer les stratégies de contrôle de ce procédé.

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