Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les simulateurs de procédés permettent d’établir avec une certaine facilité des bilans matière et énergie sur les procédés. Leurs objectifs majeurs sont de résoudre les équations de bilans matière et énergie tout d’abord, afin de calculer les caractéristiques des fluides qui circulent entre les appareils, puis de fournir les éléments nécessaires au dimensionnement des équipements. Cet article s’attache à définir plus en détails ces objectifs, à préciser le fonctionnement des simulateurs, mais également leurs éléments constitutifs, ou encore les données nécessaires à une simulation. En d’autres termes, une aide au bon usage des simulateurs de procédés est proposée ici.
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Xavier JOULIA : Professeur à l'École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET)
INTRODUCTION
La mondialisation de l'économie, les contraintes d'environnement et de sécurité, la dynamique du marché exigent une très grande rigueur dans la conception et la conduite des procédés. Dans ce contexte, on a de plus en plus souvent recours à l'informatique pour concevoir rapidement et économiquement de nouveaux procédés plus rentables, plus propres, plus sûrs et plus flexibles, en un mot « durables », mais également pour analyser et optimiser le fonctionnement des installations existantes ou pour aider à la conduite de ces installations. Ce domaine d'activité, désigné par le terme « d'ingénierie des procédés assistée par ordinateur », a connu un essor très important dans de nombreux secteurs de l'industrie pétrolière, chimique et parachimique grâce aux simulateurs de procédés qui constituent l'objet de cet article.
Les simulateurs de procédés sont les outils de base des techniciens et des ingénieurs de procédés, car ils permettent d'établir aisément et avec rigueur les bilans matière et énergie sur les procédés. Cet article vise à en définir les objectifs, les éléments constitutifs, les concepts fondateurs et à fournir au lecteur les connaissances nécessaires au bon usage des simulateurs. Nous traiterons ainsi des points suivants :
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les données nécessaires à une simulation. Ces données permettent de définir le système matériel (constituants, profil thermodynamique, réactions chimiques), la structure du procédé et les paramètres de dimensionnement et de fonctionnement des appareils ;
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les deux concepts fondateurs des simulateurs orientés module : module et courant ;
l'approche modulaire séquentielle : décomposition du procédé en réseau(s) cyclique(s) maximum(s) ; pour chaque RCM, choix d'un ensemble de courants coupés (recyclages), détermination d'une liste de calcul des modules et résolution séquentielle de ces modules par une procédure itérative ;
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les modèles et modules associés aux opérations unitaires de base : mélangeurs, diviseurs, séparateurs simples, pompes, compresseurs et turbines, échangeurs de chaleur, réacteurs, flashes, procédés de séparation diphasique (absorption, distillation, extraction liquide-liquide...).
Le lecteur devrait ainsi être capable de résoudre via un quelconque simulateur orienté module (OM) :
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un problème de simulation pure, c'est-à-dire simuler le fonctionnement d'un procédé de structure donnée et pour lequel les courants d'alimentation Xo (matières premières) et les paramètres de dimensionnement et de fonctionnement P des modules sont spécifiés ;
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un problème de conception, c'est-à-dire utiliser les degrés de liberté du procédé pour satisfaire des spécifications de design.
Il pourra alors mettre toutes ses compétences scientifiques et techniques au service de la conception et de la conduite des procédés assistée par ordinateur.
Un tableau des symboles et abréviations se trouve en fin d'article.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1995 par Jean-Paul GOURLIA
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Étude de cas2. Simulateurs orientés module et orientés équation
L'aspect fondamental pour la simulation des procédés est l'identification des composants élémentaires dont l'assemblage permet de construire le modèle du procédé. Au niveau conceptuel, et comme conséquence directe au niveau numérique, deux approches s'opposent : l'approche dite « orientée module » (OM) et l'approche dite « orientée équation » (OE).
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L'approche OM a été adoptée par la majorité des simulateurs commerciaux. Citons les plus largement utilisés : Aspen Plusä, Chemcadä, Aspen HYSYSä, Pro/IIä et ProSimPlusä.
Dans l'approche OM, l'élément de base pour construire le modèle du procédé est le modèle d'opération unitaire appelé « module ». Cette approche correspond à la vision classique et naturelle du procédé qui résulte de l'agencement d'opérations unitaires dédiées à une fonction précise telle que réaction ou séparation. L'utilisateur sélectionne les modules élémentaires standardisés à partir de la bibliothèque du simulateur, fournit leurs paramètres de fonctionnement et de dimensionnement et les relie entre eux par des courants représentant les flux de matière, d'énergie et d'information circulant entre les appareils du procédé réel. Le procédé est alors vu comme un graphe orienté dont les nœuds sont les modules et les arcs les courants. La simulation est réalisée par appel séquentiel des modules suivant une liste de calcul qui respecte le sens de circulation des fluides dans le procédé.
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À l'opposé, les simulateurs OE, tels qu'Aspen Dynamicsä ou gPROMSä, sont spécifiquement dédiés à la simulation dynamique des procédés. Ces simulateurs apparaissent avant tout comme des solveurs de systèmes d'équations algébriques et différentielles intégrés dans un environnement offrant un langage de modélisation avancé. Ils sont d'ailleurs réputés plus efficaces sur le plan numérique, car basés sur une approche globale au niveau de la résolution. Par contre, les bibliothèques de modèles de ces simulateurs ne peuvent satisfaire totalement la diversité technologique ; à charge de l'utilisateur de jouer le rôle de modélisateur en codant le modèle spécifique de son procédé. Dans l'approche OE, l'élément...
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Simulateurs orientés module et orientés équation
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - * - DIPPR 801 Database – http://dippr.byu.edu/
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(3) - REID (R.C.), PRAUNSNITZ (J.M.), POLING (B.E.) - The Properties of Gases and Liquids. - 4th Edition, McGraw Hill, Book Co., New York (1987).
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(4) - * - Numerical Data Base DETHERM, http://www.dechema.de
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(5) - GMEHLING (J.), ONKEN (U.), ARLT (W.), GRENZHAUSER (P.), WEIDLICH (U.), KOLBE (B.), RAREY (J.) - Chemistry Data Series. - Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, vol. I.
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(6) - ARLT (W.), MACEDO (M.E.A.), RASMUSSEN (P.), SORENSEN (J.M.) - DECHEMA Chemistry Data Series. - Liquid-Liquid Equilibrium Data Collection, vol. V.
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