Bibliographie & annexes
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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 ;
-
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 ;
-
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) :
-
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 ;
-
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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Résolution séquentielle — Problème de simulation4. Modèle du procédé – Approche modulaire
L'objectif de ce paragraphe est de présenter comment modéliser un procédé suivant l'approche modulaire. Cette approche, la plus intuitive car très proche de la vision de l'ingénieur de procédés, est à la base des stratégies utilisées dans la plupart des simulateurs pour formuler et résoudre les problèmes de simulation de procédés en régime permanent. La présentation reposera sur l'étude de cas dont la description a été donnée dans le paragraphe 3.
D'une manière générale, le fonctionnement en régime permanent d'un procédé peut être représenté par un modèle mathématique écrit sous la forme d'un système d'équations algébriques non linéaires :
( 1 )
avec :
- f :
- fonction vectorielle,
- x :
- vecteur des variables.
Pour un procédé industriel, le système d'équations (1) peut contenir quelques milliers, voire des dizaines de milliers d'équations. Pour établir ce modèle, il est alors nécessaire d'adopter une approche méthodique. Celle-ci consiste à écrire séparément, pour chaque unité du procédé, les équations traduisant les lois fondamentales de la physique et de la chimie, telles que la conservation de la masse et de l'énergie, les équilibres chimiques et les équilibres entre phases.
Le terme « unité » désigne ici un appareil, un groupement d'appareils ou une partie d'un appareil du procédé.
La figure 3 donne deux exemples illustrant la distinction entre unité et appareil :
-
une unité de distillation qui comporte, au minimum, trois appareils : un bouilleur, une colonne et un condenseur ;
-
un échangeur tube-calandre...
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Modèle du procédé – Approche modulaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Cyclohexane – ARCO Technology Inc - Production of high purity cyclohexane by catalytic hydrogenation of benzene. - Hydrocarbon Processing, p. 143 (1977).
-
(2) - * - DIPPR 801 Database – http://dippr.byu.edu/
-
(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).
-
(4) - * - Numerical Data Base DETHERM, http://www.dechema.de
-
(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.
-
(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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