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Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ing

Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ingénieur • 249, rue de Crimée 75019 Paris – France par mail : infos.clients@teching.com ou au téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 DOSSIER Techniques de l’Ingénieur l’expertise technique et scientifique de référence Par : Ce dossier fait partie de la base documentaire dans le thème et dans l’univers Document délivré le Pour le compte Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Editions T.I. j1022 Simulateurs de procédés Xavier JOULIA Professeur à l'École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET) Modélisation en génie des procédés Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique Procédés chimie - bio - agro 03/07/2012 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. J 1 022 – 1 Simulateurs de procédés par Xavier JOULIA Professeur à l’École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET) a 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 économique- ment 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 : – les données nécessaires à une simulation. Ces données permettent de définir le système matériel (constituants, profil thermodynamique, réactions 1. Objectifs des simulateurs ...................................................................... J 1 022 - 2 2. Simulateurs orientés module et orientés équation ........................ — 2 3. Étude de cas............................................................................................... — 3 4. Modèle du procédé – Approche modulaire ....................................... — 4 4.1 Définition des courants................................................................................ — 6 4.2 Modèles des unités – Modules ................................................................... — 6 4.3 Équations de connexions ............................................................................ — 12 4.4 Interfaces graphiques – Diagramme de simulation .................................. — 15 5. Résolution séquentielle – Problème de simulation......................... — 16 5.1 Ensemble des données standard................................................................ — 16 5.2 Absence de recyclage .................................................................................. — 16 5.3 Décomposition en réseaux cycliques maximums RCM ........................... — 16 5.4 Formulation du problème niveau procédé ................................................ — 17 6. Problème de conception ........................................................................ — 21 6.1 Définition ...................................................................................................... — 21 6.2 Spécification locale ...................................................................................... — 21 6.3 Spécification délocalisée ............................................................................. — 21 6.4 Formulation du problème niveau procédé ................................................ — 21 6.5 Approche modulaire simultanée ................................................................ — 22 7. Conclusion.................................................................................................. — 24 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. J 1 022 L Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j1022 SIMULATEURS DE PROCÉDÉS _________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. J 1 022 – 2 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 : mélan- geurs, 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 simula- teur 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 fonction- nement 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. 1. Objectifs des simulateurs Les objectifs majeurs des simulateurs de procédés sont les suivants : – résoudre les équations de bilans matière et énergie pour l’ensemble des appareils du procédé ; – calculer les caractéristiques (débit, composition, température, pression, propriétés physiques) pour tous les fluides qui circulent entre les appareils ; – fournir les éléments nécessaires au dimensionnement des équipements, tels que les quantités de chaleur échangées ou les débits internes d’une colonne. À ces objectifs, s’ajoutent : – l’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement et, dans un contexte de développement durable, de l’impact sur l’environnement et la sécurité ; – l’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé. Les simulateurs permettent d’établir, de manière efficace et rigoureuse, les bilans matière et énergie sur les procédés, déchargeant ainsi l’ingénieur de calculs fastidieux et répétitifs. On comprend alors aisément pourquoi ils constituent les outils de base pour la conception des procédés assistée par ordinateur. Les autres applications des simulateurs concernent l’analyse du fonc- tionnement d’une unité existante ou l’étude des modifications à apporter pour adapter l’unité à un nouveau contexte industriel : adaptation à la demande du marché ou à de nouvelles réglementa- tions concernant l’environnement ou la sécurité. L’utilisation, non plus hors ligne, mais en ligne des simulateurs est du ressort de la conduite optimale d’un procédé assistée par ordinateur. Ce domaine devrait connaître un essor très important dans les années à venir. Pour terminer cet aperçu des utilisations potentielles des simulateurs de procédés, il convient de citer la formation des opé- rateurs et l’aide au démarrage et à l’arrêt des installations. 2. Simulateurs orientés module et orientés équation L’aspect fondamental pour la simulation des procédés est l’iden- tification 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). ■L’approche OM a été adoptée par la majorité des simulateurs commerciaux. Citons les plus largement utilisés : Aspen Plus, Chemcad, Aspen HYSYS, Pro/II et ProSimPlus. 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 uni- taires dédiées à une fonction précise telle que réaction ou sépara- tion. 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 cal- cul qui respecte le sens de circulation des fluides dans le procédé. ■À l’opposé, les simulateurs OE, tels qu’Aspen Dynamics ou gPROMS, sont spécifiquement dédiés à la simulation dynamique des procédés. Ces simulateurs apparaissent avant tout comme des solveurs de systèmes d’équations algébriques et différentielles Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j1022 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. J 1 022 – 3 _________________________________________________________________________________________________________ SIMULATEURS DE PROCÉDÉS intégrés dans un environnement offrant un langage de modélisa- tion 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 uploads/s1/ j1022.pdf