Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

1 PROCÉDURE : UTILISATION D’ASPEN© POUR SIMULER UNE RÉACTION I. Présentation d’

1 PROCÉDURE : UTILISATION D’ASPEN© POUR SIMULER UNE RÉACTION I. Présentation d’Aspen © Aspen© est un logiciel de simulation statique et dynamique des procédés (colonne de distillation, échangeur de chaleur, réacteur, colonne d’absorption…). Ce logiciel est très utilisé dans l’industrie pour le dimensionnement, la simulation et l’évaluation économique des procédés. En ce qui concerne l’application dans le cadre de l’EC de T1, nous utiliserons uniquement le module RGIBBS. Cependant, il est intéressant d’avoir à l’esprit l’énorme potentiel de ce type de logiciel. II. Evaluation des compositions d’un système physico-chimique à l’équilibre thermodynamique RGIBBS Quand vous utiliserez pour la première fois le logiciel Aspen©, vous vous rendrez compte qu’il existe plusieurs modèles de simulation d’Aspen : RSTOIC, RBATCH, RYIELD, REQUIL, RGIBBS. L’utilisation de l’un ou l’autre des modèles dépend des informations dont vous disposez ou que vous recherchez. Dans le cadre de notre étude, nous désirons déterminer des compositions à l’équilibre d’une transformation s’exerçant à pression constante et à température constante en minimisant l’énergie de Gibbs du système d’où le nom de RGIBBS. L’une des limitations de ce module est que nous devons raisonner en débits molaires et non en quantité de matière. En effet, il existe essentiellement deux types de réacteurs : les réacteurs fermés et les réacteurs ouverts. Dans les réacteurs fermés (que vous connaissez bien), on introduit des quantités de matière de différents constituants. La composition dans le réacteur évolue dans le temps jusqu’à atteindrel’équilibre. On raisonne alors en quantité de matière (mol). 2 Réacteur fermé Dans les réacteurs ouverts, on introduit en continu des constituants. Ces constituants réagissent dans le réacteur. Par conséquent, en sortie du réacteur, on obtient une composition différente de celle de l’entrée. On raisonne alors en débit molaire (mol/s). Débit molaire entrant Débit molaire sortant Réacteur continu Cependant, d’un point de vue thermodynamique, les phénomènes sont similaires : la composition n’évolue plus si on est à l’équilibre ce qui correspond à l’énergie de Gibbs du système minimal et à Qre=K°(T). 3 Par exemple, soit une réaction A(g) + 2B(g) = C(g) + D(g) Si on réalise par exemple cette réaction en réacteur fermé à T = 300 K et P = 2 bars, à l’équilibre, la composition dans le réacteur est telle que : ) 300 ( 1 2 Re                T K P P y y y y Q Be Ae De Ce Si maintenant on réalise cette réaction en réacteur continu à T = 300 K et P = 2 bars, et que le courant sortant du réacteur est à l’équilibre, la composition du courant sortant est identique à celle dans le cas du réacteur fermé et vérifie : ) 300 ( 1 2 Re                T K P P y y y y Q Be Ae De Ce Nous allons maintenant utiliser le module RGIBBS pour déterminer les compositions à l’équilibre d’un système pouvant réagir selon une équation de réaction donnée. III. Application : synthèse de l’ammoniac Nous désirons simuler un réacteur siège de la réaction N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g). On désire savoir quelle est la composition du courant de sortie qui est en équilibre thermodynamique. On impose comme condition :  débit molaire d’alimentation de N2= 1 mol/s  débit molaire d’alimentation de H2 = 3 mol/s  température = 350 K  pression dans le réacteur = 1 bar Pour cela, il faut suivre la procédure ci-dessous. 1. Ouvrir Aspen plus user interface 2. Appuyer sur OK. 4 3. Fermer la fenêtre ci-dessus. 4. Dans la fenêtre ci-dessus, cocher blank simulation. 5 Différents éléments potentiels du flowsheet ZONE GRAPHIQUE DANS LAQUELLE ON RÉALISE LE FLOWSHEET 6 5. On peut voir deux zones principales : la zone graphique dans laquelle on réalise le flowsheet et une deuxième zone qui font apparaître les différents appareillages. En ce qui nous concerne, nous allons simuler un réacteur. Pour cela, il faut aller sur l’onglet Reactors. 6. Cliquer sur GIBBS. Une croix apparaît à la place du curseur. Cliquer alors dans la zone graphique où vous souhaitez placer le réacteur. 7. cliquer sur material streams en bas à gauche : le curseur devient une croix et des flèches rouges apparaissent sur le réacteur. 7 8. Cliquer gauche puis faire glisser le curseur jusqu’à la première flèche rouge. 9. Cliquer gauche sur la deuxième flèche rouge puis faire glisser et double-cliquer gauche. 10. Cliquer sur la flèche noire (en bas à gauche). Puis cliquer droit successivement sur les carré 1, 2 et B1 afin de changer les noms respectivement (rename stream) en ENTREE, SORTIE, REACTEUR. 8 11. Double-cliquer sur le réacteur. 12. On peut voir qu’il y a un code couleur. En rouge, certaines informations ne sont pas renseignées et en bleu les informations sont renseignées. Pour que la simulation puisse être réalisée, il faut renseigner tous les éléments. Rentrer ainsi la pression et la température du réacteur (attention aux unités). 9 13. Aller dans le dossier Setup et le sous-dossier report options afin de spécifier que dans le rapport de résultats apparaissent les fractions molaires ce qui vous sera très utile pour la suite. 14. Aller dans le dossier components puis spécifier les espèces chimiques. Utiliser le bouton FIND. 10 11 Sélectionner nitrogen et appuyer sur add. Faire de même pour le dihydogène et l’ammoniac. Attention de bien utiliser find plutôt que de taper directement le nom du constituant dans component id. 15. Aller dans properties. 16. Sélectionner dans base method IDEAL qui permet de définir comme modèle pour le gaz le GP et pour les liquides les mélanges idéaux. Cette étape est primordiale pour le calcul de G à l’équilibre. 17. Cliquer sur le dossier Streams et le sous-dossier ENTREE. 12 18. Renseigner la température (on prendra 350K comme pour le réacteur mais ceci a peu d’importance en ce qui nous concerne car il s’agit uniquement de la température de l’alimentation), la pression et les débits molaires de chaque constituant en entrée. ATTENTION aux unités. 19. Tout est maintenant coché en bleu ce qui indique que tous les éléments sont renseignés. Appuyer sur le bouton N bleu (next). 13 20. Appuyer sur OK dans la fenêtre ci-dessus. 21. Aucune erreur et aucun avertissement sont signalés. Cliquer sur le dossier bleu pour faire apparaître le rapport de résultats. Dans le dossier REACTEUR, on peut relever notamment la puissance sous forme de chaleur échangée. Ici on peut que pour maintenir la température constante il faut évacuer -81,97 kW. La réaction est en effet exothermique. Dans le dossier STREAMS., on peut relever les débits molaires notamment pour la sortie qui est à l’équilibre. 14 Conseil : faire apparaître les unités dans le système international (zone entourée en rouge). Détermination du quotient réactionnel à l’équilibre On peut dès lors calculer le quotient réactionnel à l’équilibre à cette température en utilisant les compositions en sortie. Ici 2 3 2 2 Re 2 3            P P y y y Q H N NH 2112 Re  Q Ce qui est intéressant par la suite est de changer successivement la température, la pression voire les débits molaires pour obtenir les conditions permettant d’avoir le taux d’avancement le plus élevé 15 possible. Pour cela, il est nullement besoin de fermer le fichier mais uniquement la fenêtre results puis de changer les paramètres dans les dossiers appropriés. uploads/s3/ procedure-utilisation-aspen-reaction3 1 .pdf