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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DE BOUMERDES FACULTE DES HYDROCABURES ET DE LA CHIMIE Département : Génie des Procédés Chimiques Laboratoire : Synthèse Pétrochimique Mémoire de Magister Spécialité : Génie des Procédés. Option : Pétrochimie Présentée par : BELHAMEL RABIAA THEME SIMULATION DU REACTEUR DE SYNTHESE DU METHANOL – ARZEW- Soutenu devant le jury composé de Messieurs : M. BEZZINA Prof. Université de Blida Président N. MOULAY Prof. Centre Universitaire de Médéa Examinateur O. KDDOUR M.C. Université de Boumerdes Examinateur B. HAMADA Prof. Université de Boumerdes Rapporteur F.LAAOUAD M.C. Université de Boumerdes Examinateur BOUMERDES – 2005 ABSTRACT In the present study, it is reported the choice of the mathematical model, and the simulation of the methanol synthesis reactor. By analyzing the influence of the injection of the carbon dioxide in the reactor synthesis with an aim of improving the performances of this last. This required the use of the mathematical model basing itself on the physicochemical phenomena. The simulation of the reactor intended for a chemical conversion requires the availability of a kinetic law of the reactions taking place. The equations conservation of weight and energy are presented in the form of a system of differential equations of the 1st and 2nd degree and their integrations were carried out by numerical methods Runge Kutta RK4 and Orthogonal Collocation successively. Key-words : methanol, carbon dioxide, modelling, simulation, efficiency factor. RÉSUMÉ Dans la présente investigation, il a été étudié le choix du modèle mathématique, ainsi que la simulation du réacteur de synthèse du méthanol. Il a été procédé à l’étude de l’influence de l’injection du dioxyde de carbone dans le réacteur de synthèse dans le but d’améliorer les performances de ce dernier. Ceci a nécessité l’utilisation du modèle mathématique se basant sur les phénomènes physico-chimiques. La simulation d’un réacteur destiné à une transformation chimique nécessite l’utilisation d’une loi cinétique adéquate des réactions ayant lieu. Les équations de conservation de masse et d’énergie se présentent comme un système d’équations différentielles du 1er et 2em degré et leur intégration a été réalisée par les méthodes numériques Runge Kutta RK4 et Collocation Orthogonale successivement. Mots clés : méthanol, dioxyde de carbone, modélisation, simulation, facteur d’efficacité. ـﺹ ﺨ ﻠ ﻤ ﻲ ﻓ ﺍ ﺫ ﻫ ﻡ ﺩ ﻘ ﻤ ﻟ ﺍ ل ﻤ ﻌ ﻟ ﺍ ﻲ ﻨ ﺎ ﺜ ﻥ ﻘ ﺤ ﺭ ﻴ ﺜ ﺄ ﺘ ﺭﺱ ﺩ ﻡ ﺘ ﺎ ﻴﻀ ﺃ ، ل ﻭ ﻨ ﺎ ﺜ ﻴ ﻤ ﻟ ﺍ ل ﻋ ﺎ ﻔ ﻤ ﺓ ﺎ ﻜ ﺎ ﺤ ﻤ ﻙ ﻟ ﺫ ﻜ ﻲ ﺎﻀ ﻴ ﺭ ﻟ ﺍ ﺝ ﻭ ﻤ ﻨ ﻟ ﺍ ﺭ ﺎ ﻴ ﺘ ﺨ ﺇ ﺭﺱ ﺩ ﻡ ﺘ ، ﻟ ﺍ ﺝ ﺫ ﻭ ﻤ ﻨ ﻟ ﺍ ﻡ ﺍ ﺩ ﺨ ﺘ ﺴ ﺇ ﻠﺏ ﻁ ﺘ ﻴ ﺍ ﺫ ﻫ ﻭ ﺭ ﻴ ﺨ ﻷ ﺍ ﺍ ﺫ ﻫ ﺀ ﺍ ﺩ ﺁ ﻥ ﻴ ﺴ ﺤ ﺘ ﻪ ﻨ ﻤ ﺩﻑ ﻬ ﻟ ﺍ ، ل ﻋ ﺎ ﻔ ﻤ ﻟ ﺍ ﻔﺱ ﻨ ﻲ ﻓ ﻥ ﻭ ﺒ ﺭ ﻜ ﻟ ﺍ ﺩ ﻴ ﺴ ﻜ ﺃ ﻥ ﻴ ﺩ ﻤ ﺘ ﻌ ﻤ ﻲ ﺎﻀ ﻴ ﺭ ﺓ ﺩ ﻘ ﻌ ﻤ ﻟ ﺍ ﺔ ﻴ ﻭ ﺎ ﻤ ﻴ ﻜ ﻭ ﻴ ﺯ ﻴ ﻔ ﻟ ﺍ ﺭ ﻫ ﺍ ﻭ ﻅ ﻟ ﺍ ﻰ ﻠ ﻋ . ﻅ ﺎ ﻔ ﺤ ﻨ ﺍ ﻻﺕ ﺩ ﺎ ﻌ ﻤ ﻭ ﺔ ﻠ ﺎﺼ ﺤ ﻟ ﺍ ﺔ ﻴ ﺌ ﺎ ﻴ ﻤ ﻴ ﻜ ﻟ ﺍ ﻼﺕ ﻋ ﺎ ﻔ ﺘ ﻠ ﻟ ﻲ ﻜ ﺭ ﺤ ﻟ ﺍ ﻥ ﻭ ﻨ ﺎ ﻘ ﻟ ﺍ ل ﺎ ﻤ ﻌ ﺘ ﺴ ﺇ ﻡ ﺘ ﺎ ﻤ ﻜ ﺔ ﻴ ﻨ ﺎ ﺜ ﻟ ﺍ ﻭ ﻰ ﻟ ﻭ ﻷ ﺍ ﺔ ﺠ ﺭ ﺩ ﻟ ﺍ ﻥ ﻤ ﺔ ﻴ ﻠ ﺎﻀ ﻔ ﺘ ﻻﺕ ﺩ ﺎ ﻌ ﻤ ﻡ ﺎ ﻅ ﻨ ﻲ ﻓ ل ﺜ ﻤ ﺘ ﺘ ﻲ ﺘ ﻟ ﺍ ﺓ ﺭ ﺍ ﺭ ﺤ ﻟ ﺍ ﻭ ﺓ ﺩ ﺎ ﻤ ﻟ ﺍ ل ﺤ ﻟ ﺎ ﻬ ﺒ ﻰ ﻭﺼ ﻤ ﻟ ﺍ ﺔ ﻴ ﻤ ﻗ ﺭ ﻟ ﺍ ﻕ ﺭ ﻁ ﻟ ﺍ ﻭ ﻲ ﻫ ﻉ ﻭ ﻨ ﻟ ﺍ ﺍ ﺫ ﻫRunge Kuttaﻭ ﺔ ﻌ ﺒ ﺍ ﺭ ﻟ ﺍ ﺔ ﺠ ﺭ ﺩ ﻟ ﺍ ﻥ ﻤ Collocation Orthogonaleﻲ ﻟ ﺍ ﻭ ﺘ ﻟ ﺍ ﻰ ﻠ ﻋ . ﺔ ﻴ ﺤ ﺎ ﺘ ﻔ ﻤ ﺕ ﺎ ﻤ ﻠ ﻜ : ﺔ ﻴ ﻟ ﺎ ﻌ ﻔ ﻟ ﺍ ل ﻤ ﺎ ﻌ ﻤ ، ﺓ ﺎ ﻜ ﺎ ﺤ ﻤ ، ﺔ ﺠ ﺫ ﻤ ﻨ ، ﻥ ﻭ ﺒ ﺭ ﻜ ﻟ ﺍ ﺩ ﻴ ﺴ ﻜ ﺃ ﻲ ﻨ ﺎ ﺜ ، ل ﻭ ﻨ ﺎ ﺜ ﻴ ﻤ À mes parents À HIBA et à toi NARDJES A AV VA AN NT T P PR RO OP PO OS S En premier lieu, je suis très reconnaissante à Monsieur Pr. B. HAMADA qui a accepté de diriger ce travail. Il a consacré une partie de son temps à l’orientation de mon manuscrit et ce malgré ses charges. Ses critiques parfois sévères mais objectives, m’ont été d’un apport considérable. J’ai beaucoup appris avec lui, je l’en remercie vivement. J’ai eu l’occasion de discuter de mon travail avec Monsieur S. BOUROUDI avec ces critiques constructives, les échanges de vue furent souvent pleins d’intérêts. Je l’en remercie. Je remercie Monsieur M. CHAABANI pour l’aide informatique qu’il ma apportée. Je tiens à remercier les enseignants du département génie des procédés chimiques et pharmaceutiques en tête Monsieur O. KADDOUR. J’exprime ma reconnaissance à Monsieur M. BENMAAMRI enseignant et président de l’association des anciens élèves de l’INH, comme je n’oublierais pas les membres de cette association je pense plus particulièrement à Monsieur R. LAHOUASSA. Je suis très honoré par la présence de messieurs M. BEZZINA et N. MOULAY, F. LAAOUAD dans ce jury. J’exprime mes vifs remerciements à Monsieur M. ZEMMOUR sous directeur de l’Entreprise Nationale des Industries Pétrochimiques d’ARZEW. SOMMAIRE INTRODUCTION GÉNÉRALE ………………………………………………………………... i-ii CHAPITRE I : SYNTHÈSE DU MÉTHANOL 1. Introduction………………………………..………………………………………………….. 2. Réacteurs catalytiques à lit fixe adiabatique…………………………………………………. 3. Industrie du méthanol dans le monde………………………………………………………… 4. Etapes de production du méthanol…………………………………..………………………... 4.1. Prétraitement de la charge………………………………………………………………….. 4.2. Production du gaz de synthèse……………………………………………………………… 4.3. Synthèse de méthanol………………………………………………………………………. 4.4. Purification de méthanol……………………………………………………………………. 5. Procédés de synthèse de méthanol……………………………………………………………. 5.1. Procédé à haute pression……………………………………………………………………. 5.2. Procédé à basse pression……………………………………………………………………. 6. Sources d’obtention du gaz de synthèse……………………………………………………… 02 02 03 04 05 05 06 06 07 07 07 08 CHAPITRE II : MODÉLISATION ET CONCEPTION DES RÉACTEURS À LIT FIXE 1. Introduction…………………………………………………………………………………. 2. Définition du modèle mathématique……………………………………………………….. 3. Etapes de base pour formuler un modèle mathématique………………………………….… 4. Classification des modèles du réacteur à lit fixe……………………………………………. 4.1 Models pseudo–homogènes PH…………………………………………………………… 4.1.1. Model pseudo–homogènes unidimensionnel ………………………………………….. 4.1.2. Modèles pseudo–homogènes bidimensionnel PH3…………………………………….. 4.2. Modèles hétérogènes HT……………………………………………………………….… 4.2.1. Modèles hétérogènes unidimensionnel…………………………………………………. 4.2.2. Modèles hétérogènes bidimensionnel HT3………………………………………….…. 5. Critères de choix du modèle mathématique………………………………………………... 6. Application au réacteur de synthèse du méthanol……………………...…………………... 7. Etapes rationnelles de la conception d’un réacteur industrielle……………………………. 8. Facteurs à considérer dans la conception d’un réacteur …………………………………… 9. Conditions relatives à la réalisation d’un réacteur chimique………………………………. 10 10 11 12 14 14 16 17 17 21 22 23 23 28 28 CHAPITRE III : CINÉTIQUE DE LA SYNTHÈSE DE MÉTHANOL 1. Introduction…………………………………………………………………………………… 2.Cinétique de la synthèse de méthanol…………………………………………………………. 2.1. Cinétique de NATTA……………………………………………………………………...….. 2.2. Cinétique de BAKEMEIER……………………………………………………………….…… 2.3. Cinétique de LEONOV……………………………………………………………………….. 30 30 30 31 31 2.4. Cinétique de KLIER…………………………………………………………………………. 2.5. Cinétique de VILLA……………………………………………………………………….…. 2.6. Cinétique de GRAAF………………………………………………………………………… 2.7. Cinétique de FROMENT et mécanisme réactionnel…………………………………………. 32 32 33 34 CHAPITRE IV : PROPRIÉTÉS THERMODYNAMIQUES 1. Introduction…………………………………………………………………………………… 2. Equations d’état ……………………………………………………………………………… 2.1.Equation d’état de PENG–ROBINSON…………………………………………………….…... 2.1.1. Estimation du facteur de compressibilité………………………………………………… 2.1.2. Estimation de la fugacité des gaz ………………………………………………………… 2.2. Equation d’état de LEE–KESLER……………………………………………………..……… 3. Calcul des propriétés thermodynamiques…………………………………………………….. 3.1. Estimation de la viscosité..…………………………………………………………………. 3.2. Estimation de la conductivité thermique…………………………………………………… 3.3. Estimation du coefficient de diffusion……………………………………………………… 39 39 39 39 40 41 43 43 45 47 CHAPITRE V : SIMULATION DU RÉACTEUR DE SYNTHÉSE DU METHANOL 1. Introduction ……………………………………………………………………………….… 2. Rôle de la simulation……………………………………………………………………….... 3. Etape de base pour simuler un réacteur……………………………………………………… 4. Intégration des équations du modèle mathématique………………………………...…….… 4.1. Intégration des équations de la phase fluide……………………………………………..… 4.2. Principe de la méthode RUNGE-KUTTA ˝RK4˝…………………………………………… 4.3. Intégration des équations de diffusion ……………………………………………...…….. 4.4. Principe de la méthode des collocations orthogonales…………………………………..… 4.5. Etapes de la méthode des collocations orthogonales…………………………………….... 5. Transfert de masse et de chaleur dans une particule de catalyseur …………………………. 6. Modèle mathématique …………………………………………………………………….… 6.1. Equations de conservation de masse et de chaleur ……………………………………….. 6.2. Simplification du modèle mathématique …………………………………………………. 6.3. Calcul du facteur d’efficacité du catalyseur ………………………………………………. 7. Solution numérique du modèle ……………………………………………………………... 52 52 52 54 54 55 56 56 57 59 59 59 62 63 65 CHAPITRE VI : RÉSULTATS DE SIMULATION ET DISCUSSION 1. Introduction…………………………………………………………………………………… 2. uploads/Geographie/ belhamel-rabiaa.pdf