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PC 1 INTRODUCTION : Les méthodes de simulation, conçues pour être utilisées en

PC 1 INTRODUCTION : Les méthodes de simulation, conçues pour être utilisées en statistique et en recherche opérationnelle, ont connu et connaissent encore un développement rapide dû à l’extraordinaire évolution des ordinateurs. Des applications se rencontrent tant dans l’industrie qu’en économie, ou encore en sciences sociales, en physique des particules, en astronomie et dans de nombreux autres domaines. Dans beaucoup de situations, que ce soit de la vie courante ou dans la recherche scientifique, le chercheur est confronté à des problèmes dont il recherche des solutions sur la base de certaines hypothèses et contraintes de départ. Pour résoudre ce type de problème, il existe des méthodes analytiques applicables à des situations où le modèle permet de traiter les différentes variables par des équations mathématiquement maniables, et des méthodes numériques où la complexité du modèle impose un morcellement du problème, notamment par l’identification des différentes variables qui entrent en jeu et l’étude de leurs interactions. Cette dernière approche s’accompagne souvent d’une importante masse de calculs. Les techniques de simulation sont des techniques numériques : Simuler un phénomène signifie essentiellement reconstituer de façon fictive son évolution. L’avantage majeur de la simulation est la fourniture d’un bon aperçu du comportement du système réel. Cet aperçu peut être difficile de l’avoir à travers l’expérience et l’intuition seule, en particulier pour les systèmes complexes avec plusieurs variables interactives. Dés que le modèle mathématique répond aux ajustements de changement des paramètres comme un procédé réel, la simulation peut être classée comme une méthode commode qui ne coûte pas chère et sans danger pour la compréhension du comportement du procédé réel et sans intervention sur le procédé en cours de fonctionnement. Il existe un très grand nombre de logiciels de simulation des procédés chimiques. On présente une liste non-exhaustive des logiciels les plus utilisés au niveau mondial tell que : (Aspen), (Chemcad), (DesignII), (Hysys), (Ideas), (Indiss), (Prosim), (ProII), (Sim42). [29] PC 2 Définition de simulation La simulation est définie comme étant la représentation d'un phénomène physique à l’aide de modèles mathématiques simples permettant de décrire son comportement. Ces modèles sont basés sur la vérification des phénomènes de transfert de masse, d’énergie et de quantité de mouvement qui se produisent dans les différentes opérations unitaires . Principes de fonctionnement et rôle des simulateurs Les simulateurs de procédés utilisés classiquement dans l’industrie, peuvent être considérés comme des modèles de connaissance. Ils sont basés sur la résolution de bilans de masse et d’énergie, des équations d’équilibres thermodynamiques, … et sont à même de fournir l’information de base pour la conception. Ils sont principalement utilisés pour la conception de nouveaux procédés (dimensionnement d’appareil, analyse du fonctionnement pour différentes conditions opératoires, optimisation), pour l’optimisation de procédés existants et l’évaluation de changements effectués sur les conditions opératoires. Avant même de parler de modèles d’opération de transformation de la matière, il faut des modèles pour prédire les propriétés physiques de la matière. C’est pourquoi ces simulateurs disposent tous d’une base de données thermodynamiques contenant les propriétés des corps purs (masse molaire, température d’ébullition sous conditions normales, paramètres des lois de tension de vapeur, …). Cette base de données est enrichie d’un ensemble de modèles thermodynamiques permettant d’estimer les propriétés des mélanges. [30] Tout simulateur industriel de procédés chimiques est organisé autour des modules suivants :  Une base de données des corps purs et un ensemble de méthodes pour estimer les propriétés des mélanges appelés aussi modèles thermodynamiques.  Un schéma de procédé permettant de décrire les liaisons entre les différentes opérations unitaires constituant l’unité (PFD pour Process Flow Diagram).  Des modules de calcul des différentes opérations unitaires contenant les équations relatives à leur fonctionnement : réacteur chimique, colonne de distillation, colonne de séparation, échangeurs de chaleur, pertes des charges, etc PC 3 Un ensemble de méthodes numériques de résolution des équations des modèles. Avec ce type de logiciel, les ingénieurs peuvent à partir de la donnée des corps purs présents dans le procédé et du schéma de procédé, développer un modèle du processus reposant sur la mise en commun des équations décrivant les différentes opérations unitaires, les réactions chimiques, les propriétés des substances et des mélanges, qui puisse aussi communiquer avec d’autres applications comme Excel, Visual Basic et Matlab, …[30] Type de simulation On peut distinguer principalement deux types de simulation dans le cas des procédés chimiques : la simulation statique (steady state) . La simulation statique a pour caractéristique fondamentale d’être dédiée aux calcul de bilan matière et enthalpique ainsi qu’aux calculs d’équilibres entre phases . Les performances des appareils sont estimées à partir des valeurs fournies par l’utilisateur tout en calculant l’évolution du système en régime stationnaire. Le procédé est décomposé en blocs représentant les différentes opérations unitaires mises en œuvre. Les blocs sont liés entre eux par des flux de matière ou d’énergie. la simulation dynamique (transient state) . La simulation dynamique d'un procédé vise à définir les propriétés des courants en fonction du temps, pendant des situations transitoires où le régime n'est pas stable. Par les moyens de simulation dynamique, il est possible de suivre le comportement des variables principales du procédé quand elle sont sujettes de perturbations quelconque dans les opérations industrielles [31]. Définition du logiciel Aspen HYSYS Aspen HYSYS est un outil de modélisation de processus de simulation en régime permanant, la conception performance, le suivi, l’optimisation et la planification des activités pour les produits chimiques, les produits chimiques de spécialité, la pétrochimie et les industries et la métallurgie. HYSYS n'est pas le logiciel de simulation le plus flexible, ni le plus utilisé dans l’industrie, mais il a l’avantage d’être convivial et facile à utiliser une fois que les éléments de base sont compris. HYSYS a été développé pour l'industrie du pétrole, bien qu'il soit utilisé pour d’autres types de procédés chimiques. PC 4 Les simulations sont accomplies en utilisant les outils des menus. En plus, il dispose d’une interface graphique pour la construction des diagrammes du procédé (PDF – Process Flow Diagrams). Les concepts de la base du simulateur HYSYS : HYSYS est un simulateur de conception orientée-objets. Tout changement spécifié sur un élément est répercuté dans tout le modèle. C'est un logiciel de simulation interactif intégrant la gestion d’événements (Event drivent) : C’est-à-dire qu’à tout moment, un accès instantané à l’information est possible, de même que toute nouvelle information est traitée sur demande et que les calculs qui en découlent s’effectuent de manière automatique. Deuxièmement, il allie le concept d’opérations modulaires à celui de résolution non-séquentielle. Non seulement toute nouvelle information est traitée dès son arrivée mais elle est propagée tout au long du Flowsheet. Dans ce qui suit, on définit les principaux concepts de base et vocabulaires associés, qui sont utilisés pendant les étapes de construction d’un modèle dans le simulateur HYSYS. « Flowsheet » : c’est un ensemble d’objets « Flowsheet Elements » (courants de matière, d’énergie, d’opérations unitaires, de variables opératoires) qui constituent tout ou une partie du procédé simulé et qui utilisent la même base de données thermodynamique « Fluid Package ». Ce simulateur possède une Architecture Multi-Flowsheet : il n’y a pas de limite par rapport au nombre de Flowsheets. On peut préalablement construire des Flowsheets pour les utiliser dans une autre simulation, ou organiser la description de procédés complexes en le scindant en sous-Flowsheets qui sont des modèles plus concis (ceci permet de hiérarchiser un processus très complexe). Il possède un certain nombre d’entités particulières : un « Process Flow Diagram » (PFD), un « Workbook ». « Fluid Package » : il permet de définir les composants chimiques présents dans le procédé simulé et leurs affecte les propriétés chimiques et physiques contenues dans la base de données des corps purs. Il permet aussi de définir les modèles thermodynamiques qui seront utilisés pour le calcul des propriétés des mélanges et de définir les cinétiques des réactions chimiques mises en jeu dans le procédé. « Process Flow Diagram » : ce diagramme permet de visualiser les courants et les opérations unitaires, représentées par des symboles dans le « Flowsheet », ainsi que la connectivité entre les courants, les opérations unitaires et les tableaux des propriétés des courants. « Workbook » : il permet d’avoir accès à l’information sur les courants et les opérations unitaires sous forme de tableau de données. PC 5 « Desktop » : c’est l’espace principal de HYSYS pour visualiser les fenêtres lors de la conception. « Property view » : il contient l’information décrivant un objet (opération ou courant). « Simulation Case » (fichier de simulation) : c’est l’ensemble des « Fluid Packages » « Flowsheets » et « Flowsheet Elements » qui constituent le modèle. Structure générale du HYSYS Figure [II.2] : Structure générale du HYSYS Le Choix du modèle thermodynamique Une méthode thermodynamique est un ensemble de propriétés physico-chimiques permettant la modélisation d’un système afin de mener une étude prédictive sur la qualité et la quantité autour de ce système. Les méthodes thermodynamiques existent sous deux formes notamment le modèle de coefficient d’activité et le modèle des équations d’états. Modèles numériques. Modèles des uploads/Industriel/ partie-pratique-02.pdf