Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 Polycopie du TP si
Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 Polycopie du TP simulation des procédés industriels 1 | P a g e Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 I. Introduction (Conception et simulation d’une unité de production) La conception d’une unité de production chimique est une opération complexe qui demande des moyens financiers et humains très importants. Dans le contexte actuel, un procédé industriel doit répondre à trois critères : l’économie, la sécurité et l’environnement. Ainsi, lorsqu’un nouveau procédé est développé, le rôle de l’ingénieur consiste à trouver le système le plus adapté non seulement en termes d’efficacité et de sécurité, mais aussi de coût et de rentabilité pour fabriquer le produit. A ce titre, la simulation peut être d’une aide très précieuse en prenant en charge et en traitant ces problèmes. Surtout lorsque de nombreuses variables sont en jeu (diversité des composantes, complexité des interactions, non linéarité des phénomènes,…etc.). II. Modèle et simulation Lorsque le système réel que l’on souhaite observer devient trop complexe et que de nombreuses variables sont en jeu, la modélisation intervient pour prendre en charge et traiter les problèmes : un modèle est élaboré pour essayer de rendre compte de la complexité du système tout en essayant de réduire le nombre de paramètres. L’analyse du système, la modélisation et la simulation constituent les trois étapes fondamentales de l’étude du comportement dynamique des systèmes complexes : L’analyse du système consiste à définir les limites du système à modéliser, à identifier les éléments importants ainsi que les types de liaison et d’interaction entre ces éléments et à les hiérarchiser. La modélisation vise à représenter de la meilleure façon possible un objet réel par un ou des modèles sous forme mathématique. D’une manière générale, lors de l’élaboration du modèle, trois types de données sont nécessaires : les paramètres chimiques (réactions, 2 | P a g e Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 produits formés, cinétiques et mécanismes), les paramètres de transfert (matière, énergie, quantité de mouvement) et l’hydrodynamique caractérisant les équipements. La simulation étudie le comportement d’un système. Elle permet, en particulier, d’étudier l’évolution du système en faisant varier un ou plusieurs facteurs et en confrontant les valeurs calculées aux valeurs observées. III. Types de simulation et autres concepts On peut distinguer principalement deux types de simulation dans le cas des procédés chimiques : la simulation statique (steady state) et la simulation dynamique (transient state). 1. Simulation statique La simulation statique d'un procédé vise à définir les propriétés des flux (débit, température, fraction vaporisée, ...), ainsi que les bilans matière et d'énergie en régime stabilisé. Le procédé est décomposé en blocs représentant les différentes opérations unitaires mises en oeuvre. Les blocs sont liés entre eux par des flux de matière ou d'énergie. 2. Simulation dynamique 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. 3. Degrés de liberté Si un procédé est “correctement spécifié”, toutes les variables du procédé doivent pouvoir être déterminées en utilisant l'information fournie. Les variables, incluent toutes les propriétés des courants de matière (débit total, composition, température et pression), tous les courants d'énergies ainsi que les caractéristiques des équipements (efficacité adiabatique des pompes, taux de conversion des réacteurs chimiques, efficacités des plateaux et pertes thermiques pour les colonnes à distiller,…). Les variables dont les valeurs sont connues sont appelées « variables de conception », alors que celles calculées sont appelés « variables d'état ». En général, on peut assigner n’importe quelle valeur à une variable de conception, et la valeur est indépendante des valeurs assignées aux autres variables de conception. Le nombre de degrés de liberté (ndl) est égal au nombre de variables inconnues moins le nombre d'équations indépendantes pouvant être établies pour les calculer. Si ndl = 0 le procédé est spécifié correctement. Si ndl > 0 le procédé est sous-spécifié et ndl variables d'état doivent être spécifiées, donc changées en variables de conception. Si ndl < 0 le procédé est sur-spécifié et ndl variables de conception doivent être transformées en variables d'état. Note ! : Dans le cas d’un système sous-spécifié, il ne faut pas assigner des valeurs en contradiction avec les équations établies. 3 | P a g e Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 Les équations peuvent inclure des bilans de matière, des bilans énergétiques, des équations d'état, des relations d'équilibre de phases (équilibre thermique, équilibre mécanique), des équations de compression adiabatique, des équations d'équilibre chimique, des relations de séparation des composés, des équations de récupération de composé,... Les équations indépendantes sont un ensemble d'équations dont aucune ne peut être obtenue par combinaisons algébriques des autres. Par exemple, si N composés sont impliqués dans une unité, alors N bilans de matière indépendants peuvent être écrits (un pour chaque composant). Cependant, le bilan de matière global ne peut pas être ajouté à cet ensemble, car il peut être dérivé en faisant la somme des bilans par composé. 4. Procédure de calcul Les procédures de calcul sont souvent représentées sur un diagramme de blocs. Ces diagrammes sont des diagrammes de procédure (procedural flowcharts). Comment est-il construit ? 1. Dessinez des boîtes et des flèches. 2. Remplissez les boîtes avec du texte. Les calculs représentés dans l'exemple précédant sont séquentiels. Ce n'est pas toujours le cas, parfois des blocs de décision doivent être utilisés, notamment pour les procédures itératives. Les blocs de la décision sont dessinés généralement comme indiqué au-dessous. Une question est placée dans la boîte. La trajectoire suivie de cette boîte dépendra de la réponse (Oui ou Non). 4 | P a g e Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 5. Méthodes de simulation Méthodes pour la simulation des procédés : 1) Simulation modulaire séquentielle. 2) Simulation basée sur les équations. 3) Simulation combinée. La plupart des simulateurs de procédés modernes utilisent la troisième méthode, mais on doit comprendre les premières deux méthodes afin de bien comprendre la méthode combinée. 1) Simulation modulaire séquentielle Dans la simulation modulaire séquentielle, le diagramme du procédé (process flowchart) est dessiné en utilisant une série d’unités du procédé : agitateur, séparateur, unité de séparation « flash », colonne à distiller, réacteur à conversion fixe, échangeur de chaleur... Ces unités standards sont appelées « blocs », « modules » ou « unités de simulation ». Un programme informatique, par module, prend les données des courants d'entrée et calcule les propriétés des courants de sortie. Ces calculs sont réalisés de gauche à droite, unité par unité, jusqu'à ce que toutes les variables soient calculées. Si la base de conception implique un courant de sortie, plutôt qu'une entrée, alors les résultats du calcul doivent être supposés. Il n'y a rien de magique dans les calculs exécutés dans chaque module. Ils impliquent simplement la résolution des équations de bilans de matière, de bilans d'énergie, et toutes les autres relations standards concernant cette unité en particulière. Dans les modules plus complexes, tel qu'une séparation « flash », les relations d'équilibre sont ajoutées aux bilans de matière et énergétiques. Systèmes cycliques et bloc de convergence Si le procédé inclut des courants de recyclage, alors la simulation modulaire séquentielle décrite au- dessus ne fonctionnera pas, parce qu'il y a des courants d'alimentation, pour quelques unités, dont les propriétés dépendent des unités en aval qui n'ont pas été analysées. Alors, un calcul itératif est exigé et les propriétés du courant d’entrée sont supposées. Une fois les calculs séquentiels accomplis, les propriétés calculées pour le courant de recyclage sont comparées à celles supposées. Si elles sont égales (avec une tolérance prédéfinie), alors les résultats sont acceptés. Sinon, des calculs complémentaires doivent être faits jusqu'à la convergence. Sur le diagramme du procédé, on doit inclure une unité fictive pour le courant de recyclage, celui-ci est appelé « bloc de convergence » ou « module de recyclage ». Le courant choisi pour contenir le bloc de convergence est appelé « courant de glissage » et le meilleur courant à choisir est celui avec le moins de variables inconnues. Les estimations initiales pour le courant de glissage doivent être introduites dans le bloc de convergence. 5 | P a g e Simulation des procédés industriels par HYSYS A.CHALABI 2020 Dans la méthode de « substitution consécutive », les valeurs supposées pour le courant de glissage sont replacées lors de la deuxième itération par les valeurs calculées. Cette méthode est lente et, afin d’accélérer la convergence, d’autres méthodes plus puissantes sont utilisées. La méthode d’accélération de Wegstein et la méthode de Newton sont les techniques d'itération les plus utilisées. Spécifications de conception Pour la simulation modulaire séquentielle, il est supposé que les calculs sont exécutés de gauche à droite. Les propriétés du courant d'alimentation sont connues et les propriétés du courant de sortie sont calculées pour chaque unité. Il est souvent nécessaire de spécifier une propriété d'un courant de sortie, par exemple la spécification du taux de récupération d'un composé dans un procédé de séparation, et de calculer uploads/Industriel/ polycopie-du-tp-simulation-des-procedes-industriels.pdf
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- Publié le Oct 03, 2022
- Catégorie Industry / Industr...
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