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Cours : CAO et usine virtuelle 1 | P a g e I .1 Introduction La mondialisation

Cours : CAO et usine virtuelle 1 | P a g e I .1 Introduction La mondialisation de l’économique, les contraintes d’environnement et de sécurité, la dynamique du marché exigent une très grande rigueur dans la conception et la conduite des procédés [1]. L'ingénierie des procédés est la discipline de l'ingénierie qui se concentre sur les processus de conception, l'exploitation, le contrôle des processus et l'optimisation des procédés. Le Génie des procédés peut se concentrer sur les processus physiques, chimiques ou biologiques. Lorsqu'il applique des méthodes informatiques systématiques aux procédés étudiés. En raison de son large éventail d'applications d'une valeur potentielle considérable et de diverses méthodes, l'ingénierie des procédés englobe un très large éventail d'industries et de secteurs différents. On peut définir la conception assistée par ordinateur (CAO) : «Comprend l'ensemble des logiciels et des techniques de modélisation géométrique permettant de concevoir, de tester virtuellement à l'aide d'un ordinateur » I .2 Définition de procédés Un procédé est une méthode, une technique utilisé pour la réalisation d'une tâche, ou la fabrication d'un matériaux ou d'un produit fini »  Les chimistes s’intéressent principalement à la transformation de la matière => Le cœur = réaction chimique  Les ingénieurs s’intéressent aux aspects techniques et scientifiques et aux aspects liés: aspects économiques, aspects environnementaux, aspects sociaux, gestion des risques. I .3 Définition de la conception assistée par ordinateur La conception assistée par ordinateur comprend l’ensemble des logiciels et des techniques informatiques permettant de tester virtuellement - à l’aide d’un ordinateur. I .4 Importance de la conception assistée par ordinateur L’informatique a permis le remplacement du dessin industriel traditionnel par la conception assistée par ordinateur. Chaque application de génie chimique commence par une description générale du problème physique. Ensuite, ces termes généraux sont placés dans un contexte mathématique pour que l'ordinateur puisse les représenter. Vous devez démontrer comment vérifier votre travail et apprendre des réponses fournies par votre ordinateur. Les étapes sont :  Résoudre le problème  Validez votre travail  Comprendre comment vous avez atteint cette réponse La technologie conception assistée par ordinateur a pris naissance au sein des grands programmes américains des années 1950. Ensuite, elle a pénétré le domaine de l’architecture, le génie civil, génie chimique et génie des procédés.  DAO : Dessin Assistée par Ordinateur «architecture »  FAO : Fabrication Assistée par Ordinateur «Génie mécanique »  GPAO : Gestion de la Production Assistée par Ordinateur «Gestion»  CPAO : Conception des Produits Assistée par Ordinateur «Génie chimique »  CPAO : Conception des Procédés Assistée par Ordinateur «Génie procédés » Cours : CAO et usine virtuelle 2 | P a g e I .5 Avantages de la conception assistée par ordinateur  La conception assistée par ordinateur permet de conception des systèmes dont la complexité dépassée la capacité d’être humain, comme en micro ou nanoélectronique.  La conception virtuelle permet l’appréciation globale du comportement de l’objet crée avant même que celui-ci n’existe.  Un système de conception assistée par ordinateur permet de représenter et d’étudier le fonctionnement d’un objet sans l’avoir fabriquer réellement, c.-à-d. en virtuel. I .6 Conception assistée par ordinateur des colonnes L’absorption et la distillation sont deux opérations unitaires de génie de procédés caractérisées par un transfert de matière et de chaleur entre une phase liquide et une phase vapeur. La distillation est la séparation par voie physique des divers constituants d’un mélange liquide. La phase vapeur est produite par évaporation en fournissant de la chaleur au système. L’absorption est la séparation par voie physique ou physicochimique d’un ou de plusieurs constituant d’un mélange gazeux. La phase liquide est constituée par un solvant qui est mis en contact avec la phase gazeuse. I .7 Modélisation et simulation d’un procédé 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 [2], la figure I.1 présente les étapes de la modélisation d’un procédé. Etapes de modélisation et de simulation d’un procédé. L’analyse du système, la modélisation et la simulation constituent les trois étapes fondamentales pour l’étude du comportement dynamique des systèmes complexes [2]: I.7.1 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. Objet Modèle Simulation Modéliastion Etude logique et analytique Comparaison Simulateur Résultats Cours : CAO et usine virtuelle 3 | P a g e I.7.2 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, produits formés, cinétiques et mécanismes), les paramètres de transfert (matière, énergie, quantité de mouvement) et l’hydrodynamique caractérisant les équipements. I.7.3 Simulation La simulation est définie comme la représentation d’un phénomène physique à l’aide de modèles mathématiques simples permettant de décrire son comportement. Autrement dit, la simulation permet de représenter les différents phénomènes : transfert de masse et de matière, se produisant dans les différentes opérations unitaires par les modèles mathématiques. Ces derniers utilisent un système d’équation analytique non linéaire résolues par les méthodes numériques pour décrire le comportement d’un phénomène physique. On peut distinguer deux modes de fonctionnement dans un simulateur : I.7.4 Simulation statique (Steady state) 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 [3]. 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. I.7.5 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. Autrement dit: permettent d'évaluer les variables dans le temps à partir de la résolution de systèmes d'équations différentielles [3]. I .8 Simulateurs de procédés I.8.1 Définition des simulateurs 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 [1]. Nous prendrons par exemple HYSYS ou bien DWSIM peut être utilisé lors de la conception d’un procédé industriel afin d’établir des bilans de matière et d’énergie d’un procédé industriel et de dimensionner les équipements de ce procédé ou bien dans le suivi des procédés qui sont déjà installés afin de réajuster les paramètres de fonctionnement dans le cas de changement de compositions de l’alimentation ou des conditions de fonctionnement de certains équipements et de déterminer les performances des équipements. Il existe un très grand nombre de logiciels de simulateurs des procédés chimiques sur le marché tels que : Simulateurs commerciaux : La simulation des procédés industriels peut se réaliser par plusieurs simulateurs commerciaux tel que :  Aspen (http://www.aspentec.com/)  Chemcad (http://www.chemstations.net/)  DesignII (http://www.winsim.com/)  Hysys (http://www.hyprotech.com/) Cours : CAO et usine virtuelle 4 | P a g e  Ideas (http://www.ideas-simulation.com/home.php)  Indiss (http://www.rsi-france.com/)  Prosim (http://www.prosim.net/english.html) Simulateurs libres (open source) : désigné aux étudiants en ingénierie chimique et aux ingénieurs en exercice de modéliser les usines de procédés en utilisant des modèles rigoureux de thermodynamique et d'unités opérationnelles comme DWSIM, COCO, ASCEND. I.8.2 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 physico-chimiques des fluides (débit, composition, température, pression, taux de vaporisation …etc  Fournir les éléments nécessaires pour le dimensionnement des équipements, tels que les quantités de chaleur échangées ; diamètre, hauteur et le nombre de plateaux d’une colonne. À ces objectifs, s’ajoutent :  L’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement du procédé.  L’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé.  L’analyse du fonctionnement 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 réglementations concernant l’environnement ou la sécurité. I.8.3 Simulateurs orientés module « OM » Les simulateurs OM ont étés adoptés par la majorité des simulateurs commerciaux. Citons-les plus largement utilisés : Aspen Plus, Chemcad, Aspen HYSYS, Pro/II et ProSim Plus. Dans l’approche OM, l’élément de base pour construire le modèle du procédé est le modèle d’opération unitaire appelé « module » [1]. 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 (T,P…etc) 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. I.8.4 Simulateurs orientés équation « uploads/Industriel/ resume-final.pdf