MEROUANI S., 2014 Simulateurs de Procédés Introduction au Logiciel HYSYS Sliman
MEROUANI S., 2014 Simulateurs de Procédés Introduction au Logiciel HYSYS Slimane MEROUANI MEROUANI S., 2014 - 1 - MEROUANI S., 2014 - 2 - CHAPITRE I Généralités 1. Qu'est-ce qu'un procédé industriel Un procédé industriel est un assemblage de plusieurs opérations unitaires (colonnes de distillation, pompes, compresseurs, séparateurs, échangeurs, …) destiné à produire des objets ou à synthétiser des produits chimiques, en grande quantité et dans des conditions techniquement et économiquement acceptables. 2. Conception et simulation d’un procédé La conception d’un procédé industriel 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, - l’environnement. Ainsi, lorsqu’un nouveau procédé est développé, le rôle de l’ingénieur de procédé consiste à trouver le système le plus adapté non seulement en terme 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 pour concevoir rapidement et économiquement de nouveaux procédés plus rentables, mais également pour analyser et optimiser le fonctionnement des installations existantes. Ce domaine d’activité est désigné par le terme « d’ingénierie des procédés assistée par ordinateur ». 2.1. 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. FIGURE 1 : Schéma nécessaire pour la modélisation et la simulation d’un processus Objet Modélisation Simulateur Résultats Modèle Simulation Comparaison Etude logique et analytique MEROUANI S., 2014 - 3 - L’analyse du système, la modélisation et la simulation constituent les trois étapes fondamentales de l’étude du comportement dynamique des systèmes complexes (procédé) : 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, produits formés, cinétiques et mécanismes), - les paramètres de transfert (matière, énergie, quantité de mouvement), - 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. 3. Simulateurs Un simulateur est l'outil de mise en œuvre de la simulation du système. Il présente donc sous des conditions contrôlables et observables l'évolution du modèle du procédé. Les simulateurs permettent d’établir aisément et avec rigueur les bilans matière et énergie sur les procédés. 3.1. 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 (débit, composition, température, pression, propriétés physiques) pour tous les fluides qui circulent entre les appareils ; - fournir les éléments nécessaires au dimensionnement des équipements, tels que les quantités de chaleur échangées ou les débits internes d’une colonne. À ces objectifs, s’ajoutent : - l’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement et, dans un contexte de développement durable, de l’impact sur l’environnement et la sécurité, - l’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé. On comprend alors aisément pourquoi ils constituent les outils de base pour la conception des procédés assistée par ordinateur. Les autres applications des simulateurs concernent 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. 3.2. Types de simulateurs Deux types de simulateurs sont largement utilisés pour la simulation des procédés industriels : - simulateurs modulaires séquentiels, - simulateurs basés sur les équations. a. Simulateurs modulaires séquentiels Dans le simulateur modulaire séquentiel, 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 ». MEROUANI S., 2014 - 4 - 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. b. Simulateurs basée sur les équations du procédé Cette méthode implique le rassemblement de toutes les équations du procédé et résolvant simultanée pour calculer les variables inconnues. 3.3. Eléments constitutifs d’un simulateur de procédé Les différents éléments d’un simulateur sont présentés sur la Figure 2. a. Base de données La base de données stockent tous les constantes physico-chimiques des espèces chimiques pures (masse molaire, coordonnées critiques, point normal d’ébullition...), les paramètres des corrélations pour le calcul de leurs propriétés qui sont fonction de la température (chaleur spécifique du gaz parfait, pression de vapeur saturante, viscosité...) et les paramètres d’interaction binaire relatifs aux modèles de coefficients d’activité. b. Serveur de propriétés Le serveur de propriétés repose sur les bases de données des corps purs et binaires précédemment décrites et sur des modèles thermodynamiques pour délivrer toutes propriétés thermodynamiques (équilibres entre phases), physico-chimiques et de transfert nécessaires à la simulation. FIGURE 2 : Eléments constitutifs d’un simulateur de procédés MEROUANI S., 2014 - 5 - c. Utilitaires numérique Comporte de toutes les méthodes numériques nécessaires susceptibles d’être utilisés lors de la simulation du procédé. 4. Logiciels de simulation des procédés Il existe un très grand nombre de logiciels de simulation des procédés chimiques sur le marché. Ci- après, on présente une liste des logiciels les plus utilisés au niveau mondial : http://www.aspentec.com/ (Aspen) http://www.chemstations.net/ (Chemcad) http://www.winsim.com/ (DesignII) http://www.hyprotech.com/ (Hysys) http://www.ideas-simulation.com/home.php (Ideas) http://www.rsi-france.com/ (Indiss) http://www.prosim.net/english.html (Prosim) http://www.simsci-esscor.com/us/eng/default.htm (ProII) http://www.rsi-france.com/ (Sim42) Le logiciel dont nous disposons est le logiciel HYSYS de la société Hyprotech qui est une filiale du groupe Aspentech. 4.1. Présentation de HYSYS HYSYS a été développé principalement pour l'industrie du pétrole, bien qu'il soit utilisé pour d’autres types de procédés chimiques. Ce logiciel : - dispose d’une interface graphique simple pour la construction des diagrammes du procédé (PDF – Process Flow Diagrams), - fait les calculs nécessaires dès que le minimum de données suffisant pour le calcul est entré, - Ajuster automatiquement les résultats de calcul avec n’import quel changement dans les données d’entrées, - Facilite la disposition des erreurs et de leurs corrections. Pour réaliser une simulation en HYSYS, les pas suivants sont nécessaires : a. Choix des composés (Components) Il y a beaucoup de composés dans la bibliothèque et ils sont classés en groupes (traditionnel, hypothétique, électrolyte). Les composés peuvent être trouvés en utilisant des filtres et ajoutés à la liste des composés du procédé à simuler. Lorsqu’un composé n'est pas dans la bibliothèque du logiciel. Le problème peut être surmonté en définissant un composé hypothétique, avec une quantité minimale de propriétés de base spécifiées par l'utilisateur. L’ensemble complet des propriétés pour le composé sera alors estimé par le logiciel. b. Choix du modèle thermodynamique (Fluide Package) L’utilisateur doit sélectionner le modèle thermodynamique à utiliser pour calculer les propriétés de mélange (masse volumique, enthalpie,...) ainsi que pour calculer l’équilibre de phases dans les courants et dans les unités de séparation. Le modèle le plus simple suppose un comportement de gaz idéal pour la phase gaz et un comportement de solution idéal pour la phase liquide. Donc, on utilise la loi de Raoult pour les calculs de l'équilibre de phases. Dans HYSYS, ce modèle est appelé « Antoine », parce qu'il utilise l’équation d'Antoine pour le calcul des pressions de vapeur. Les propriétés de mélange pour le liquide sont calculées à partir des moyennes des propriétés individuelles. Pour les mélanges d'hydrocarbures légers, les équations d'état, telle que celle de Peng-Robinson, ou celle de Soave-Redlich-Kwong ou une méthode d’états correspondants comme celle de Lee-Kesler MEROUANI S., 2014 - 6 - Plocker, sont utilisées couramment. Celles-ci peuvent être trouvées à l’aide du filtre EOS (Equations of State). Pour des composés présentant un caractère de solution non-idéale (i.e. éthanol + eau), un modèle de type « loi de Raoult modifiée » doit être utilisé. Ceux-ci sont appelés « modèles à coefficient d'activité ». Ils peuvent être trouvés avec le filtre « Activity Models ». Quelques exemples sont les modèles NRTL et UNIQUAC. Il existe d'autres modèles spéciaux dans HYSYS, notamment pour estimer les propriétés de l'eau (y compris en phase vapeur) et pour les électrolytes. c. Etablir le diagramme du procédé (PFD – Process Flow Diagram) La base d'une simulation est le développement du PFD. Ceci est fait en sélectionnant des unités dans la palette d’objets uploads/Industriel/ simulateurs-de-procedes.pdf
Documents similaires
-
19
-
0
-
0
Licence et utilisation
Gratuit pour un usage personnel Attribution requise- Détails
- Publié le Fev 02, 2021
- Catégorie Industry / Industr...
- Langue French
- Taille du fichier 3.7086MB