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1 1 COURS DE MODELISATION, SIMULATION ET OPTIMISATION DES SYSTEMES INDUSTRIELS

1 1 COURS DE MODELISATION, SIMULATION ET OPTIMISATION DES SYSTEMES INDUSTRIELS Destiné aux étudiants de 1er Master Ingénieur Civil Par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA Année académique 2017-2018 2 Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA Engagements pédagogiques Intitulé du cours : Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels Code : SYST401 Volume horaire : 100 heures (45h Th + 25h TD + 30h TPE) Méthodes d’enseignement et d’apprentissage - Cours théorique ex cathedra (rétro ou vidéo projecteur) - Pas de dictée!!! - Diapositives et notes disponibles Travaux pratiques : au labo informatique (si disponible, sinon dans l’auditoire) : chaque étudiant devant son PC les TP mettent un accent sur le travail individuel de chaque étudiant 2 3 Engagements pédagogiques Méthodes d’évaluation : - Épreuve écrite : Questions théoriques sans notes - Épreuve orale : Préparation du sujet et défense orale - Épreuve pratique : Réalisation d’un travail pratique sur PC Langue : Français Termes en anglais maintenus : se familiariser avec l’environnement anglophone de logiciels scientifiques (design, fit, plot, scan, process, etc.) Crédits : - UNILU : 100/25=4 « heures présentielles enseignant/étudiant » - Niveau international : Charge de travail de l’étudiant - Exemple de l’Union Européenne : ECTS (European Credit Transfert System) # Quantité de travail d’une unité d’enseignement par rapport à l’ensemble # Travail: Cours, TP, stages, recherches, enquêtes, exercices à domicile, etc. # Une année d’études=60 ECTS 1.440 heures de travail (convention) 1 ECTS=24 heures (charge de travail de l’étudiant) - SOSI : 6 ECTS soit 144 heures Si “présentielles”=45 H au moins 100 H « personnelles » Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 4 Engagements pédagogiques Objectifs (général et spécifiques) : Acquérir connaissances et savoir faire permettant de : - développer - calibrer - utiliser efficacement un modèle mathématique d’un procédé chimique et/ou d’une opération physique unitaire Se familiariser avec le concept de modélisation : méthodologie, outils et applications Apprendre à utiliser des logiciels de simulation de procédés en Chimie Industrielle et de traitement de données liées à une expérimentation Pré-réquis : Notions de - Thermodynamique appliquée - Génie Chimique et Métallurgique - Statistique - Mathématique : algèbre, analyse mathématique et analyse numérique - Informatique Remarque : MSOSI n’est pas un cours de programmation S’appuie sur les cours décrivant phénomènes et opérations physico-chimiques Débouche sur les applications de conception et d’optimisation de procédés Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 3 5 Contenu du cours théorique Introduction Chapitre I Développement et utilisation des modèles - Introduction - Méthodologie de la modélisation - Modélisation par plans d’expérience - Applications Chapitre II Simulation statique des systèmes industriels - Introduction - Modèles des systèmes isolés - Analyse d’un système chimique - Applications Chapitre III Résolution de modèles, analyse et optimisation de système - Méthodes numériques de résolution - Optimisation avec contrainte - Algorithmes de minimisation - Applications Chapitre IV Applications - Validation des mesures - Validation des modèles - Calibrage (ajustement paramétrique, etc.) Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 6 Contenu des Travaux Pratiques Séance N°1 Simulation avec CHEMLAB - Prise de connaissance avec l’interface - Présentation des différents modules (+ démonstration) - Application (approfondie) sur un module - Formation des groupes pour exposer sur différents modules Séance N°2 Calcul thermodynamique avec HSC Chemistry - Prise de connaissance avec l’interface - Présentation des différents modules (+ démonstration) - Quelques applications Séance N°3 Modélisation et simulation d’un échangeur de chaleur - Etablissement du modèle d’un échangeur tubulaire - Résolution numérique du modèle - Simulation et optimisation de l’échangeur Séance N°4 Résolution numérique des modèles à l’aide de MS Excel - Modèles linéaires - Modèles non linéaires (Newton-Raphson, Jacobi, etc.) - Analyse de la matrice d’incidence Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 4 7 Préalables 1. Disposer des slides : obligatoire dès la séance prochaine 2. Disposer des notes intégrales : syllabus non obligatoire mais très recommandé 3. Disposer d’un PC : … au besoin emprunter auprès des collègues 4. Installer les logiciels d’application : obligatoire dès la séance prochaine - ChemLab : libre de téléchargement (http://www.modelscience.com) - HSC Chemistry - MatLab - Minitab Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 8 INTRODUCTION Équations de simulation Variables d’état ENTREES T°, P, Xi, Q Variables d’état SORTIES T°, P, Xi, Q Équations de simulation Bilans de masse Bilans d’énergie Équations de performance Terminologie Computer Aid : Assistance par ordinateur. Utilisation indispensable des modèles mathématiques Process : Procédé : ensemble d’opérations unitaires Exemple : Hydrométallurgie du cuivre (broyage, lixiviation, séparation S-L, etc.) Engineering : Travaux d’ingénierie qui comprennent la conception, le dimensionnement, l’exploitation optimale, le calcul des bilans, le contrôle du process, l’augmentation de capacité, la rénovation, etc. Simulation numérique (ou informatique) : réalisation virtuelle d’un procédé à l’aide d’un programme informatique sur un ordinateur Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 5 9 Simulation numérique (ou informatique) : désigne un procédé selon lequel on exécute un programme informatique sur un ordinateur …. INTRODUCTION Les simulations numériques scientifiques reposent sur la mise en œuvre de modèles théoriques utilisant souvent la technique dite des éléments finis. Les interfaces graphiques permettent la visualisation des résultats des calculs par des images de synthèse. Ces simulations informatiques sont rapidement devenues incontournables pour la modélisation des systèmes naturels en physique, chimie et biologie, mais également des systèmes humains en économie et en science sociale. Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 10 Exemple de simulation : ChemLab ChemLab a vu le jour à partir de travaux scolaires effectués dans le domaine de la simulation sur ordinateur et de la conception de logiciel à l'Université Mc Master Le travail d'élaboration s'est poursuivi grâce à la contribution importante d'éducateurs et d'éducatrices intéressés par l'application possible de simulations informatiques en classe ou en enseignement à distance ChemLab est un produit qui intègre à la fois une simulation interactive et un carnet de laboratoire comprenant des espaces distincts pour la théorie, les procédures et les observations des étudiants Les utilisateurs peuvent ajouter à l'ensemble de laboratoires de départ en utilisant les outils de développement de l'Assistant de laboratoire de ChemLab, ce qui permet ainsi aux éducateurs d'élaborer des simulations de laboratoire spécifiques à un programme INTRODUCTION Exemple de ChemLab Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 6 11 Exemple : Montrer l’intérêt de modéliser et d’appliquer la simulation pour une usine de production de sel de Co Poudre de fer Cu≤ 20% Co≤ 5% PREPARATION MECANIQUE LIXIVIATION FILTRATION ELECTROLYSE PRECIPITATION DU COBALT FILTRATION LAVAGE SECHAGE Oui NaOH Eau Eau Hydroxydes Co (Pour l’exportation) Gâteau humide Co(OH)2 Rejet liquide Rejet liquide Cuivre 97-98% Non Exportation MINERAI pH 8,3 Insolubles DEFERRAGE FILTRATION Chaux Hydrates de Fe H2SO4 INTRODUCTION Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 12 TERMINOLOGIE : Modèles de simulation d’un appareil : Ensemble d’équations (bilans, équations de performance permettant le calcul des sorties de l’appareil connaissant les entrées, les spécifications ou les paramètres de performance, etc.) Exemple : Échangeur de chaleur ENTREES : Fumées chaudes T°, P, Xi, Q SORTIES : Fumées refroidies T°, P, Xi, Q ENTREES : Eau froide T°, P, Xi, Q SORTIES : Eau chaude T°, P, Xi, Q Équations Bilans de masse Bilans thermique Coefficient de transfert Perte de charge INTRODUCTION Cours de Modélisation, Simulation et Optimisation des Systèmes Industriels destiné aux étudiants de 1er Master Ir Civil 2017-2018 par Prof. Dr Ir Arthur KANIKI et CC Ir Patient ILUNGA 7 13 INTRODUCTION Paramètres (mesures, données et variables) A (surface d’échange) en m2 U (coef. d’échange thermique) [kW/m2/°K] F (débit) en kg/sec Cp (capacité calorifique) en kJ/kg/°K T (température) en °K Q (puissance échangée) en kW P (pression) en bar Équations Dans un échangeur de chaleur, le flux thermique échangé est fonction de la surface d’échange Q : uploads/Industriel/ slides-msosi-2018-intro-chap-i.pdf