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Polycopie Simulateurs de Procédés Page 1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET

Polycopie Simulateurs de Procédés Page 1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ----------------------- UNIVERSITE DJILLALI LIABES SIDI BEL ABBES FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DES ENERGIES ET DE GENIE DES PROCEDES Polycopie Simulateurs de procédés Dédié aux étudiants 3ème Licence Génie des Procédés Présentée par: Dr. MAHIDA Badra 2021-2022 Polycopie Simulateurs de Procédés Page 2 Introduction Ce polycopie fournit une étude théorique et pratique, sur la conception et la simulation de procédés chimique à l'aide des logiciels de simulation. Il s'agit d'un sujet d'intérêt actuel des techniciens et ingénieurs en procédés chimiques et en énergie, des concepteurs et développeurs de procédés, des évaluateurs économiques de procédés et des chercheurs impliqués dans le génie chimique. Les simulateurs de procédés 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. Ce cours vise à en définir les objectifs, les éléments constitutifs, les concepts fondateurs et à fournir aux étudiants les connaissances nécessaires au bon usage des simulateurs. Donc les objectifs de l’enseignement: → Se familiariser avec les concepts de modélisation et de simulation des procédés. → Connaître les principaux logiciels de simulation en génie des procédés. → Apprendre les bases de la conception d’équipements et de procédés à l’aide de logiciels. Connaissances préalables recommandées: Mathématiques. Chimie physique. Notions de phénomènes de transfert, les opérations unitaire, les réacteurs, les équipements thermique, les modèles thermodynamique. Le document vise à fournir les principes de conception du génie chimique et, en même temps, des exemples de leur application à l'aide du logiciel de simulation utilisé pendant les séances de Travaux Pratique du module. Comme il n'est pas possible de fournir une présentation exhaustive de tous les principes de base du génie chimique dans un seul polycopie d'une longueur raisonnable, cet ouvrage requiert la nécessite et la connaissance des principes de base du génie chimique. Le polycopie est divisé en quatre parties : Partie I Généralités sur les outils de simulation de procédés, Partie II Initiation au simulateur HYSYS, Partie III Base de données intégré au logiciel HYSYS 2.2, et Partie IV Simulation de quelques équipements utilisés en procédé industriel. Finalement le polycopié est achevé par une conclusion générale qui récapitule les points importants apportés par ce polycopié. Polycopie Simulateurs de Procédés Page 3 Sommaire Introduction 2 Sommaire 3 Chapitre 1 : Généralités sur les outils de simulation de procédés 1.1 Introduction 4 1.2 Definition de la simulation 4 1.3 Objectifs des simulateurs 4 1.4 Simulateurs orientés module et orientés équation 5 1.5 Eléments constitutifs d’un simulateur de procédés orientés module OM 5 1.6 Présentation du logiciel choisi "HYSYS" 7 1.6.1 Les caractéristiques principales de HYSYS 8 Chapitre 2 : Initiation au simulateur HYSYS 2.1 Les étapes principales de simulation en HYSYS 9 2.1.1 Créer une nouvelle feuille de simulation 9 2.1.2 Choisir le modèle thermodynamique 9 2.1.3 Choisir les composés chimiques 9 2.1.4 Accéder à l’environnement de simulation 10 2.1.5 Construction du PFD (PFD (les Procédé, les courants, les diagrammes) 11 2.2 Création d’une feuille de simulation 11 2.2.1 Sélection et création de nouveaux composés 12 2.2.2 Bibliothèque thermodynamique des logiciels Orienté module (OM) 14 2.2.3 Installation et spécification des courants de matière et d'énergie 16 2.2.4 Définir les modules (les équipements) d’opérations unitaires d'un procédé 19 Chapitre 3 : Base de données intégré au logiciel HYSYS 2.2 3.1 Propriétés des corps purs 25 3.1.1 Propriétés indépendantes de la température 25 3.1.2 Propriétés dépendantes de la température 28 3.1.3 Modules d’opérations unitaires 30 Chapitre 4 : Simulation de quelques équipements utilisé en Génie des Procédés Application n°1: Détermination de la masse molaire, la température d'ébullition et des constantes d'Antoine du toluène. 35 Application n°2: Détermination du volume molaire d'un mélange eau-éthanol. 36 Application n°3: Simulation d'un échangeur simple 37 Application n°4: Simulation d'un diviseur 40 Application n°5: Simulation d'un mélangeur 42 Application n°6: Simulation d'un procédé de réfrigérant 44 Application n°7: Simulation d'un ballon flash 45 Application n°8: Simulation d'un réacteur de conversion 47 Application n°10: Simulation d'une colonne de distillation 51 Conclusion 56 Chapitre 1: Généralités sur les outils de simulation de procédés Polycopie Simulateurs de Procédés Page 4 1.1 Introduction: Les simulateurs de procédés sont les outils de base des techniciens et des ingénieurs de procédés, ils permettent d’établir aisément et avec rigueur les bilans matière et énergie sur les procédés. Ce cours vise à en définir les objectifs, les éléments constitutifs, les concepts fondateurs et à fournir aux étudiants les connaissances nécessaires au bon usage des simulateurs. 1.2 Définition de la simulation: La simulation informatique, ou simulation numérique, est une série de calculs effectués sur un ordinateur et reproduisant un phénomène physique ou chimique. Elle aboutit à la description du résultat de ce phénomène, comme s'ils s'était réellement déroulé. Cette représentation peut être une série de données, une image ou même un film vidéo. La simulation de procédé est la conception ou la réalisation virtuelle sur la base de résultats réelle et concret. 1.3 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.  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.  L’analyse du fonctionnement d’une unité existante ou l’étude des modifications à apporter pour adapter l’unité à un nouveau contexte industriel. Les simulateurs permettent d’établir, de manière efficace et rigoureuse, les bilans matière et énergie sur les procédés chimique. L’aspect fondamental pour la simulation des procédés est l’identification des composants élémentaires dont l’assemblage permet de construire le modèle du procédé. Chapitre 1: Généralités sur les outils de simulation de procédés Polycopie Simulateurs de Procédés Page 5 1.4 Simulateurs orientés module et orientés équation Au niveau conceptuel, et comme conséquence directe au niveau numérique, deux approches s’opposent : l’approche dite « orientée module » (OM) et l’approche dite « orientée équation » (OE). L’approche orientée module a été adoptée par la majorité des simulateurs commerciaux. Citons les plus largement utilisés : Aspen Plus, Chemcad, Aspen HYSYS, Pro/II, ProSimPlus, DW Sim. Dans l’approche OM, l’élément de base pour construire le modèle du procédé est le modèle d’opération unitaire appelé « module ». C'est l’agencement d’opérations unitaires dédiées à une fonction précise telle que réaction ou séparation. À l’opposé, les simulateurs OE, tels qu’Aspen Dynamics. ou gPROMS., sont spécifiquement dédiés à la simulation dynamique des procédés. Ces simulateurs apparaissent avant tout comme des solveurs de systèmes d’équations algébriques et différentielles. 1.5 Eléments constitutifs d’un simulateur de procédés orientés module OM Les simulateurs orientés module OM, sont constitués de trois éléments essentiels :  La base de données au cœur du système: la base de données est la banque du logiciel de simulation, il englobe la majorité des composés chimiques, leurs structures chimiques, leurs propriétés physico-chimiques, les unités utilisés en génie des procédés et leurs conversions, les réactions chimique qui peuvent se former entre les constituants, etc.  Le serveur de propriétés physico-chimiques sur lequel repose la bibliothèque de modèles d’opérations unitaires.  L'utilitaires numériques ou solveurs.  Les outils d’évaluation des coûts et de dimensionnement des équipements. Chapitre 1: Généralités sur les outils de simulation de procédés Polycopie Simulateurs de Procédés Page 6 Figure 1.1: Éléments constitutifs d’un simulateur de procédés. Tableau 1.1: Liste de quelques simulateurs de procédés utilisés en étude de conception ou en industries. Nomination Source Type Lien Aspen Plus Aspen Technology Inc. Ten Canal Park Cambridge, MA 02141-2201, USA Steady state www.aspentech.com Aspen Dynamics Aspen Technology Inc. Ten Canal Park Cambridge, MA 02141-2201, USA Dynamic www.aspentech.com Aspen HYSYS Aspen Technology Inc. Ten Canal Park Cambridge, MA 02141-2201, USA Steady state and dynamic www.aspentech.com PRO/II and dynamic SimSci-Esscor 5760 Fleet Street Suite 100, Carlsbad CA 92009,USA Steady state and dynamic www.simsci.com UniSim Design Honyewell 300-250 York Street London,Ontario N6A 6K2, Canada Steady state and dynamic www.honeywell. com CHEMCAD Chemstation Inc. 2901 Wicrest, Suite 305 Houston TX 77251-1885, USA Steady-state www.chemstations. net DESIGN II WinSim Inc. Steady state www.winsim.com Chapitre 1: Généralités sur les outils de simulation de procédés Polycopie Simulateurs de Procédés Page 7 P.O.Box 1885 Houston, TX 77251-1885, USA gPROM PSE Process Systems Enterprise Limited 26–28 Hammersmith Grove London W6 7HA United Kingdom Steady state www.psenterprise. com 1.6 Présentation du logiciel choisi "HYSYS": Le logiciel choisi pour une application en module simulateurs de procédés est le logiciel Hysys 2.2. Cette version de logiciel ne demande pas d'être installer, il suffit juste de le copier sur l'ordinateur pour l'utiliser. Figure 1.2: Logo officiel de simulateur HYSYS 2.2 Le Simulateur Hysys 2.2 est un ensemble de modèles mathématiques des opérations unitaire (ballon, colonne de distillation, uploads/Management/ polycope-simulateur-de-procedes-l3-2501 1 .pdf