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HAL Id: tel-00116677 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00116677 Submitted on 27 Nov 2006 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation et Commande d’un procédé d’Extrusion Réactive Samir Eddine Choulak To cite this version: Samir Eddine Choulak. Modélisation et Commande d’un procédé d’Extrusion Réactive. Automatique / Robotique. Université Claude Bernard - Lyon I, 2004. Français. tel-00116677 N° d’ordre : 259-2004 Année 2004 THESE présentée à l’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD – LYON 1 pour l’obtention du DIPLOME DE DOCTORAT (arrêté du 25 avril 2002) SPECIALITE AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE Par Samir Eddine CHOULAK M MO OD DE EL LI IS SA AT TI IO ON N E ET T C CO OM MM MA AN ND DE E D D’ ’U UN N P PR RO OC CE ED DE E D D’ ’E EX XT TR RU US SI IO ON N R RE EA AC CT TI IV VE E Directeur de Thèse : M. G. THOMAS JURY : M. P. CASSAGNAU, M. D. DOCHAIN, Rapporteur M. G-H. HU, Rapporteur M. C. JALLUT, M. M. M’SAAD, Président M. G. THOMAS, Directeur UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I Président de l’Université Vice-Président du Conseil Scientifique Vice-Président du Conseil d’Administration Vice-Présidente du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire Secrétaire Général M. le Professeur D. DEBOUZIE M. le Professeur J.F. MORNEX M. le Professeur R. GARRONE M. le Professeur G. ANNAT M. J.P. BONHOTAL SECTEUR SANTE Composantes UFR de Médecine Lyon R.T.H. Laënnec UFR de Médecine Lyon Grange-Blanche UFR de Médecine Lyon-Nord UFR de Médecine Lyon-Sud UFR d’Odontologie Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques Institut Techniques de Réadaptation Département de Formation et Centre de Recherche en Biologie Humaine Département de Formation à la Recherche et à l’Evaluation Pédagogiques Directeur : M. le Professeur D. VITAL-DURAND Directeur : M. le Professeur X. MARTIN Directeur : M. le Professeur F. MAUGUIERE Directeur : M. le Professeur F.N. GILLY Directeur : M. O. ROBIN Maître de Conférences Directeur : M. le Professeur F. LOCHER Directeur : M. le Professeur L. COLLET Directeur : M. le Professeur P. FARGE Directeur : M. le Professeur M. LAVILLE SECTEUR SCIENCES Composantes UFR de Physique UFR de Biologie UFR de Mécanique UFR de Génie Electrique et des Procédés UFR Sciences de la Terre UFR de Mathématiques UFR d’Informatique UFR de Chimie Biochimie UFR STAPS Observatoire de Lyon Institut des Sciences et des Techniques de l’Ingénieur de Lyon Département de 1er cycle Sciences IUT A IUT B Institut de Science Financière et d'Assurances Directeur : M. le Professeur J.L. VIALLE Directeur : M. le Professeur H. PINON Directeur : M. le Professeur H. BEN HADID Directeur : M. le Professeur A. BRIGUET Directeur : M. le Professeur P. HANTZPERGUE Directeur : M. le Professeur M. CHAMARIE Directeur : M. le Professeur M. EGEA Directeur : M. le Professeur J.P. SCHARFF Directeur : M. le Professeur R. MASSARELLI Directeur : M. le Professeur R. BACON Directeur : M. le Professeur J.P. PUAUX Directeur : M. J.C. DUPLAN Maître de Conférences Directeur : M. le Professeur M. ODIN Directeur : M. le Professeur G. MAREST Directeur : M. le Professeur J.C. AUGROS « Il n’y a pas de forteresse imprenable, il n’y a que des forteresses mal attaquées. » Marc NOVELLANI À mes chers parents … Remerciements Ce travail a été effectué au sein du Laboratoire d’Automatique et du Génie des Procédés (LAGEP) de l’Université Claude Bernard Lyon I, dont le directeur est M. H. FESSI. Qu’il soit remercié pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire ainsi que l’ensemble des membres du LAGEP, Sans oublier M. J. LIETO ancien directeur du laboratoire. Je tiens aussi à remercier M G. THOMAS d’avoir accepté ma candidature, d’avoir été mon directeur de thèse et de m’avoir soutenu tout le long de ma thèse. Je voudrais exprimer toute ma gratitude à Mme F. COUENNE, M. Y. LE GORREC et M. C. JALLUT, qui ont dirigé l’ensemble des travaux effectués dans cette thèse. Qu’ils soient assurés de toute ma reconnaissance pour leur investissement et leurs conseils qu’ils n’ont cessés de prodiguer tout au long de cette étude et pour les rapports amicaux qui se sont instaurés entre nous. Mes remerciements s’adressent également à M B. MASCHKE et Mme M. TAYAKOUT, qui, à plusieurs reprises, m’ont apporté leurs soutien et encouragements. Je tiens à remercier M. A. MICHEL pour son accueil au sein du laboratoire des matériaux plastiques et biomatériaux (LMPB). Je remercie également M. P. CASSAGNAU pour son aide précieuse, pour les travaux expérimentaux de cette étude et pour les conseils qu’il m’a apportés durant cette thèse. Mes remerciements s’adressent également à M. F. MELIS pour sa disponibilité et ses précieux conseils. Je suis très sensible à l’honneur que me font M. D. DOCHAIN, M. G. H. HU en acceptant d’être rapporteurs de mon travail et M. M. M’SAAD pour avoir été membre de mon jury. Q’ils trouvent ici toute ma gratitude pour leur participation au jury de cette thèse. Je ne saurais oublier ceux qui ont rendu ces quatre années agréables : Ahmed (le gentil), Alex (le petit chat), Audrey (la gentille), Elodie (l’ange), Eric (le baratineur), Mathieu (le président), Moussa (le bogosse), Damien genou (le dormeur), Damien cheville (le VTTiste), Thibeau (le motard), Manu (le timide), David (le serein), David (le bricoleur), Toufik (la classe), Christelle (la souriante), Fabiola (la bavarde), Carole (la rolleuse), Bérengère (la style), Claudia(la clodo), Gérard (le grand), Patrice (le pharmacien), Miguel (le mexicain), Laurent (le voyageur), Hamid (le penseur), Pierre (le sympa), Aurélie (la bosseuse), Raphaël (le touriste), Charlotte (la douce), Sandra (la dynamique), Héléna (la suédoise), Olivier (l’informaticien), Delphine (l’élégance) et Benaouda (le manga), merci à vous tous et à toutes les personnes qui ont contribué à rendre mon séjour au LAGEP extrêmement agréable. Je remercie vivement mes cousins M. et Mme TARCHOUN pour l’accueil qu’ils m’ont réservé depuis mon arrivée en France. Mes remerciements vont également à mes amis d’enfance Yacine et Samy pour leur amitié qui dure depuis plus de 20 ans, pour leur soutien dans les moments difficiles et pour leurs encouragements. Aussi, j’adresse mes remerciements à mon amie Nassima pour son soutien durant la dernière phase de ma thèse. Je terminerai enfin par une pensée particulière pour mes parents, à qui je dois – entre autres !- d’avoir pu suivre mes études, et pour mes sœurs et frère, qui malgré la distance, m’ont accompagné moralement tout au long de ce parcours. Mes pensées s’adressent également à ma grand-mère, mes tantes (particulièrement ma tante Salima), mes oncles Zoubir et Mouloud et à l’ensemble de ma famille. 9 Sommaire INTRODUCTION GENERALE...........................................................................................13 CHAPITRE 1 : BIBLIOGRAPHIE......................................................................................19 1.1. INTRODUCTION : .............................................................................................................21 1.2. DESCRIPTION ET CLASSIFICATION DES EXTRUDEUSES :...................................................21 1.2.1 Description générale :..............................................................................................23 1.2.2 Classification des extrudeuses bivis ........................................................................24 1.2.3 Principaux éléments des extrudeuses bivis..............................................................25 1.3. MODELISATION DES EXTRUDEUSES BIVIS.....................................................................35 1.3.1 Introduction .............................................................................................................35 1.3.2 Etude biliographique : .............................................................................................37 1.4. CONCLUSION :.................................................................................................................71 CHAPITRE 2 : MODELISATION DU PROCEDE D’EXTRUSION REACTIVE ........73 2.1. INTRODUCTION : .............................................................................................................75 2.2. STRATEGIE ADOPTEE : ....................................................................................................75 2.3. ASPECT ECOULEMENT DU MODELE :................................................................................77 2.3.1 Expression des débits pour les éléments de vis à pas direct et inverse ...................78 2.3.2 Les malaxeurs :........................................................................................................83 2.3.3 La filière ..................................................................................................................85 2.3.4 Calcul du profil de pression :...................................................................................86 2.4. ASPECT REACTIF DU MODELE..........................................................................................89 2.4.1 Introduction .............................................................................................................89 2.4.2 Mécanisme réactionnel de la réaction chimique......................................................89 2.4.3 Vitesse de la réaction : étude cinétique en réacteur fermé parfaitement agité isotherme ..........................................................................................................................91 10 2.4.4 Rhéologie du milieu réactif : ...................................................................................95 2.4.5 Bilans matière :........................................................................................................99 2.5. ASPECT THERMIQUE DU MODELE ..................................................................................103 2.5.1 Introduction ...........................................................................................................103 2.5.2 Calcul des dissipations visqueuses : ......................................................................103 2.5.3 Coefficient d’échange de chaleur ..........................................................................108 2.5.4 Enthalpie de réaction : ...........................................................................................110 2.5.5 Bilan d’énergie : ....................................................................................................111 2.6. CONSTRUCTION D’UN MODELE POUR UN PROCEDE D’EXTRUSION REACTIVE DONNE .....115 2.6.1 Modèle d’écoulement ............................................................................................115 2.6.2 Prise en compte des échanges thermiques :...........................................................124 2.6.3 Modélisation de la réaction : .................................................................................127 2.7. CONCLUSION :...............................................................................................................130 CHAPITRE 3 : ANALYSE ET VALIDATION DU MODELE DE SIMULATION.....133 3.1. INTRODUCTION : ...........................................................................................................135 3.2. DETERMINATION DU NOMBRE DE REACTEUR : ..............................................................135 3.2.1 Etude expérimentale : ............................................................................................135 3.2.2 Etude du modèle RCPA :.......................................................................................139 3.2.3 Validation qualitative et expérimentale du modèle d’écoulement théorique ........147 3.3. SIMULATION DYNAMIQUE ET STATIQUE DU PROCEDE D’EXTRUSION REACTIVE :...........163 3.3.1 Simulations en régime stationnaire : .....................................................................164 3.3.2 Simulations en régime dynamique : ......................................................................170 3.3.3 Validation quantitative du modèle global :............................................................183 3.4. CONCLUSION :...............................................................................................................189 CHAPITRE 4 : DU MODELE DE SIMULATION AU MODELE DE COMMANDE – ANALYSES ET SIMPLIFICATIONS ...............................................................................191 11 4.1. INTRODUCTION..............................................................................................................193 4.2. ANALYSE DU MODELE POUR LA COMMANDE.................................................................195 4.2.1 Simulation..............................................................................................................195 4.3. ELABORATION DU MODELE LINEAIRE............................................................................209 4.3.1 Modèle linéarisé tangent........................................................................................210 4.3.2 Simulation..............................................................................................................210 4.4. COMMANDABILITE ET OBSERVABILITE..........................................................................221 4.4.1 Commandabilité.....................................................................................................221 4.4.2 Observabilité..........................................................................................................222 4.5. ANALYSE MODALE........................................................................................................223 4.5.1 uploads/Science et Technologie/ these-choulak.pdf