Réalisé et présenté par Mlle N. AMERAOUI /FGMGP/USTHB/2024-2025 (Référence : Cours de SDP de Mme RENANE/FGMGP/USTHB)
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01/02/2025
COURS DE LA MATIERE « Simulateurs de procédés »
3ème Licence GP-C
Enseignante à la faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés
Mlle AMERAOUI Nassima
Chargée de cours de la matière SDP (3ème LIC. GP-C)
(FGMGP) / USTHB
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01/02/2025
Mlle AMERAOUI Nassima
ameraoui.fgmgp.etu@gmail.com
http://ameraoui-fgmgp-usthb.blogspot.com/
COURS DE LA MATIERE « Simulateurs de procédés »
3ème Licence GP-C
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PLAN (cours 1) :
I. OBJECTIFS DES SIMULATEURS
II- SIMULATEURS ORIENTÉS MODULE ET ORIENTÉS ÉQUATION
1- Approche OM
2- Approche OE
Courant matière
Courant d’énergie
Courant d’information
2.1 Serveurs des propriétés physico-chimiques
2.1.1 Les bases de données
Bases de données de corps purs
Bases de données des systèmes binaires DECHEMA
2.1.2 Méthodes d’estimation
2-2 Module ou serveur des OPU
2-3 Bibliothèque des solveurs ou solveurs numériques
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I. OBJECTIFS DES SIMULATEURS
Les objectifs majeurs des simulateurs de procédés sont les suivants :
– Résoudre les équations des bilans de matière et d’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.
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I. OBJECTIFS DES SIMULATEURS (suite)
– L’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement, dans un contexte de développement durable, de l’impact sur l’environnement et de la sécurité ;
– L’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé.
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II- SIMULATEURS ORIENTÉS MODULE ET ORIENTÉS ÉQUATION
L’aspect fondamental pour la simulation des procédés est l’identification des composants élémentaires dont l’assemblage permet de construire le modèle de simulation du procédé.
On aura par conséquent deux approches :
approche dite « orientée module » (OM)
et l’approche dite « orientée équation » (OE).
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1- Approche OM :
Elle est adoptée par la majorité des simulateurs commerciaux. Tels qu’Aspen Plus, HYSYS, ProSimPlus, DWSIM… Dans cette approche, l’élément de base est l’opération unitaire.
L’utilisateur sélectionne les modules élémentaires standardisés à partir de la bibliothèque du simulateur, il va fournir par la suite les paramètres de fonctionnement et de dimensionnement de ces modules, enfin il les relie entre eux par des courants de matière représentant les flux de matière, d’énergie et les courants d’information.
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2- Approche ou simulateurs OE :
Tels qu’Aspen Dynamics ou Hydrus, sont spécifiquement dédiés à la simulation dynamique des procédés. Ces simulateurs apparaissent comme des solveurs de systèmes d’équations algébriques et différentielles.
Ils sont réputés plus efficaces que les simulateurs OM sur le plan numérique. Par contre, les bibliothèques de modèles de ces simulateurs sont généralement très peu fournies.
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Courant matière :
Représente les flux de matière qui circulent entre deux unités. Il est défini par un ensemble de variables indépendantes telles que : débit, température (ou enthalpie) et pression.
A partir de cet ensemble, le simulateur peut calculer toutes les autres grandeurs qui caractérisent un courant (le débit total, les fractions molaires des phases en équilibre, l’enthalpie totale (ou la température, les enthalpies des phases et tout un ensemble de propriétés physico-chimiques, et ceci grâce à un serveur de propriétés physico-chimiques.
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Courant d’énergie :
Correspond soit à un transfert thermique (puissance thermique) entre deux fluides au travers d’une parois d’échange (échangeur de chaleur), soit à un transfert de puissance mécanique ( turbine , compresseur).
Courant d’information :
Représente toute information, autre que celle de matière et d’énergie, qui transfert d’une unité à une autre (capteurs de température et pression) .
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Nous nous limiterons ici à une présentation des simulateurs basés sur une approche orientée module.
Ces simulateurs sont constitués de trois éléments essentiels :
• Serveurs des propriétés physico-chimiques.
• Serveurs des opérations unitaires
• Bibliothèque des solveurs ou solveurs numériques.
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2.1 Serveurs des propriétés physico-chimiques :
Au cours de tout système de modélisation et de simulation se trouve le serveur des propriétés physico- chimiques.
Ce serveur repose sur un principe fondamental de la thermodynamique appliquée selon lequel le comportement de multi-constituants peut être déduit de la connaissance de comportement des corps purs et des binaires.
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2.1.1 Les bases de données : Les bases des données les plus répondues sont :
Bases de données de corps purs:
Elles stockent les constantes physico- chimiques des espèces chimiques (masse molaire, coordonnées critiques, point normal d’ébullition…) et les paramètres de corrélations pour le calcul de leurs propriétés qui sont fonction de la température ( chaleur spécifique du gaz parfait, pression de vapeur saturante, viscosité….).
Les bases de données utilisées pour les corps purs sont:
- La base de données DIPPR (Design institut for physical property data)
- Base de données publiées par l’ouvrage Reid et Coll.
- DETHERM
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Bases de données des systèmes binaires DECHEMA :
- (Société Allemande pour le Génie Chimique et la Biotechnologie) relative aux équilibres entre phases.
Quelques documents de référence de cette base sont :
- Arlt et al. (ELL) 1979, 1987
- Wichterle et al. (ELV), 1973-1985
- Abildskov et al. (ELS), 2005
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2.1.2 Méthodes d’estimation :
Elles sont utilisées pour la prédiction des équations entre phases.
- Corps purs, la méthode utilisée est celle décrite dans l’ouvrage Reid 1987.
- Mélanges de plus de deux constituants, l’estimation des propriétés physico-chimiques, sera faite à partir des modèles thermodynamiques par la méthode de UNIFAC.
2.1.3 Modèles thermodynamiques : Sont des corrélations et des équations d'état d’un système à l'équilibre thermodynamique. Par exemple : équation des gaz parfait et les équations des gaz réels.
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2-2 Module ou serveur des OPU :
D’une manière générale, un module est un modèle phénoménologique ayant pour objectif de représenter le fonctionnement d’une opération unitaire telle que les procédés de séparation et les réacteurs.
Le modèle repose sur quelques lois fondamentales du génie des procédés :
- La conservation de la matière (bilan matière).
- Le premier principe de thermodynamique (bilan thermique).
- Le deuxième principe de la thermodynamique (les équations entre phase).
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2-3 Bibliothèque des solveurs ou solveurs numériques :
C’est la face cachée de simulateur (outil informatique), l’utilisateur doit être conscient que toute simulation consiste à résoudre un système non linéaire d’équations algébriques en régime permanant et en régime transitoire.