Simulation rigoureuse de colonnes - SCDS

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1 Simulation rigoureuse de colonnes - SCDS Présentation du problème & principe de solution : Une simulation rigoureuse de colonnes permet de représenter de manière réaliste une rectification. Des mélanges idéaux ou réels peuvent être simulés. Le bilan plateau par plateau permet un calcul détaillé de la colonne de rectification, fournissant des résultats précis. Deux types de colonnes rigoureuses sont disponibles dans CHEMCAD : TOWR et SCDS. La colonne SCDS est présentée dans la suite. Dans ce tutoriel, un mélange ternaire de benzol, acétone et cyclohexane est analysé. Ce mélange doit être séparé par une rectification, en récupérant du benzol pur à environ 99 mol%. En outre, au moins 99 mol% du benzol contenu dans l'alimentation doivent être récupérés. La colonne est alimentée avec un mélange de 64 mol% d'acétone, 18 mol% de benzol et de cyclohexane. La simulation est réalisée avec une colonne SCDS sur CHEMCAD. Figure 1: Flowsheet colonne SCDS Page 1 sur 16

2 Réalisation de la simulation SCDS dans CHEMCAD : Cette simulation est réalisée avec CHEMCAD Steady State. Avant la simulation, les composants et le modèle thermodynamique doivent être sélectionnés. Sous «Thermophysical Select Components», on sélectionne les composants benzol (n CAS : ), acétone (n CAS : ) et cyclohexane (n CAS : ). Le «Thermodynamics Wizard» qui s'ouvre ensuite propose un modèle approprié en fonction de la spécification de pression et de température. CHEMCAD recommande pour l'exemple choisi le modèle de valeur k (k-value Model) NRTL. Pour le modèle de l'enthalpie (Enthalpy Model), le modèle LATE (Latent Heat) est proposé. Cette sélection est une décision préliminaire du logiciel et devrait toujours être vérifiée par l'utilisateur ou comparée avec un arbre de décision ([3], figure 8/9]). Après la fermeture du «Thermodynamics Wizard», la fenêtre «NRTL Parameter» s'ouvre (Figure 2). Ici sont affichés les paramètres d'interaction (BIPs: Binary Interaction Parameter) pour chaque mélange binaire possible des composants sélectionnés précédemment. Pour l'exemple choisi, ce sont les mélanges binaires benzol/cyclohexane et acétone/cyclohexane qui sont affichés. Aucune donnée pour le mélange acétone/benzol n'est disponible. Les données NRTL manquantes doivent être renseignées, faute de quoi il est supposé que le coefficient d'activité est égal à un et un calcul idéal du couple de substances concerné est effectué [6, chapitre VLE]. Les valeurs manquantes peuvent être calculées par UNIFAC et renseignées. Trois options différentes se proposent à cet effet : «UNIFAC VLE», «UNIFAC LLE» et «modified UNIFAC». Figure 2: Fenêtre NRTL «Parameter Set» Pour l'exemple choisi, les données manquantes ont été calculées par «UNIFAC VLE» et renseignées. En cas d'une lacune de mélange, l'option «UNIFAC LLE» doit être choisie. L'option «modified UNIFAC» devrait être choisie pour des pressions et températures élevées. Page 2 sur 16

3 Avant chaque simulation, le comportement du mélange doit être analysé de près afin de mettre à jour des limites éventuelles de la rectification (par ex. azéotropes, limites de distillation, lacunes de mélange). Pour identifier des lacunes de mélange, le diagramme d'équilibre pour chaque mélange binaire doit tout d abord être analysé sous «Plot: TPXY». On constate alors l'absence de lacune de mélange. La structure moléculaire permet également une appréciation générale de la miscibilité. En cas de présence d'une lacune de mélange, l'équilibre vapeurliquide-liquide doit être sélectionné dans Global Phase Option (Thermodynamic Settings, option : Vapor/Liquid/Liquid/Solid). La courbe de résidu est générée sous «Plot: Residue Curves» (Figure 3). Figure 3: Courbe de résidu du mélange ternaire benzol, acétone et cyclohexane La courbe de résidu renseigne des azéotropes existants et des points d'ébullition de ceux-ci et des composants purs. La Figure 3 fait apparaître deux azéotropes et ainsi la possibilité de limites de distillation. Dans l'exemple choisi, entre les azéotropes binaires se trouve une limite de distillation qui ne peut être dépassée lors d'une rectification. Il se constitue en conséquence deux domaines de distillation, permettant de récolter des produits de fond différents en fonction de la composition de l'alimentation. L'alimentation imposée (point rouge) se trouve dans la zone de distillation à droite. Dans cette zone le produit à bas point d'ébullition est l'azéotrope de cyclohexane et acétone avec une température d'ébullition de 53,85 C. L'azéotrope est attendu en tant que produit de tête. Le produit à haut point d'ébullition est le benzol (température d'ébullition de 80,09 C) et il est soutiré comme produit de fond. Page 3 sur 16

4 La courbe de résidu permet d'estimer au préalable les produits de tête et de fond possible et de choisir des paramètres de rectifications judicieux à cet effet. Tableau 1: Données pertinentes pour la simulation Unités Composants Thermodynamique Flux d'alimentation SI Benzol Acétone Cyclohexane K : NRTL, H : LATE Unit Operations 1 colonne SCDS 1 flux d'alimentation 2 flux de produit On insère l'unitop (Unit Operation) pour la colonne SCDS dans le flowsheet et on le pourvoit d un flux d'alimentation et de deux flux de produit. Le flux d'alimentation est réglé en ébullition liquide avec les données indiquées dans le tableau 1 (Figure 4). Figure 4: Fenêtre de réglage Flux Page 4 sur 16

5 Par la suite, la colonne de rectification est initialisée. En plus du nombre de plateaux et du plateau d'entrée, les paramètres de rectification sont nécessaires. Au départ, le nombre de plateaux et le plateau d'entrée sont généralement inconnus et doivent être estimés ici. Ils peuvent ensuite être optimisés à l'aide d'une Sensitivity Study. Dans cet exemple, on prescrit un nombre de plateaux de 30 et le plateau d'entrée doit se trouver au milieu, N=14 (Figure 5)). Dans CHEMCAD, le condenseur et l'évaporateur comptent comme chacun comme un plateau. On décompte les plateaux de la tête jusqu'au fond. Figure 5: Fenêtre de réglage colonne SCDS La courbe de résidu a déjà permis de constater les produits de tête ou de fond attendus. Pour vérifier cette hypothèse, il est recommandé de simuler la colonne d'abord avec un reflux infini et d'évaluer le comportement de la colonne de rectification. Parmi les spécifications, on estime en tant que critère de tête un taux de reflux de En tant que critère de fond, on choisit le débit massique. En conséquence du taux de reflux infini, kg/h seront évacués par le fond. L exigence du taux de reflux de la tête et d'un débit massique sortant du fond est basée sur les conditions par défaut pour analyser le comportement d'une colonne. La Figure 6 résume les réglages. Page 5 sur 16

6 Figure 6: Réglages de la colonne de rectification pour un reflux infini La colonne SCDS devrait converger pour les réglages choisis. L'option «Format: Add Stream Box» permet d'afficher un tableau de valeurs avec les propriétés des flux (Figure 7). Figure 7: Tableau de valeurs des flux pour un taux de reflux infini On reconnaît que l'azéotrope se forme comme attendu à la tête (distillats). La fraction de benzol à la tête est faible et est considérée comme nulle. Comme aucun produit n'est retiré sur la tête, la composition du fond (Bottom) est la même que celle de l'alimentation. Les résultats attendus, qui ressortaient déjà de la courbe de résidu, sont ainsi confirmés. Page 6 sur 16

7 Dans l'étape suivante, on réalise la simulation avec les paramètres de rectification souhaités. L'objectif est d'obtenir du benzol pratiquement pur à 99 mol% et cela avec un taux de récupération de 99 %. Figure 8: Réglage de la colonne de rectification pour les critères souhaités Pour le critère de fond, la fraction molaire exigée de benzol (bottom component mole fraction) est saisie. 99 % du benzol doivent être récupérés. Pour la tête, on impose un taux de récupération (distillate component fraction recovery) de benzol de 1 % (Figure 8). La simulation est relancée et les résultats sont affichés dans la Streambox et l'unitopbox (Figure 9). On voit que le degré de pureté souhaité dans le fond est atteint et que plus de 99 % du benzol de départ sont soutirés. Le mélange azéotrope est soutiré à la tête. Avec les paramètres de rectification prescrits, on calcule un taux de reflux de 3,26 et une puissance d'évaporation de 1595,77 MJ/h. Page 7 sur 16

8 Figure 9: Propriétés des flux et de la colonne après la simulation Le nombre de plateaux et le plateau d'entrée ont été estimés au départ. Une Sensitivity Study permet maintenant de déterminer le nombre optimal de plateaux et le plateau d'entrée optimal. Pour déterminer le nombre optimal de plateaux, la puissance d'évaporation est tracée en fonction du nombre de plateaux et on cherche le minimum. On fait varier le nombre de plateaux de 5 à 50 et on calcule la puissance d'évaporation pour chaque niveau (Figure 10). Page 8 sur 16

9 Figure 10: Réglages de la Sensitivity Study pour le nombre optimal de plateaux Après la réalisation de la Sensitivity Study, les données peuvent être affichées sous forme de diagramme. La Figure 11 trace la puissance d'évaporation sur le nombre de plateaux. Des problèmes de convergence se manifestent entre les niveaux 5 et 16. À partir du niveau 24, la puissance d'évaporation tend vers un minimum constant. Figure 11: Impact du nombre de plateaux sur la puissance d'évaporation (Sensitivity Study 1) Page 9 sur 16

10 On change dans les propriétés de colonne le nombre de plateaux à 24 et on relance la simulation. Ensuite, on détermine le plateau d'entrée optimal. Pour cela, on réalise une deuxième Sensitivity Study. On varie le plateau d'entrée sur la hauteur de la colonne et analyse alors l'impact sur le taux de reflux. On choisit comme variable le plateau d'entrée, qui variera entre les niveaux 4 et 20. La variable dépendante sera le taux de reflux, qui sera calculé pour chaque niveau. La Figure 12 illustre les résultats. Figure 12 : Influence de la position de l'alimentation sur le taux de reflux On observe un minimum du taux de reflux autour du niveau 10. Plus le taux de reflux est faible, plus faible sera alors aussi la consommation d'énergie de la colonne. Pour cette raison, on choisit l'alimentation au niveau 10. Les réglages de la colonne sont à nouveau modifiés et la simulation relancée; Il est judicieux de vérifier l'influence de la position de l'alimentation sur la position d'équilibre dans la colonne. L'évolution de la température sur les niveaux peut être visualisée par «Plot: UnitOp Plots: Column Profils» (Figure 13). Page 10 sur 16

11 Figure 13 : Évolution de le température dans la colonne On observe au niveau du 10 e plateau que la position du plateau d'alimentation et la composition de l'alimentation ont une faible influence sur le profil de température dans la colonne. La position de l'alimentation peut ainsi être considérée comme optimale. Page 11 sur 16

12 Le Tableau 2 résume la démarche pour l'initialisation d'une colonne de rectification rigoureuse (colonne SCDS). Tableau 2: Résumé de la simulation d'une colonne SCDS Étapes -Choisir les composants & le modèle thermodynamique [Thermophysical [Select Components] & [Themodynamics Wizard] -Tracer la courbe de résidu [Plot] [Residue Curve] -Créer le flowsheet -Hypothèse : Nombre de niveaux et plateau d'alimentation -Régler un taux de reflux infini et un soutirage complet par le fond Utilité/ Informations -Réglage des bases de calcul -Le choix du modèle thermodynamique a une grande influence sur le calcul -Identification d'éventuels azéotropes et limites de distillation -Détermination des produits de tête et de fond attendus -Analyse du comportement de la colonne -Détermination de la concentration de tête attendue - Régler les paramètres de rectification - Si le paramètre de rectification est un azéotrope, par exemple, une approche successive est judicieuse - L'option Reload Column Profile peut être utilisée sous Convergence dans la fenêtre de réglage de la colonne pour faciliter l'approche successive -Optimiser le nombre de plateaux à l'aide d'une Sensitivity Study [Run] [Sensitivity] -Déterminer le plateau d'alimentation à l'aide d'une Sensitivity Study [Run] [Sensitivity] - Optimiser le nombre de niveaux en déterminant le lien entre la puissance d'évaporation et le nombre de niveaux - Le nombre économiquement optimal de niveaux correspond à la puissance d'évaporation minimale - Déterminer la position du plateau d'alimentation en définissant le lien entre le taux de reflux et le plateau d'alimentation - Le plateau d'alimentation économiquement optimal correspond au taux de reflux minimal Page 12 sur 16

13 Appréciation La représentation des propriétés des flux et de la colonne s'effectue sous «Format: Add Stream Box und Add UnitOp Box» (Figure 14). Figure 14 : Résultats après une simulation de la colonne rigoureuse On observe que l'azéotrope est séparé du cyclohexane et de l acétone dans la tête de la colonne. Du benzol n'est soutiré qu'en faibles quantités. Du benzol pratiquement pur est retiré du fond. Les résultats indiquent que la puissance d'évaporation a pu être réduite à 1355,03 MJ/h. Le taux de reflux a également été réduit à 2,58. Page 13 sur 16

14 Principes du procédé Ce tutoriel traite la simulation de la colonne rigoureuse SCDS dans CHEMCAD. Aucune simplification n'est appliquée pour le calcul de colonnes rigoureuses, comme c'est le cas pour la méthode Shortcut. Un bilan séparé est établi pour chaque plateau de la colonne, ce qui mène à un système d'équations très complexe qui doit être résolu à l'aide d'algorithmes numériques. La simulation rigoureuse d'une colonne est plus coûteuse en termes de calcul, comparée à la méthode Shortcut, mais produit des résultats bien plus précis et plus proche de la réalité. La colonne Shortcut permet de représenter des mélanges idéaux rapidement et de manière approximative. Il subsiste néanmoins le problème qu'elle n'est pas applicable aux mélanges non idéaux, car elle ne reflète plus la réalité physique en raison des fortes simplifications. C'est pour cette raison qu'on utilise la simulation rigoureuse pour des mélanges non idéaux. La colonne SCDS est une des colonnes rigoureuses disponibles dans CHEMCAD. SCDS est l'abréviation pour «Simultaneous Correction Distillation System». Il s'agit d'un modèle de colonne très polyvalent, approprié pour tous les procédés de rectification. Le calcul de la colonne rigoureuse SCDS suppose pour chaque plateau de colonne un état stationnaire entre une phase liquide-vapeur ou liquide-liquide. Les hypothèses suivantes sont supposées : 1) Chaque plateau de colonne est défini comme volume de bilan, dans lequel s'établit l'équilibre de phases. 2) Aucune réaction chimique n'a lieu. 3) L'absorption de gouttelettes de liquide dans la phase gazeuse et de bulles de gaz dans la phase liquide n est pas prise en compte. La Figure 15 illustre le volume de bilan d'un plateau. avec : Flux vapeur : Flux liquide Plateau j Alimenta tion Figure 15 : Volume de bilan simplifié d'un plateau dans la colonne Page 14 sur 16

15 Les équations de bilan requises et pertinentes pour la conception sont regroupées selon la méthode MESH pour ce volume de bilan. MESH signifie Material balance (bilan de masses), Equilibrium (équilibre), Summation condition (conditions d'addition) and Heat balance (bilan thermique). On obtient ainsi pour chaque plateau de la colonne un système complexe d'équations. Le calcul mathématique est très coûteux et nécessite des algorithmes de convergence pour aboutir à une solution. La littérature propose un grand nombre d approches itératives pour intégrer ces systèmes d'équations algébriques non linéaires. Parmi les algorithmes généraux, sans limitations et applicables dans tous les cas, se trouvent les méthodes Simultaneous Correction et Inside- Out. Ils peuvent être utilisés pour tous les types de colonnes et compositions d'alimentation. Les deux algorithmes sont utilisés dans CHEMCAD. La Simultaneous Correction Methode (SC) intègre toutes les équations MESH et leurs combinaisons simultanément à l'aide du procédé itératif de Newton-Raphson. D'autres possibilités d'applications de la SCDS sont : Simulation de colonnes avec garnissage Simulation de colonnes avec des plateaux spéciaux Processus d'adsorption ou d'absorption Page 15 sur 16

16 La simulation présente à été réalisée avec CHEMCAD Vous êtes intéressé par d'autres tutoriels, séminaires ou d'autres solutions avec CHEMCAD? Visitez alors notre site Web. Ou contactez-nous : Courriel : support@chemstations.eu Tél. : +49 (0) Auteurs : Lisa Weise Références : [1] Kister, Henry Z.: Distillation design. McGraw-Hill, 1992 [2] Gmehling, Jürgen: Kolbe, Bärbel: Kleiber, Micheal : Rarey, Jürgen : Chemical Thermodynamics for Process Simulation. Wiley-VCH Verlag, 2012 [3] Edwards, John : Process Modeling Selection of Thermodynamic Methods [4] Schmidt, Wolfgang : USER NRTL BIPS, 2011 [5] Sattler, Klaus: Thermische Trennverfahren : Grundlagen, Auslegung, Apparate. Wiley-VCH Verlag, S [6] Aide CHEMCAD [7] Seader; Siirola; Barnicki : Perry's Chemical Engineers' Handbook, Section 13 Distillation, 7th edition. McGraw-Hill, New York, (1997) [8] Kontogeorgis, Folas : Thermodynamic Models for Industrial Apllications, Wiley-VCH Verlag, 2010 Page 16 sur 16