Modélisation des grands systèmes chimiques Cours SYST004 Modélisation appliquée au Génie des Systèmes et Procédés NB : certaines illustrations de l introduction sont tirées de notes préparées par Ian Cameron, University of Queensland (ianc@cheque.uq.edu.au) Cours 1 Introduction au développement et à l utilisation de modèles 1
Engagement pédagogique Buts : se familiariser avec le concept de modélisation, la méthodologie, les outils et les applications En illustrer et expérimenter les possibilités et les limites Ce n est pas un cours de programmation Se base sur les cours décrivant les phénomènes et les opérations Débouche sur les applications de conception et optimisation de procédés Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 3 Engagement pédagogique (2) Notes de cours et ouvrages de référence Notes de cours (partielles) et transparents disponibles pour photocopie Notes de TP disponibles pour photocopie Evaluation Rapport sur les travaux pratiques Examen oral après préparation écrite Modalités d examens En une même demi journée (juin) : Question de théorie par écrit à livre fermé Préparation d'une question d'application à livre ouvert Défense orale et discussion sur les rapports de TP Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 4 2
Organisation Premier semestre : jeudi 10:30 partie théorique syllabus : une copie papier est disponible un fichier PDF est disponible sur l Intranet A partir semaine 7 : mercredi 14:00 et au début du second semestre : vendredi 14:00 travaux pratiques utilisation de logiciels commerciaux accès via réseau PC note TP : copie papier + PDF Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 5 Réseau PC Ouvrir un compte : Alain Brasseur Les logiciels sont protégés par une clé matérielle, donc ne peuvent fonctionner que dans le réseau Documents disponibles intranet : \\Cheng00\Etudiants\Public\SYST004 web : http://cheng00.chim.ulg.ac.be/users/gheyen/ Contact : G.Heyen@ulg.ac.be 04 366 3521 Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 6 3
Génie des Procédés assisté par ordinateur Computer Aided Process Engineering Computer Aided utilisation de modèles mathématiques Process Chimie, pétrochimie, (hydro)métallurgie, agroalimentaire, chimie fine et pharmacie, énergie transformation continue ou discontinue de la matière et de l énergie Engineering Conception, dimensionnement Exploitation optimale, bilans, supervision Augmentation de capacité, rénovation Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 7 Modèle de simulation : première approche Variables d état Entrées D, T, P, Xi Equations Simulation Variables d état Sorties D, T, P, Xi Paramètres Performances Equations de simulation Bilans de masse Bilans d énergie Equations de performance Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 8 4
Modèle de simulation d un appareil Ensemble d équations bilans de matières bilans d énergie Equations de performance permettant le calcul des sorties de l appareil connaissant : les entrées les spécifications les paramètres de performance Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 9 Exemple : échangeur de chaleur D,T,P,Xi D,T,P,Xi Variables d état Entrées D,T,P,Xi D,T,P,Xi Variables d état Sorties Paramètres de performance : disposition des tubes coefficient de tranfert résistance d encrassement Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 10 5
Modèle de simulation du procédé complet Modèles de simulation des divers appareils Equations de liaison entrée de l unité x = sortie de l unité y Spécifications globales Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 11 Exemple de procédé Préparation de gaz de synthèse ammoniac par reformage Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 12 6
Exemple de procédé - 2 Boucle de synthèse ammoniac Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 13 Analyse détaillée : le concept de modèle Qu est-ce qu un modèle? Un modèle (M) pour un système (S) et une expérimentation (E) est toute chose à laquelle E peut être appliqué afin de répondre à des questions au sujet de S (Minsky, 1965) Modèles en génie des procédés Une représentation mathématique (M) d un système physique (S) pour un but spécifique (B) et une expérience (E) Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 14 7
Processus de modélisation Problème réel 4 Interprétation 1 3 Problème mathématique 2 Solution mathématique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 15 Processus de modélisation Problème réel 4 Interprétation 1 3 Problème mathématique 2 Solution mathématique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 16 8
Processus de modélisation Problème réel 4 Interprétation 1 3 Problème mathématique 2 Solution mathématique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 17 Processus de modélisation Problème réel 4 Interprétation 1 3 Problème mathématique 2 Solution mathématique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 18 9
Processus de modélisation Problème réel 1 Problème mathématique 4 2 Interprétation 3 Solution mathématique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 19 Classification des modèles Mécanistique ou Empirique Stochastique ou Déterministe Paramètres globaux ou distribués Linéaire ou Non linéaire Continu ou Discret Dynamique ou Stationnaire Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 20 10
Forme des équations Déterministe Stochastique Paramètres globaux Paramètres distribués Linéaire Continu Discret EANL/EDO/EDP EANL /ED/Eq.Intégrales EANL/EDO Elliptique/Parabolique dérivées partielles EA linéaires /EDO EANL/EDO -/ED Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 21 Domaines d application des modèles Conception de procédés Suivi et contrôle de procédés Diagnostic de problèmes Sécurité des procédés Formation des opérateurs Impact environnemental Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 22 11
Pourquoi développer des modèles Faire la synthèse des informations disponibles transfert de connaissances partage de connaissances Etudier la sensibilité du procédé Planifier des modifications Conduire l unité au plus près de ses limites en optimisant son économie en garantissant la sécurité Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 23 Quelques exemples Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 24 12
Conception d une protection anti pompage pour un compresseur d hydrogène Caractéristiques du modèle : on considère les éléments du procédé et du système de contrôle dynamique non-linéaire complexe et possibilité de comportement discontinu. Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 25 Modèle de compresseur Série d éléments à une dimension bilans de masse, d énergie et de quantité de mouvement Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 26 13
Oscillations de pression et de débit Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 27 Mise en résonnance Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 28 14
Réacteur métallurgique semi-continu 1320 Bath Temperature (C) 1300 1280 1260 1240 1220 1200 1180 1160 1140 0 20 40 60 80 100 Time (minutes) Caractéristiques du modèle : modèle hybride (discret + continu) en vue d un contrôle optimal nombreuses phases en présence (jusqu à 9 phases apparaissant / disparaissant) modèle complexe de transfert radiatif bilan de population pour la dissolution des particules Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 29 Sécurité et anayse de risques (explosion de type BLEVE ) Caractéristiques du modèle : Décembre 2002 modèle empirique basé sur des essais et l effet d explosions réelles calcul de la taille de la boule de feu et de la durée vulnerabilité du site basée sur un modèle stochastique Modélisation des grands systèmes chimiques 30 15
Modèle d une explosion de gaz : impact de l onde de choc sur des constructions Source : http://www.cmr.no/english/gexcon/page1.html Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 31 Contrôle du séchage de sucre 0.025 0.02 Sugar flow (kg/s) 0.015 0.01 0.005 0 0 20 40 60 80 100 time (minute) Caractéristiques du modèle : modèle boîte grise basé sur le transfert de masse et de chaleur combiné au transport de particules modèle validé par des mesures en atelier pilote base pour un schéma de contrôle-commande basé sur modèle Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 32 16
Craquage d acide acétique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 33 Validation model for cracker 3 Including multistep condensation Simulation (Excel) Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 34 17
Formation au contrôle automatique Logiciel Control Station Simulation dynamique Implantation d un contrôleur automatique Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 35 Un brin de sagesse Tous les modèles sont faux.. Certains sont utiles! George Box Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 36 18
Pour discussion Quels modèles courants associe-t-on au transfert de chaleur? Conduction? Modèle de Fourier (1822) Convection? Modèle de Newton (1701) Radiation? Stefan-Boltzmann (1879) Quelles sont les caractéristiques principales de ces modèles? Comment peut-on les classer? Quelles sont les difficultés principales rencontrées lors de l élaboration de modèles? Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 37 Pour discussion (1) Système avec cuve ouverte Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 38 19
Pour discussion (2) Système à cuve fermée Décembre 2002 Modélisation des grands systèmes chimiques 39 20