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conception assisté par ordinateur unité de process

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  1. 1. La conception d’un procédé chimique Introduction Page 1 La transformation de réactifs en produits s’effectue généralement en plusieurs étapes. Le procédé peut être divisé en plusieurs étapes intermédiaires de transforma- tion. On utilise alors différents équipements de production : réacteur, séparateur, échangeur de chaleur, pompe, mélangeur... L’interconnexion de ces étapes permettra d’obtenir le produit fini. La synthèse d’un procédé chimique se fait alors en deux étapes : 1- sélection les étapes de la transformation, 2- interconnexion de ces étapes pour former le procédé. Le schéma de procédé (flowsheet) représente graphiquement cette synthèse.
  2. 2. La conception d’un procédé chimique Introduction Page 2 Le schéma de procédé permet de construire un modèle mathématique. La résolution de ce modèle permet de prédire le comportement du procédé. La simulation du comportement du procédé servira à ajuster différents paramè- tres opératoires avant la construction. Le simulateur prédira : 1- les débits, compositions, températures et pressions des différentes lignes; 2- le comportement et les dimensions des unités de production; 3- la consommation énergétique du procédé... Ceci permet au concepteur d’évaluer la performance de son concept: 1- performance économique (critère important), 2- performance environnementale, 3- santé et sécurité, 4- facilité d’opération (démarrage et arrêt), 5- flexibilité d’opération...
  3. 3. La conception d’un procédé chimique Introduction Page 3 L’évaluation des performances conduit aux changements dans le procédé dans le but d’améliorer ses performances. Certains changements entraîneront la synthèse de structures alternatives. Nous parlons alors d’optimisation structurelle du procédé. L’optimisation des paramètres se fait sans changer la structure du procédé.
  4. 4. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 4 Le procédé suivant transforme des réactifs en un ou plusieurs produits. Le cœur de ce procédé est le réacteur où la réaction chimique aura lieu (transformation des réactifs). Généralement, la transformation est incomplète. On retrouve des réactifs avec les produits. On isole le ou les produits en les séparant des réactifs non réagis (étape de séparation). Les produits sont retirés du procédé et les réactifs non réagis sont recirculés à l’alimentation principale.
  5. 5. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 5 Plusieurs techniques de recirculation existent qui seront issues d’une structure différente du procédé. Il faut choisir celle qui correspond le mieux au réacteur étudié. Tous les échangeurs de chaleur sont alimentés par des sources extérieures au procédé. L’efficacité énergétique du procédé est faible. L’intégration thermique du procédé permet d’augmenter l’efficacité de ce dernier. Plusieurs alternatives seront développées et évaluées.
  6. 6. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 6 Les difficultés de la conception d’un procédé chimique se résument en deux questions: 1- suis-je capable d’identifier toutes les strutures possibles? 2- suis-je capable d’optimiser toutes ces strutures pour les comparer adéquatement?
  7. 7. La conception d’un procédé chimique Le modèle «oignon» Page 7 Le développement d’une structure de procédé se fait de la façon suivante : Étape 1. Réacteur Si le procédé requiert un réacteur, on commence la conception par celui-ci. On développe la structure voisine du réacteur : 1- réacteur, 2- lignes de procédé transportant les réactifs vers le réacteur. 3- lignes de procédé transportant les produits issus du réacteur. Si la réaction chimique est incomplète (ce qui est généralement le cas), il faut prévoir une étape de séparation des réactifs non réagis des produits.
  8. 8. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 8 Étape 2. Séparation et recirculation de matière La conception de la section de séparation suit la conception du réacteur puisque celui-ci dictera les grande lignes de l’étape de séparation. La stratégie de recirculation des réactifs non réagis sera également élaborée à cette étape.
  9. 9. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 9 Étape 3. Le réseau d’échangeurs de chaleur Lorsque les étapes 1 et 2 sont complétées, nous avons une bonne image de la consommation énergétique du procédé (chauffage, refroidissement, puis- sance…). L’intégration thermique du procédé a pour objectif de maximiser les échanges thermiques à l’intérieur du procédé.
  10. 10. La conception d’un procédé chimique Le procédé complet Page 10 Étape 4. Les services Lorsque l’intégration thermique (étape 3) n’est pas parfaite, il faut utiliser des sources d’énergie externes au procédé (vapeur, eau de refoirdissement, air…). Ces services à la production seront évaluée à cette étape. Cette façon de faire est appelée technique de l’oignon et est représentée par la figure suivante. Note : Pour les procédés ne nécessitant pas de réacteur (procédé de raffinage par exemple) nous commençons la conception à l’étape 2. Services Réseau d'échangeurs de chaleur Sépara tion + Recir culation Réacteur
  11. 11. La conception d’un procédé chimique La conception Page 11 Deux approches sont préconisées dans la conception de procédé chimique : 1. construction d’une structure irréductible, 2. création et optimisation d’une structure réductible. 1. Construction d’une structure irréductible Une approche qui suit la logique de la technique de l’oignon. Le concepteur prend des décisions à chaque étapes de la conception en fonction des informations disponibles à ce moment-là. Cette technique se base sur une suite de meilleures décisions locales. Les équipements sont ajoutés s’ils sont justifiés économiquement sur la base de l’information disponible à ce moment-là. On maintient la structure irréductible en n’incluant pas les équipements qui pourraient être redondants techniquement ou économiquement. Avantage : Le concepteur contrôle les décisions de base et interagit avec le développement de la structure.
  12. 12. La conception d’un procédé chimique La conception Page 12 Désavantages : Chaque étape nécessite la prise de décisions qui pourraient avoir un impact sur le procédé final. Il faut donc construire plusieurs scénarios optimisés pour déterminer le meilleur. Le nombre de scénios peut devenir assez important. L’évaluation de plusieurs scénarios ne garantit pas le meilleur design possible. Les interactions croisées entre les différents scénarios ne sont généralement pas prises en compte. L’effort fait pour maintenir la structure irréductible et simple peut éliminer des solutions où l’interaction entre des pièces d’équipement serait bénifique pour le procédé. Étape 1 Étape 2 Étape 3 Étape 4
  13. 13. La conception d’un procédé chimique La conception Page 13 2. Création et optimisation d’une structure réductible Dans cette approche, le concepteur construit une superstructure (ou hyperstruc- ture) dans laquelle on retrouve toutes les possibilités réalisables. Les différentes pièces d’équipement possibles s’y retrouvent ainsi que toutes les intercon- nexions envisageables. Des structures redondantes sont incluses dans le dia- gramme du procédé étudié. La figure suivante présente la super- structure du procédé de fabrication du benzène. Toutes les possibilités techni- ques sont incluses dans le diagramme.
  14. 14. La conception d’un procédé chimique La conception Page 14 Le procédé est converti en modèle mathématique qui comporte des équations et des variables de design. Les variables de design représentent les débits, composition, dimensions... et les coûts et profits associés aux pièces d’équipe- ment. L’utilisation d’un algorithme d’optimisation permet de maximiser le profit tout en minimisant les coûts. La réduction du schéma précédent
  15. 15. La conception d’un procédé chimique La conception Page 15 Difficultés: La technique ne fonctionne pas si le concept optimum n’est pas inclus dans la structure développée. La connaissance économique des unités de production est essentielle pour obtenir une solution fiable. Désavantages: L’ingénieur ne participe pas à la décision. Dans ce cas, les considérations de sécurité, d’environnement ... doivent être intégrées dans le modèle mathémati- que. Avantages: On considère plusieurs concepts simultanément.
  16. 16. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 16 La recirculation est un élément important dans l’élaboration d’un procédé. 1. La conversion du réacteur Il est très rare qu’une réaction chimique soit complète. Généralement, les conversions sont de l’ordre de 90 à 95%. La ligne de procédé sortant du réacteur contiendra des produits et des réactifs non réagis. Les produits doivent être séparés. Les réactifs sont retournés à l’alimentation du réacteur par une recirculation. On préfère recirculer les réactifs non réagis car ils ont une valeur économique et leur renvoi dans l’environnement n’est pas acceptable.
  17. 17. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 17
  18. 18. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 18 2. La formation de sous-produit Il arrive que nous ayons une réaction secondaire menant à la formation d’un ou plusieurs sous-produits. Dans ce cas, nous devons ajouter une étape de séparation supplémentaire.
  19. 19. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 19 Pour diminuer les investissements reliés à l’installation d’une deuxième étape de séparation, nous pouvons purger une partie des sous-produits et des réactifs non réagis. Les réactifs et les sous-produits doivent avoir une volatilité (séparation-distilla- tion) voisine.
  20. 20. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 20 La recirculation fait augmenter la concentration en sous-produits dans l’alimen- tation du réacteur. Le débit plus important augmente les dimensions de celui-ci. De plus, une trop grande quantité de sous-produits pourrait nuire à la réaction chimique en détériorant l’efficacité du catalyseur, par exemple. La purge entraîne la perte de réactifs non réagis. Il sera peut-être nécessaire de prévoir un traitement de ces réactifs et sous-produits avant d’en disposer. 3. L’utilisation des sous-produits pour accroître la sélectivité Lorsque nous sommes en présence de plusieurs réactions chimiques, il arrive que le sous-produit soit formé par une réaction réversible. Nous pouvons utiliser les deux derniers schémas. réactifs produits réactifs sous-produits
  21. 21. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 21 Puisque la réaction est réversible, nous pouvons recirculer le sous-produit pour inhiber la formation du sous-produit. Dans le schéma suivant, la réaction de formation est complètement inhibée et donc stoppée.
  22. 22. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 22 Dans le procédé suivant, la formation de sous-produit est réduite et il est retiré du procédé pour maintenir l’équilibre (concentration optimum).
  23. 23. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 23 4. Recirculation de contaminants Il est possible que l’alimentation d’un réacteur contienne des contaminants qui pourraient empoisonner le catalyseur ou corroder les conduites, par exemple. Il faut éliminer ces contaminants en utilisant une étape de séparation supplé- mentaire.
  24. 24. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 24 5. Impureté dans l’alimentation Les impuretés peuvent être éliminées avant ou après le réacteur. On les élimine avant lorsqu’elles peuvent empoisonner le catalyseur.
  25. 25. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 25 Lorsque les impuretés n’ont pas d’effet sur le réacteur, on peut utiliser les configurations suivantes.
  26. 26. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 26
  27. 27. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 27 On peut éliminer une étape de séparation en plaçant une purge. Il faut cepen- dant perdre des réactifs non réagis. Il faut ajuster le pourcentage de purge pour maintenir le plus de réactif non réagis dans le procédé. Il faut faire attention à la quantité d’impuretés qui recirculera dans le procédé. Plus le débit de recirculation est grand, plus la dimension du réacteur sera grande.
  28. 28. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 28 6. Solvant et diluant On peut abaisser la pression partielle des réactifs dans la phase vapeur en introduisant de la vapeur dans l’alimentation. Ce diluant ou solvant peut être recirculé selon le schéma suivant.
  29. 29. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 29 7. Charge thermique On peut introduire un composé inerte qui pourra augmenter la capacité thermi- que des réactifs dans le réacteur. Ceci permettra, dans le cas de réactions exothermiques de diminuer l’élévation de température et, dans le cas endother- mique, de diminuer la chute de température.
  30. 30. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 30 Au lieu d’utiliser un nouveau composé, on peut recirculer un composé existant dans le procédé comme le produit de la réaction. Ceci simplifie le schéma de procédé.
  31. 31. La conception d’un procédé chimique La recirculation Page 31 8. Conclusion Il existe plusieurs façons de recirculer les réactifs dans un procédé. Il faut cependant faire attention à l’étape de séparation. Il faut éviter d’avoir à séparer deux composés ayant une volatilité voisine. Le choix du type de recirculation en dépendra. De plus, il faut éviter les séparations et les mélanges inutiles. Dans tous les cas de recirculation, il faudra augmenter la pression de la ligne à recirculer. L’investissement et les coûts pour augmenter la pression d’un liquide (pompe) sont moins importants que pour augmenter la pression d’un gaz (compresseur). On recommande de recirculer le plus possible en phase liquide.

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