Cours Simulateurs en génie des procédés 2022-2023

Cours Simulateurs En Génie Des Procédés Génie des Procédés de l’environnement 2022/2023
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Chapitre I : Introduction générale.
I.1. Introduction
La mondialisation de l'économie, les contraintes d'environnement et de sécurité, la
dynamique du marché exigent une très grande rigueur dans la conception et la conduite des
procédés. Dans ce contexte, on a de plus en plus souvent recours à l'informatique pour concevoir
rapidement et économiquement de nouveaux procédés plus rentables, plus propres, plus sûrs et plus
flexibles, en un mot « durables », mais également pour analyser et optimiser le fonctionnement des
installations existantes ou pour aider à la conduite de ces installations. Ce domaine d'activité,
désigné par le terme « d'ingénierie des procédés assistée par ordinateur », a connu un essor très
important dans de nombreux secteurs de l'industrie pétrolière, chimique et parachimique grâce aux
simulateurs de procédés qui constituent l'objet de ce cours.
Ce support de cours vise à en définir les objectifs, les éléments constitutifs, les concepts
fondateurs et à fournir aux étudiants les connaissances nécessaires au bon usage des simulateurs.
Nous traiterons ainsi des points suivants :
 Les données nécessaires à une simulation. Ces données permettent de définir le système
matériel (constituants, profil thermodynamique, réactions chimiques), la structure du
procédé et les paramètres de dimensionnement et de fonctionnement des appareils ;
 Les deux concepts fondateurs des simulateurs orientés module : module et courant ;
L’approche modulaire séquentielle : décomposition du procédé en réseau(s) cyclique(s)
maximum(s) ; pour chaque RCM, choix d'un ensemble de courants coupés (recyclages),
détermination d'une liste de calcul des modules et résolution séquentielle de ces modules par
une procédure itérative ;
 Les modèles et modules associés aux opérations unitaires de base : mélangeurs, diviseurs,
séparateurs simples, pompes, compresseurs et turbines, échangeurs de chaleur, réacteurs,
flashes, procédés de séparation diphasique (absorption, distillation, extraction liquide-
liquide...).
L’étudiant devrait ainsi être capable de résoudre via un quelconque simulateur orienté
module (OM) :
 Un problème de simulation pure, c'est-à-dire simuler le fonctionnement d'un procédé de
structure donnée et pour lequel les courants d'alimentation Xo (matières premières) et les
paramètres de dimensionnement et de fonctionnement P des modules sont spécifiés ;

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 Un problème de conception, c'est-à-dire utiliser les degrés de liberté du procédé pour
satisfaire des spécifications de design.
Il pourra alors mettre toutes ses compétences scientifiques et techniques au service de la
conception et de la conduite des procédés assistée par ordinateur.
I.2. La conception des procédés
Un problème de conception intervient lorsque certains degrés de liberté du procédé sont
saturés par des contraintes d'égalité appelées « spécifications » :
Ces spécifications concernent les performances du procédé, les quantités et puretés des
produits, les débits, températures, pressions imposés sur des courants, etc. Les variables intervenant
dans ces équations appartiennent ainsi soit aux courants Y °K sortant du procédé, soit aux courants X
K
et Y
K internes au procédé, soit aux variables internes
VK ou de sortie XK des nu modules du procédé.
I.3. Les simulateurs de procédés
Une simulation numérique peut représenter des phénomènes physiques complexes dont la
description repose sur un modèle mathématique comportant des équations aux dérivées partielles.
L'ordinateur résout alors ces équations numériquement en utilisant les différents méthodes
numériques tels que : la méthode des volumes finis, la méthode des éléments finis, la méthode du
Runge-Kutta, la méthode d'Euler, la méthode de Newton-Raphson, élimination de Gauss-
Jordan,…etc. C'est le cas, par exemple, pour la modélisation, appuyée sur la mécanique des fluides,
de l'écoulement de l'air ou de l'eau dans un échangeur de chaleur. Aujourd'hui, les logiciels de
simulation des procédés permettent aux industriels de dimensionner et d'optimiser leurs procédés.
I.3.1. Définition
Les simulateurs de procédés sont les outils de base des techniciens et des ingénieurs de
procédés, car ils permettent d'établir aisément et avec rigueur les bilans matière et énergie sur les
procédés. Un simulateur peut réagir à des modifications de paramètres et modifier ses résultats en
conséquence.
La simulation de procédés permet aux industriels d’une part d’améliorer l’efficacité et la
rentabilité d’un procédé existant et d’autre part de concevoir et de simuler une nouvelle unité de
production.

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I.3.2. Les objectifs
Les objectifs majeurs des simulateurs de procédés sont les suivants :
 Résoudre les équations de bilans matière et 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.
À ces objectifs, s’ajoutent :
 L’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement et, dans un contexte de
développement durable, de l’impact sur l’environnement et la sécurité ;
 L’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé ;
 Conception d’unités performantes et définition de leurs paramètres opératoires ;
 Augmentation des rendements des procédés de production.
I.3.3. Simulateurs orientés modules et orientés équations
L’aspect fondamental pour la simulation des procédés est l’identification des composants
élémentaires dont l’assemblage permet de construire le modèle du procédé. Au niveau conceptuel,
et comme conséquence directe au niveau numérique, deux approches s’opposent : l’approche dite «
orientée module » (OM) et l’approche dite « orientée équation » (OE).
 L’approche OM a été adoptée par la majorité des simulateurs commerciaux. Citons les plus
largement utilisés : Aspen PlusTM, ChemcadTM, Aspen HYSYSTM, Pro/IITM et
ProSimPlusTM.
Dans l’approche OM, l’élément de base pour construire le modèle du procédé est le
modèle d’opération unitaire appelé « module ». Cette approche correspond à la vision
classique et naturelle du procédé qui résulte de l’agencement d’opérations unitaires dédiées
à une fonction précise telle que réaction ou séparation. L’utilisateur sélectionne les modules
élémentaires standardisés à partir de la bibliothèque du simulateur, fournit leurs paramètres
de fonctionnement et de dimensionnement et les relie entre eux par des courants
représentant les flux de matière, d’énergie et d’information circulant entre les appareils du
procédé réel. Le procédé est alors vu comme un graphe orienté dont les nœuds sont les

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modules et les arcs les courants. La simulation est réalisée par appel séquentiel des modules
suivant une liste de calcul qui respecte le sens de circulation des fluides dans le procédé.
 À l’opposé, les simulateurs OE, tels qu’Aspen DynamicsTM ou gPROMSTM, sont
spécifiquement dédiés à la simulation dynamique des procédés. Ces simulateurs
apparaissent avant tout comme des solveurs de systèmes d’équations algébriques et
différentielles intégrés dans un environnement offrant un langage de modélisation avancé.
Ils sont d’ailleurs réputés plus efficaces sur le plan numérique, car basés sur une approche
globale au niveau de la résolution. Par contre, les bibliothèques de modèles de ces
simulateurs ne peuvent satisfaire totalement la diversité technologique ; à charge de
l’utilisateur de jouer le rôle de modélisateur en codant le modèle spécifique de son procédé.
Dans l’approche OE, l’élément de base de construction du modèle de procédé est l’équation
et la variable, soit une vision très numérique de la modélisation. Cette vision très fine et
numérique limite l’accès de ces simulateurs à un petit groupe d’experts et non à l’ingénieur
de procédé lambda.
Nous nous limiterons ici à une présentation des simulateurs basés sur une approche orientée
module et dédiés à la simulation des procédés en régime permanent. Ces simulateurs sont constitués
de trois éléments essentiels : au cœur du système la base de données et le serveur de propriétés
physico-chimiques sur lequel repose la bibliothèque de modèles d’opérations unitaires et enfin des
utilitaires numériques ou solveurs. S’ajoutent à cet ensemble des outils d’évaluation des coûts et de
dimensionnement des équipements (figure 1).
Figure 1 : Éléments constitutifs d’un simulateur de procédés.

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I.3.4. Approche modulaire simultanée, orientée équation et séquentielle
Il s'agit de méthodes de calcul pour des procédés constitués plusieurs opérations unitaires
(réacteurs, colonnes, mélangeurs, séparateurs variés, etc...) reliées entre elles.
Approche séquentielle modulaire : chaque opération unitaire est calculée à la suite, depuis l'entrée
du procédé jusqu'à la sortie, avec des stratégies particulières en cas de recyclage. Dans cette
approche, une opération unitaire = un programme.
Approche "equation oriented" : on pose simultanément les équations de toutes les opérations
unitaires, et on résout en bloc. Ici, une opération unitaire = un système d'équations.
Simultaneous modular : en gros, une technique de résolution hybride entre les deux précédentes.
I.3.5. Quelle est la différence?
La différence entre les deux approches est représentée schématiquement ci-dessous, avec
leurs avantages et inconvénients respectifs.
Approche séquentielle modulaire Approche orientée équation
I.3.5.1. Approche séquentielle modulaire : Les unités du procédé sont résolues en séquence, en
commençant par les flux d'alimentation.
a) Avantages :
 Facile à utiliser et rapide pour des calculs simples ;
 La défaillance est rare et des diagnostics clairs sont émis ;
 Les interfaces d’utilisateur et les méthodes de solutions spéciales peuvent être codées
manuellement pour chaque module.
b) Inconvénients :
 Les recycles peuvent être très lents à converger, ou ne convergent pas.