Introduction au logiciel de simulation ASPEN- document se veut une rapide introduction au logiciel ASPEN-Plus, qui sera utilis pour les travaux dirigs du cours de modlisation des procds

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  • Introduction au logiciel de simulationASPEN-Plus

    J. Schwartzentruber

    Septembre 2005

  • Ce document se veut une rapide introduction au logiciel ASPEN-Plus, qui serautilis pour les travaux dirigs du cours de modlisation des procds.

    Ce logiciel a initialement t dvelopp au MIT dans le cadre dune recherchemene sous lgide du Department Of Energy Amricain (entre 1975 et 1980). Leprogramme ASPEN (pour Advanced System for Process Engineering) qui en estrsult est du domaine public. Le projet a ensuite t repris par la socit ASPEN-Technology (qui regroupe nombre danciens chercheurs et enseignants du MIT),qui dveloppe et commercialise le logiciel ASPEN-Plus depuis 1981.

    Les principales caractristiques dASPEN Plus sont : grand ensemble doprations unitaires nombreux modles de calcul des proprits physiques systmes de rgression de donnes et de gnration de tables de proprits

    physiques mthodes de contributions de groupes permettant de suppler au manque de

    donnes exprimentales pour lestimation des proprits physiques caractrisation des fractions ptrolires systme intgr de traitement des lectrolytes capacit traiter les solides possibilit dinclure des modles de lutilisateur (de proprits physiques et

    doprations unitaires) squencement et convergence automatique des schmas de procd (AS-

    PEN est bti sur larchitecture squentielle-modulaire) possibilit de dfinir des spcifications de design possibilit doptimisation paramtrique choix entre plusieurs algorithmes de convergence pour les recyclages, les

    spcifications de design et loptimisation valuation des cots et de la rentabilit (ce qui inclut des calculs de dimen-

    sionnement des appareils) interface graphique assez simple demploiASPEN-Plus peut tre utilis pour modliser des procds de : chimie organique et minrale, de la grande synthse la chimie fine ptrochimie liqufaction du charbon gazification du charbon traitement des roches bitumineuses pulpes et papiers agro-alimentaire traitement des minraux biotechnologie

    1

  • 1 Les principales caractristiques dAspen

    1.1 Oprations unitaires et courants

    Aspen est construit autour dune architecture squentielle-modulaire. Une op-ration unitaire est reprsente par un sous-programme auquel on fournit les va-riables des dbits dentre et les paramtres de fonctionnement, et qui renvoie lesvariables des dbits de sortie.

    Un dbit est reprsent par un vecteur contenant : les dbits partiels de chaque constituant la pression, la temprature lenthalpie massique, la fraction de vapeur, celle de liquide lentropie mas-

    sique, et la densitIl est possible de dcomposer un dbit en sous-dbits, ayant chacun cette struc-

    ture gnrale. Les sous-dbits peuvent tre du type MIXED (mlange de liquide,vapeur et solide), CISOLID (solide conventionnel inerte vis vis des quilibresentre phases) ou NC (solide non- conventionnel, cest dire auquel on ne peut pasattribuer de formule chimique prcise. 1

    1.2 Le calcul des recyclages

    Dans une approche squentielle-modulaire, les recyclages sont convergs it-rativement : on dfinit un courant coup, et on tablit un processus de conver-gence sur les variables de ce courant coup, en calculant de faon itrative lesoprations de la boucle de recyclage.

    A partir dune description de la structure du procd (schma de connexiondes oprations unitaires) le logiciel dtermine automatiquement les boucles de re-cyclage, choisit les courants couper pour permettre la convergence, et dterminela squence de calcul des oprations unitaires.

    Il est nanmoins possible pour lutilisateur de choisir dautres courants coupsque ceux proposs par le logiciel, ce qui est trs utile lorsque lon sait en initialiserles valeurs.

    1.3 Le systme de proprits physiques

    Les proprits physiques (thermodynamiques et proprits de transport) sontncessaires au cours dune simulation pour le calcul des oprations unitaires (qui-libres liquide-vapeur et enthalpies), et pour le dimensionnement (viscosit, conduc-tivit thermique, ...)

    1Cest par exemple le cas du charbon, qui sera reprsent par diffrentes analyses : teneur enhumidit, carbone fixe,composs volatils, soufre, en cendres, ...

    2

  • Un systme de calcul de ces proprits physiques donne ces proprits commefonctions des variables dtat (temprature, pression, composition), partir demodles dorigine empirique ou molculaire, en utilisant des paramtres stocksdans des banques de donnes (coordonnes critiques, paramtres de corrlation(Antoine), ...). ASPEN fournit un grand nombre de "mthodes" de calculs pour cesproprits physiques, collections de routines de calcul des proprits physiquesqui sont directement utilises par les modles doprations unitaires.

    Le choix raisonn des modles et corrlations adaptes au calcul des propritsthermodynamiques et de transport pour un type de mlange donn est souvent undomaine de spcialiste.

    2 Un exemple de procd

    Pour introduire lutilisation du logiciel, nous traiterons un schma de procdsimple, la production de cyclohexane par hydrognation du benzne.

    Le cyclohexane est un important intermdiaire pour la fabrication de fibressynthtiques (nylon), qui peut tre produit par addition dhydrogne sur le ben-zne.

    Le schma de procd est reprsent en figure 1. Le benzne et lhydrognesont mlangs de lhydrogne et du cyclohexane recycls pour alimenter unracteur catalytique lit fixe.

    La raction a lieu en phase vapeur et scrit :

    C6H6 +3H2C6H12

    Le benzne introduit est converti 99.8%. La chaleur de raction pour cette rac-tion hautement exothermique est vacue par de leau ltat dbullition. Lef-fluent du racteur est ensuite refroidi et spar en deux phases liquide et vapeur.La phase liquide est introduite dans une colonne de distillation afin dliminer lesgaz lgers dissous et de stabiliser le produit. Une partie du liquide du sparateurest recycle au racteur pour aider le contrle de temprature.

    La vapeur sortant du sparateur, essentiellement forme dhydrogne est re-cycle vers le racteur. Une fraction de cette vapeur est purge, pour vacuer lesinertes qui tournent dans le procd.

    On cherche dvelopper un modle de simulation pour ce procd et dter-miner tous les produits, les dbits de matire intermdiaires et la performance dechaque unit du procd.

    Les conditions opratoires du procd sont dcrites ci-dessous.

    3

  • AlimentationsComposition (% molaire) benzne hydrognehydrogne 0.0 97.5azote 0.0 0.5mthane 0.0 2.0benzne 100.0 0.0

    Dbits molaires (kmol/h) 50 env. 150Temprature (K) 310 310Pression (atm) 1 23

    Pompe dalimentation centrifugepression de sortie=23 atm

    Prchauffeur temprature de sortie 422 Kperte de charge 1 atm

    Racteur 99.8% du benzne convertistemprature de sortie 475 Kperte de charge 1 atm.

    Refroidissement des produits temprature de sortie 320Kperte de charge 0.3 atm

    Sparateur haute pression pas de perte de chargetemprature = 322 K

    Purge 8% de la vapeur du sparateurCompresseur de recyclage alternatif

    pression de sortie = 23 atm

    recyclage du cyclohexane 30% du liquide du sparateurPompe de recyclage centrifuge

    pression de sortie= 23 atm

    Colonne de distillationNb dtages thoriques (y compris condenseuret rebouilleur)

    15

    Taux de reflux 1.2Position de lalimentation 8e tage ( partir du haut)Pression 13.5 atmTaux de rcupration du cyclohexane dans le r-sidu

    99.99%

    Condenseur partielEtat du distillat vapeur

    On simpose de plus une spcification de design : le rapport H2/C6H6 dansle racteur doit tre gal 3.3. On ajustera le dbit dalimentation en hydrogne

    4

  • FIG. 1 Hydrognation du benzne en cyclohexane : schma de procd

    -

    Alimentationen benzne

    Pompedalimentation

    6

    Alimentationen hydrogne

    ? - Prchauffage

    6

    '

    &

    $

    %

    REACTEUR

    eau derefroidissement

    -vapeur

    -Refroidissement

    produits -

    Flashhaute pression

    6-

    purgeRecyclage dhydrogne

    ?

    ?

    Compresseurde recyclage

    ?

    Pompe de recyclage

    6

    -

    Colonne dedistillation

    -

    ?

    -Lgers

    -

    -

    Produit(cyclohexane)

    pour respecter cette spcification.Pour simplifier la modlisation, il est possible de regrouper les oprations uni-

    taires en ensembles fonctionnels (cf figure 2). On obtient alors le diagramme deblocs de la figure 3. Il est clair que cette description du problme ne permettra pasdaccder individuellement la puissance requise par chaque compresseur, parexemple : en fait, on centre ici son intrt sur les transformations globales de lamatire. De la mme faon, on ne cherche qu crire un bilan nergtique globalsur le racteur (en particulier, de dterminer la quantit de chaleur vacuer), sansfaire le dimensionnement de lchangeur de chaleur qui devra tre utilis cettefin.

    3 Modlisation du procd avec Aspen

    3.1 Construction du schma de procd

    A partir du menu Demarrer de Windows, choisir : Programmes /Aspen Tech/Aspen Engineering Suite / Aspen Plus 11.1 / Aspen Plus User Interface (il est

    5

  • FIG. 2 Hydrognation du benzne : ensembles fonctionnels dans le schma deprocd

    -6? -

    6

    '

    &

    $

    %

    -

    - -

    6-

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    ?

    6

    -

    -

    ?

    -

    -

    -

    MELANGE DES REACTIFS

    REACTEUR SEPARATIONHAUTE PRESSION

    DIVISEUR VAPEUR

    DIVISEURLIQUIDE

    COLONNE

    FIG. 3 Hydrognation du benzne : diagramme de blocs

    -BZ-IN

    -H2-IN

    MEL-IN -ALREAC REACT -SREAC HP-SEP

    6VAP

    DIV-V -PURGERCYH2

    ?

    ?

    LIQ

    DIV-LRCYCH

    6

    -ALCOL

    COLONNE

    6LEGERS

    ?PROD

    6

  • FIG. 4 Les lments de la fentre Aspen

    aide contextuelle

    touche "NEXT"

    ligne dtat

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