Optimisation Procedes S2 2019-2020 PDF [PDF]

Zitiervorschau

Université de Setif1 Faculté de technologie Dep. GP

Support de cours / TP Module : OPTIMISATION DES PROCEDES (Sous Chemcad) Chargé de cours / TP : Mr. F. CHOUAG

M1. Génie Environnement S2- 2019-2020

1

Objectifs de l’enseignement : A travers ce module l’étudiant apprendra {concevoir, dimensionner et simuler certains procédés industriels en relation avec le génie chimique / Environnement en utilisant un code de calcul sous forme de simulateur. Connaissances préalables recommandées : Une connaissance des notions de base en phénomènes de transfert, de thermodynamique et de programmation.

Table des matières Cours / TP 1 : Introduction à CHEMCAD ......................................................................................................... 4 Cours / TP 2 : SIMULATION D’UN PROCEDE De Production de Toluène .................................................. 9 Cours / TP 3 : Bilan Massique (bilan Matière) Bilan énergétique (bilan de chaleur) .................................... 14 Cours / TP4: Dimensionnement d’une colonne de distillation ......................................................................... 21 Cours /TP5 : Test sur le dimensionnement d’une colonne de distillation ....................................................... 32 Cours / TP 6- SIMULATION D’UN PROCEDE De Production d’éthanol (C 2H6O) à 75 % pureté ............ 36

2

Cours /TP #1 : Introduction à CHEMCAD

3

Cours / TP 1 : Introduction à CHEMCAD 1- Interface Utilisateur :

Barre de Menu

Barre d’outils

Palette des Opérations Unitaires

Flow Sheet Feuille de travail

2- Les étapes de bases de la Simulation sous Chemcad : Les dix étapes de base suivantes servent à faire exécuter un procédé dans une feuille de travail réalisée sous le simulateur de procédé Chemcad. 1-Commencer une nouvelle tâche. / 2-Sélection du système d’unité. 3-Création du procédé / équipement / 4-Sélection des constituants. 5-Sélection des options thermodynamique./ 6-Définir le courant d’alimentation. 7-Entrer les paramètres des équipements. / 8-Exécution de la simulation. 9-Etude des résultats de la simulation. / 10-Impression des résultats 3-Simulation d’un echangeur de chaleur tubulaire (Heat Exchanger): Ce TP démontre la simulation d'un échangeur de chaleur à l'aide d'un exemple. De l'eau de process (130 °C, 2,7 bar, 50 m³/h) ( tube 1) doit réchauffer de l'eau (1,5 bar, 20 m³/h) de 10°C à 90°C au moins ( tube 2 ). Le but est de calculer la température de sortie de l’eau dans le tube 1 Hot H2O IN 130°c / 2.7 bar / 50 kg/h

Tube 1 Tube 2 Cold H2O / Out 90°c

Cold H2O IN 10°c / 1.5 bar / 20 kg/h Hot H2O Out ??? °c

3-1-Commencer une nouvelle tâche. :

Cliquer sur FILE \ NEW JOB ou sur le bouton de la barre d’outil. La boite de dialogue suivante s’ouvre : Enregistrer votre simulation dans le fichier d:\votre_groupe\tp1.ccx Dossier de travail de votre groupe Nom du fichier TP1.CCX

4

3-2-Sélection du système d’unité. Cliquer sur FORMAT\ENGINEERING UNITS, la boite suivante s’ouvre : choisissez Alt SI comme système d’unité internationale

ALT SI = Système international N 3-3-Création du procédé / équipement

a c

d

e

b f

-(a) et (b) Cliquer sur l’icône (Feed #1) flèche rouge situé dans la palette (ligne 4, colonne 7), ensuite mettez-le à gauche de l’échangeur. -(c ) Cliquer avec le bouton droit sur l’icône (Heat Exchanger #5) situé dans la palette (ligne 5, col 4), ensuite mettez le curseur au milieu de la fenêtre de travail et cliquer. -(d ) et (e ) Cliquer sur l’icône (Product #1) flèche violet situe dans la palette (ligne 6, colonne 7), ensuite mettez-le à droite/haut de l’échangeur. -(f ) Relier les différentes objets par les connecteurs en cliquant sur l’icone (Stream ) situé dans la palette (Ligne 2, colonne 2). 3-4-Sélection des constituants. Cliquer d’abord sur RUN SIMULATION , ou sur le bouton

, ensuite cliquer sur

THERMOPHYSICAL\COMPONENT LIST , ou sur le bouton

, la boite suivante s’ouvre :

c b a

5 d

abcd-

Taper le nom du produit (H2O) dans la zone de recherche. Double-clic sur le produit qui apparait dans la liste juste au-dessus. Assurer que le produit sélectionner apparait dans la zone (Selected components ) Cliquer sur ok pour terminer.

3-5-Sélection des options thermodynamique. Les options thermodynamiques (modèles thermodynamiques) sont :K-value et Enthalpie 5-1. K-Value : Cliquer sur THERMOPHYSICAL\K-Values, ou sur le bouton suivante s’ouvre :

, la boite

a

b

a- Sélectionner le modèle UNIFAC, puis (b) valider en cliquant sur OK. 5-2. Enthalpie : Cliquer sur THERMOPHYSICAL\ENTHALPY, ou sur le bouton suivante s’ouvre :

la boite

a

b

a- Sélectionner le modèle LATENT HEAT, puis (b) valider en cliquant sur OK. 3-6-Définir le courant d’alimentation (FEED) Cliquer sur le bouton

de la barre dans la barre d’outils, la boite suivante s’ouvre : saisissez les

paramètres comme indiquer dans la figure.

6

3-7-Entrer les paramètres des équipements. Ici on a un seul équipement c’est l‘échangeur der chaleur : Double clic sur ce composant dans la fenêtre de travail la boite suivante s’ouvre

a

b

a- Mentionner la température voulue ( 90 °C), puis (b) cliquer sur OK. 3-8-Exécution de la simulation : Pour exécuter cette simulation il suffit de cliquer sur RUN\RUN ALL ou sur le Bouton 3-9-Etude des résultats de la simulation. Pour afficher les résultats : Les quantités des composants produites RESULT\STREAM COMPOSITION\ALL STREAM, ou sur le bouton

Température calculée



7

Cours / TP #2 : SIMULATION D’UN PROCEDE De Production de Toluène

8

Cours / TP 2 : SIMULATION D’UN PROCEDE De Production de Toluène

1- Description du procédé La réaction est celle de la déshydrogénation d’un n-heptane (C7H16) avec le catalyseur oxyde de chrome (III) Cr2O3. On commence d’abord par chauffer 10 kg de réactif entrant à partir de la température de 18° C jusqu’à 426° C dans un échangeur de chaleur. Il est ensuite introduit dans un réacteur stœchiométrique iso-thermique qui convertit 50 % de n-heptane en Toluène (C7H8). A la sortie du réacteur on refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur jusqu’à la température de 18° C puis on introduit le mélange dans une colonne Flash. En supposant que toute l’installation opère à la pression atmosphérique (1.01 Bar), donner les flux sortant de la colonne flash. (Courant 5 et courant 6) voir figure ci-dessous.

Equipement 1 Heat exchanger #1 ligne 5- colonne 4 Courant1 : Alimentation (FEED) n-HeptaneC7H16

Courant 2 Equipement 2 Stoichiometric reactor #1 ligne 8- colonne 3 Courant 3 Equipement 3 Heat exchanger #1 ligne 5- colonne 4 Courant 4 Equipement 4

Courant 5 Hydrogène H2

Flash #1 ligne 5- colonne 2 Courant 6 Toluène C7H16

9

2- Les conditions d’opération : a- Courant d’alimentation (courant 1 : FEED) : Température (°C) = 18.0 ; Pression (Bar)=1.01 ; Flux Total (Kg/h)= 10 Quantité initiale N-Heptane (Kg/h) = 10.0 ; Toluène = 0.0 ; Hydrogène = 0.0 b- Echangeur 1 (Equipement numéro 1) Température sortie (courant 2) = 426 °C. c- Réacteur (Equipement numéro 2) Réacteur (stœchiométrique) iso-thermique T = 426 °C ; Taux de conversion (N-Heptane) = 0.50 Coefficients Stœchiométriques : n-Heptane (-1) ; Toluène (1) ; Hydrogène (4) d- Echangeur 2 (Equipement numéro 3) Température sortie (courant 4) = 18°C. e- Flash (Equipement numéro 4) Pas de spécifications Récapitulatif : Nous avons quatre (04) équipements et six (06) courants dans ce procédé

10

La réaction chimique s’écrit : A (n-Heptane C7H16)  B (Toluène C7H8) + C (Hydrogène H2) C7H16  C7H8 + 4 H2 3- Modèles thermodynamiques : K-Value = Peng-Robinson ; H-Value (Enthalpy) : Peng-Robinson. 4- Paramètres du Réacteur Stœchiométrique :

Température du réacteur 426

Taux de conversion du réactif 0.5 (en pourcentage = 50 %)

Coefficients stœchiométrique

5- Paramètres d’échangeur de chaleur #1:

Température de réchauffement 426 °C

11

6- Paramètres d’échangeur de chaleur #2 :

Température de refroidissement 18 °C

7- Résultat de la simulation : (menu : Results / stream compositions / all stream) :

N° de courant

Quantité de matière pour chaque constituant dans chaque courant

8- Le bilan de matière globale : (menu : Results / convergence)

Total des entrées

12

Total des Sortie

Cours / TP 3 #3 : Bilan Massique (bilan Matière) Bilan énergétique (bilan de chaleur)

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Cours / TP 3 : Bilan Massique (bilan Matière) Bilan énergétique (bilan de chaleur)

I-

Bilan Massique :

1- Bilan Matière : Le calcul de la quantité de matières (débit massique – kg/h ou débit molaire kmol/h ) pour chaque courant du procédé. Accumulation = (Input – Output) + (génération - consommation) Accumulation : changement de la quantité de matière. Input : Quantité de matière en entrée. Output : Quantité de matière en sortie. Génération : matière générée. (Dans les réactions chimiques seulement) Consommation : matière consommée (dans les réactions chimiques seulement). 2- Notations : m = masse (Kg), ṁ = débit massique (Kg / h). n = nombre de moles (Mol), ṅ = débit molaire (Kmol/h). υ = volume (M3 ou L), ύ = débit volumique (M3/h ou L/h) xi = fraction (massique / molaire) d’un composant i (sans unité) 3- Spécification et renseignement d’un courant : soit une matière M composé de 2 constituant A et B on renseigne un courant soit en donnant la masse (débit massique) ou le nombre de moles( ou débit molaire). Exemple : m i,a = 50 Kg m i = 100 kg (ṁ = 100 Kg/h) m i,b= 50 Kg x i,a = 0.5 m i = …… kg x i,b= 0.5 C-i

C-i

4- Bilan matière sur un procédé unitaire sans réaction chimique (régime stationnaire) : Accumulation = (Input – Output) + (génération - consommation) 0 = (Input – Output) - Input = Output Exemple :

Calculer ṁ2

et

ṁ4 ? confirmez vos résultats avec Chemcad. Four

Diviseur

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5- Bilan matière sur les procédés avec réaction chimique : 5-1. bilan basé sur l’avancement de la réaction : On définit l’avancement d’une réaction ξ = quantité en moles convertie lors d’une réaction on définit le bilan partial pour chaque composant x de la réaction :

nx = n 0, x + νx. ξ

ou

ṅ x = ṅ 0 , x + νx. ξ

et le bilan global :

n=n0+∑νiξ avec :

n x : nombre de mole finale du composant x n x,0 : nombre de mole initiale du composant x ξ : avancement de la réaction. ν x : Coefficient stœchiométrique du composant X Exemple :

ṅ 0, NH3 = 5 mol/h

4 NH3 + 5 O2  4 NO + 6 H2O Taux de conversion = 0.5

ṅ 0, O2 = 5 mol/h

.

D’après l’équation : ṅ x = ṅ 0 , x + νx. ξ on obtient : 

Les bilans partiaux sur :

- NH3 : ṅ NH3 = ṅ 0 ,NH3 - 4 ξ = 5 – 4 ξ - O2 : ṅ O2 = ṅ 0 ,O2 - 4 ξ = 5 – 5 ξ - NO : ṅ NO = ṅ 0 ,NO + 4 ξ = 0 + 4 ξ - H2O : ṅ H2O= ṅ 0 ,H2O + 6 ξ = 0 + 6 ξ 

Le bilan global :

ṅ = ṅ 0 +( - 4 -5 +4+6 ) ξ = ṅ 0 + ξ = 10 + ξ et puisque ξ = 0.5 (taux de conversion) :

-

ṅ NH3 = 3 mol /h O2 : ṅ O2 = 2.5 mol /h NO : ṅ NO = 2 mol /h H2O : ṅ H2O= 3 mol /h

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ṅ NH3 = … mol/h ṅ O2 = … mol/h ṅ H2O = … mol/h ṅ NO = … mol/h

Procédé avec réaction chimique : Sous Chemcad réaliser le procédé qui simule cette réaction : 4 NH3 + 5 O2

 4 NO + 6 H2O

avec un taux de conversion = 0.5

ṅ 0, NH3 = 5 mol/h ṅ 0, O2 = 5 mol/h Réacteur stœchiométrique

ṅ NH3 = ? mol/h ṅ O2 = ? mol/h ṅ H2O = ? mol/h ṅ NO = ? mol/h

Calculer les débits molaires en sortie du réacteur ? Paramétrage du réacteur

NH3 = Amonia, O2 : Oxygene, NO : Nitric Oxide, H2O : Water. Masse molaire : NH3 = 17.031 g/mol, O2=31.999 g/mol, NO=30.006 g/mol, H2O = 18.015 g/mol. Exercice : Production de l’ammoniac NH3 : Réaction d’hydrogénation d’azote avec l’utilisation d’un catalyseur dans la pression atmosphérique 1 bar et à une température ambiante 20°c. N2+3H2  2NH3 Quantité initiale :

ṅ 0, N2 = 2 mol/h ṅ 0, H2 = 4 mol/h

N2 + 3 H2  2 NH3 Taux de conversion = 0.5

ṅ N2 = … mol/h ṅ H2 = … mol/h ṅ NH3 = … mol/h

Questions : Calculez les débits sortant de chaque composant ? Confirmez vos résultats avec Chemcad. 16

II-

Bilan énergétique (bilan enthalpie)

1- Bilan enthalpie : Le calcul de la quantité de chaleur (énergie) (joule) dans tous les courants du procédé et aussi dans les opérations unitaires (dans le cas de changement de température / transformation de phases S-L-G). 2- Formes d’énergie : a- Energie cinétique : Ec = ½ m v2 avec m = masse, v=vitesse b- Energie potentielle : Ep = mgz avec : m=masse, g=9.81 m/s2 champs de gravitation, z = hauteur c- Energie interne : U est lie avec l’enthalpie H H = U + PV avec P : pression ; V = volume 3- Transfert d’énergie : L’énergie est généralement est transféré sous forme de chaleur et travail (en cas d’existence des forces motrices : turbine, compresseur, pompe….etc) 4- Premier principe de la thermodynamique Energie ne peut être ni créée, ne détruite mais peut être transformé (principe de conservation d’énergie). Accumulation = (Input – Output) + (génération - consommation) Input : Ec,1 Ep,1 H1

Output: Ec,2 Ep,2 H2

Q.Generé

C1

C2

Q.consomé é Q

W

é

∆H +∆Ec + ∆Ep = Q - W Accumulation : changement de la quantité de chaleur dans le système. Input : Quantité de chaleur en entrée. Output : Quantité de chaleur en sortie. Génération : chaleur générée. (Dans les réactions chimiques seulement) Consommation : chaleur consommée (dans les réactions chimiques seulement).

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5- Bilan enthalpie sur un procédé sans réaction chimique (régime stationnaire) : Variation d’enthalpie : -

Variation de la température.

-

Changement d’états( phase S-L-G)

-

Mélange de solution / réaction chimique

Exemple : m T1

Q H1

m T2

C-1

H2

C-2

∆H = Q = H2 – H1 Et on H1 = mCpT1 et H2 = mCpT2  AH = Q = mCp(T2 - T1 ) Cp = capacité calorifique (chaque élément a sa propre Cp) 6- Bilan enthalpie sur un procédé avec réaction chimique (régime stationnaire) : 6-1. Enthalpie standard de réaction : (Loi de Hess) ∆rH0 = ∑ vi . ∆fH0i

avec Vi coef. stœchiométrique, ∆fH0

enthalpie de formation du composant i

ex : C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O ∆rH0 = 3 ∆fH0H2O +2 ∆fH0CO2 - ∆fH0C2H5OH N.B. enthalpie de formation des constituants élémentaires comme O 2, H2 , N2 est nul (=0) 6-2. Bilan énergétiques des réactions : a-Technique des enthalpies de réaction ∆H = ξ ∆rH0 + ∑entrées ni Hi - ∑ sorties ni Hi ξ = avancement de la réaction ∆rH0 = enthalpie de réaction ni = nombre de mole du composant i Hi = enthalpie du composant i (Hi = m.Cp.T) b-Technique des enthalpies de formation ∆H = ∑entrées ni Hi - ∑ sorties ni Hi ni = nombre de mole du composant i Hi = enthalpie du composant i (Hi = ∆fH0i m.Cp. ∆T)

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7- Application sur un procédé de fabrication de Propylène : 7.1- Description du procédé : Le propylène (nouveau nom = propène C3H6) est produit par une déshydrogénation du Propane (C3H8) avec le catalyseur Palladium.

(C3H8  C3H6 + H2)

On commence d’abord par chauffer le réactif entrant à partir de la température de 10° C jusqu’à 500° C. ensuite il est introduit dans un réacteur stœchiométrique iso-thermique qui convertit 30 % de Propane en Propylène. A la sortie du réacteur on refroidit le mélange jusqu’à la température de -120 ° C puis on l’introduit dans une colonne Flash. En supposant que toute l’installation opère à la pression atmosphérique (1 Bar), Travail à faire : simuler ce procédé et calculer : 1- Les bilans d’énergie (Thermique) des différents équipements. 2- Les bilans de matière (masse) des différents flux. Avec Q° (propane) = 100 kg/h, P° = 1 Bar, T° = 10 °C. K-Value et H-Value = Peng Robinson N.B.

:

- Propylène (nouveau nom = Propène) : utilise pour la production des polymères. - Propane : utilisé comme carburant. 7.2- Résultats pour vérification : E(echangeur1) = 127,6176 Mj/h

Q5(propane)=0,0980 kg/h (propylène)=0,0650 kg/h (Hydrogène)= 1.3687 kg/h E5= -2,8488 Mj/h

Q2(propane)=100 kg/h E2= -112.51 Mj/h

Q1(propane)=100 kg/h E1= -240.13 Mj/h

E(echangeur2) = -198,2510.51 Mj/h

E(Réacteur)=88,1671 Mj/h H(réaction) = 124390 Kj/h

Q4(propane)=70 kg/h (propylène)=28,6291 kg/h (Hydrogène)= 1.3717 kg/h E4= -222,59 Mj/h

Home work : essayer de faire cesQ3(propane)=70 bilans en kg/h utilisant les formules vues en cours. 8- Résultats :

(propylène)=28,6291 kg/h (Hydrogène)= 1.3717 kg/h E3= -24,341 Mj/h

9Bilan energie (enthalpie)

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Q6(propane)=69,9020 kg/h (propylène)=28,5641 kg/h (Hydrogène)= 0.0027 kg/h E6= -219,74 Mj/h

Cours / TP #4 : Dimensionnement d’une colonne de distillation

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Cours / TP4: Dimensionnement d’une colonne de distillation Partie I : Avec la méthode graphique McCabie et Thiele. 1-Rectification du Méthanol [1] :

On désire rectifier en continu dans une colonne à plateaux (étages) fonctionnant à pression atmosphérique un mélange méthanol - eau à 60 % poids de méthanol. L’alimentation est liquide à son point d'ébullition, son débit est F=2000 kg.h-1 . On souhaite un distillat de titre Massique en méthanol XD =98 % et un résidu de titre massique en méthanol XB=2 %. 1°) Déterminer tous les débits et compositions massiques et molaires, les présenter dans un tableau. 2°) Déterminer le nombre minimal de plateaux théoriques pour réaliser la séparation à reflux total. 3°) Déterminer le taux de reflux minimal pour réaliser la séparation demandée. 4°) Déterminer, pour un taux de reflux égal à 1,4 le nombre de plateaux théoriques nécessaires et le plateau d'alimentation (les plateaux seront numérotés de bas en haut, le bouilleur étant le plateau n°1). 5°) Déterminer le nombre de plateaux réels à installer si leur efficacité est 80%.

Plateau N° N Condenseur

Alimentation F XF Plateau N°1 Bouilleur

N

2 1

Distillat D XD

Bouilleur ( ou résidu) B XB

Fig.1 : Courbe d'équilibre liquide-vapeur Eau-Méthanol

Données : courbe d’équilibre liquide-vapeur du mélange Meau=18g.mol -1 21

eau-méthanol;

Mméth=32g.mol-1 ;

2- Correction :

1°) On écrit les équations de bilan matière global et en méthanol, ce qui nous donne deux équations à deux inconnues: F = D + B (1), et F XF = D XD + B XB (2) De (1) on tire B = F - D, et en remplaçant B dans (2) on obtient : F XF = D XD + F XB - D XB, soit encore: D = F (XF -XB) / (XD-XB) = 2000×(0.6-0.02)/(0.98-0.02) = 1208.3 kg.h-1 , et B = F - D = 2000-1208.3 = 791.7 kg.h-1. On en tire le tableau suivant exprimé en masses :

et le tableau suivant exprimé en moles :

Remarque: on calcule les débits molaires de chaque constituant en premier (1200/32e-3=37500 et 800/18e-3=44444), puis le débit global (37500+44444=81944), et enfin le titre molaire en constituant volatil, c-à-d en méthanol 37500/81944=45.8%). On pourrait également convertir les titres massiques en titre molaires, on trouverait les mêmes valeurs ((60/32)/(60/32+40/18)=45.8%). 2°) Pour déterminer le nombre minimal de plateaux pour réaliser cette séparation (c'est à dire à reflux total, le texte est volontairement redondant), on réalise la construction de McCabe et Thiele partant de

22

XB mol=1.14%, s'appuyant sur la bissectrice, ce jusqu'à X D mol =96.5%. On trouve un nombre d'étages théoriques NET=6, soit NET=5+bouilleur.

Fig.2 : Construction de Mc Cabe et Thiele à reflux total 3°) Pour déterminer le taux de reflux minimal à appliquer pour réaliser la séparation demandée, on trace la droite opératoire d'enrichissement qui coupe la courbe d'équilibre en X=X F=45.8%, et on détermine

la

valeur

de

son

ordonnée

à

l'origine,

0.570,

qui

est

égale

à

XD /(Rmin+1). On en tire Rmin=XD /0.570-1 = 0.69.

4°) Pour un taux de reflux R=1.4, on a XD /(R+1) = 0.965/(1.4+1) = 0.402, qui est l'ordonnée à l'origine de la droite opératoire d'enrichissement. Elle passe également par le point (0.965;0.965). L'alimentation est à son point d'ébullition, donc la droite d'état thermique est une verticale passant par X=XF=0.458. La droite opératoire d'épuisement passe par le point (0.011;0.011), et coupe la droite opératoire d'enrichissement à son intersection avec la droite d'état thermique. Le tracé des étages théoriques en partant de (XD;XD) donne NET=9=8+bouilleur. Si le bouilleur est noté 1, le plateau d'alimentation est le plateau n°4. La zone d'enrichissement contient 5 étages théoriques, la zone d'épuisement contient 4 étages théoriques dont le bouilleur.

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Fig.3 : Construction de McCabe et Thiele à reflux total avec R =1.4

5°) N-Plateau réels = 8 / 0.8 = 10 , nombre de plateau réels = 10 plateaux

N.B : La partie II de ce TP va traiter le dimensionnement d’une colonne de distillation avec le logiciel Chemcad

Reference bibliographique : [1] Mr BOUDRAHEM Farouk « Recueil d’exercices de DISTILLATION - RECTIFICATION », Université de Bejaia 2014.

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Partie II : Dimensionnement d’une colonne de distillation sous CHEMCAD. 1-Rectification du Méthanol [1] :

On désire rectifier en continu dans une colonne à plateaux (étages) fonctionnant à pression atmosphérique un mélange méthanol - eau à 60 % poids de méthanol. L’alimentation est liquide à son point d'ébullition (64 °C), son débit est F=2000 kg.h-1 . On souhaite un distillat de titre Massique en méthanol XD =98 % et un résidu de titre massique en méthanol XB=2 %. (On prend comme taux de reflux R=1.4) 2- Méthode de dimensionnement sous Chemcad : Quatre étapes nécessaires pour dimensionner une colonne de distillation : a- Définition des composants et le modèle thermodynamique. b- Affichage de la courbe d’équilibre (pour vérifier si le mélange est idéal ou non) c- Insertion de la colonne SHORTCUT (1 entrée et 2 sorties) et paramétrage de cette dernière. d- Interprétation des résultats. 2-1. Définition des composants et le modèle thermodynamique. -

Introduisez les 2 composants : méthanol (CH4O), Water (H2O).

-

Sélectionner modèle thermodynamique : K-value : UNIFAC, H-value = LATENT HEAT

2-2. Affichage de la courbe TPXY et la courbe d’équilibre : C’est juste pour vérifier si le mélange est idéal ou non. -

Sélectionner ALT SI comme Engineering unit.

-

Cliquer sur le menu PLOT/ TPXY

1-Methanol 2-Water 0-Constant pressure

-

25

T ébullition eau

Courbe de Rosées

Courbe de bulles T ébullition méthanol

La courbe TPXY - Isobare

La courbe d’équilibre L-V Méthanol/eau

26

2-3. Insertion de la colonne SHORTCUT (1 entrée et 2 sorties) et paramétrage de cette dernière. a- Insertion de la colonne SHORTCUT ()

Courant d’alimentation b- Paramétrage de la colonne SHORTCUT (ligne 7, colonne 7):

2- design : FUG with Fenske feed location

Reflux ratio = 1.4

-Light (Leger)= Methanol - taux = 0.98

-Heavy (Lourd)= Water - taux = 0.02

c-

27

2-4. Interprétation des résultats Menu Result / unit op’s

Nombre des étages = 10

Etage d’alimentation = 6

3- utilisation des résultats de dimensionnement dans une colonne SCDS : Maintenant une fois les informations nécessaires au dimensionnement de la colonne de distillation, on peut les utiliser pour simuler la colonne rigoureuse SCDS, et de voir les résultats de distillation. 3-1. insertion de la colonne SCDS (ligne 7, colonne 4)

28

3-2 paramétrages de la colonne SCDS : a- Onglet General :

Nombre des étages = 10 Etage d’alimentation = 6

b- Onglet specification

Condenser mode = 7 Distillate comp fraction recovery Taux = 0.98 Component = Methanol

Component = Eau Taux = 0.98 Reboiler mode = 7 Bottom comp fraction recovery

29

c. Onglet convergence :

Dist- rate = 1.4 Reflux Rate = 1.4 Taux de reflux v

Temperature dans le haut et le bas de la colonne = 64 °C (T° eb - methanol)

4- vérification des résultats : Cliquer sur Results / setflow unit / mass % Ensuite suite cliquer sur results/stream compositions / al stream

Courant 2 = Distillat à 98 % de méthanol

Courant 3 = Résidu à 2 % de Méthanol

30

Cours / TP #5 : Test sur le dimensionnement d’une colonne de distillation

31

Cours /TP5 : Test sur le dimensionnement d’une colonne de distillation On désire rectifier en continu dans une colonne à plateaux (étages) fonctionnant à pression atmosphérique (1.013 bar) un mélange benzène C 6H6 -toluène C7H8 à 60 % mol de benzène. L’alimentation est liquide à son point d'ébullition, son débit est F=100 mol/h. On souhaite un distillat de titre molaire en benzène XD =90 % et un résidu de titre molaire en toluène =90 %. 1°) Etablir le bilan matière (en mol.h-1) des divers courants. ? 2°) Déterminer le nombre d’étage théoriques, et l’étage d’alimentation (taux de reflux R=2). 3°) Déterminer le nombre de plateaux réels à installer si leur efficacité est 80%.. 4°) Refaire les questions 1 et 2 sous Chemcad ? Information utiles : T°eb(Benzène) = 80 °C, T°eb(Toluène) = 110 °C Réponses : 1-Bilan matières

D = ………. mol DBenzene=…….... mol.h-1 DToluene=……....mol.h-1

F = 100 mol NBenzene=…….... mol.h-1 NToluene=……....mol.h-1

B = …….. mol BBenzene=…….... mol.h-1 BToluene=……....mol.h-1

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2-le nombre de plateaux théoriques (NET) :

-

NET = …………………………. ; Etage d’alimentation : ……………………….

3- le nombre de plateaux réels : …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 4- Partie Chemcad : 

Bilan matières (mol/h) :

N° Flux

#2

#3

Benzène …….

…….

…….

…….

…….

…….

toluène

#1



Nombre d’étages :………………………….



Etage d’alimentation :……………………..

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Résultats sous Chemcad

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Cours / TP #6 : SIMULATION D’UN PROCEDE De Production d’éthanol (C2H6O) à 75 % pureté

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Cours / TP 6- SIMULATION D’UN PROCEDE De Production d’éthanol (C2H6O) à 75 % pureté 9- Description du procédé La réaction est celle de l’hydratation de l’éthylène C 2H4 à l’aide d’un catalyseur constitué d’acide phosphorique On commence d’abord par chauffer un mélange de 100 kg de l’éthylène C2H4 et 100 kg d’eau à partir de la température de 18° C jusqu’à 280° C dans un échangeur de chaleur. Il est ensuite introduit dans un réacteur stœchiométrique iso-thermique qui convertit 60 % d’éthylène en éthanol (C2H6O). A la sortie du réacteur on refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur jusqu’à la température de 20° C puis on l’introduit dans une colonne Flash. A la sortie de la colonne flash, le liquide doit être réchauffé à nouveau au point d’ébullition d’ éthanol(78°C), afin de le séparer (à 75% de pureté) en rectification continu dans une colonne à plateaux (étages), le taux de reflux de du distillat = 1.0. En supposant que toute l’installation opère à la pression (70 Bar). -Quelques informations utiles : La réaction chimique : C2H4 + H2O  C2H6O Teb(c2h4) = -103.68 °C Teb(c2h4o) = 78.29 °C Teb(h2O) = 100 °C Modèles thermodynamiques : K-Value = regular solution ; H-Value (Enthalpy) : Latent-Heat

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Questions : a- Proposer un procédé pour fabriquer l’éthanol.

B

A

C

D

E F

G

b- Calculer la concentration massique d’éthanol en sortie de la colonne flash (état liquide) ………………………………………………………………………………. c- Le nombre d’étage nécessaire de la colonne de distillation pour atteindre 75% de pureté en éthanol. ………………………………………………………………………………… d- La quantité produite d’éthanol …………………………………………………………………………………… N.B. : en fin de simulation le message d’erreur suivant apparait : Scds did not converge (ignorer le seulement).

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Résultats sous CHemcad pour vérification :

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