Simulation Production de Méthanol [PDF]

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REPUBLIQUE TUNISIENNE MINISTER DE L’ENSEGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA REPECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DE GABES

ECOLE NATIONAL D’INGENIERE DE GABES Département : Génie chimique des procédés

PROJET 1 : SIMULATION DE PRODUCTION DE METHANOL A L’AIDE DE L’ASPEN PLUS

Réalisé par : Mjaied Sawsen Chammam Amel Dhouib Ahmed Sadem

Spécialité : Mastère de recherche en Génie Chimique des Procédés : Bioprocédés & Bioproduits

Encadré par : Khila Zouhour

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SOMMAIRE I-

PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE : ........................................................................................................... 3 1-

Introduction : .............................................................................................................................. 3

2-

Le procéde de synthése de méthanol : ...................................................................................... 3

3-

L’utilisation du méthanol : ....................................................................................................... 3

II – PARTIE PRATIQUE :SIMULATION A L’AIDE D’ASPEN PLUS : ............................................................ 4 1-

Les équipements utilisés : .......................................................................................................... 4 a-

Mélangeur (mixer) : ................................................................................................................ 4

b-

Compresseur multi phasique :................................................................................................ 4

c-

Echangeur de chaleur (Heater) :............................................................................................. 4

d-

Réacteur (Rstoic) :................................................................................................................... 4

e-

le refroidisseur (Heater) : ....................................................................................................... 4

f-

Séparateur bi phasique :......................................................................................................... 4

g-

Colonne de distillation :.......................................................................................................... 5

2-

Discussion des résultats :............................................................................................................ 6 a-

Les résultats des flux :............................................................................................................. 6

b-

les résultats des instruments utilisés au procédé : ............................................................... 7

c-

Effet de Variation de pression : .............................................................................................. 9

d-

Effet de la variation de température : ................................................................................. 10

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I-

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PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE : 1- Introduction :

Le méthanol est l'un des produits les plus importants de la synthèse organique produit à partir de biomasse contenant du carbone comme le bois, les algues et le charbon. Actuellement, le méthanol est fait principalement à partir du gaz naturel, ou de méthane. Le méthanol est utilisé de plus en plus dans de nouvelles applications telles que la dénitrification des eaux usées, le biodiesel et les piles à combustible. Le méthanol n'étant pas présent en quantité importante dans la nature, il doit être produit industriellement. Plusieurs voies de synthèse existent à partir des molécules contenant un seul atome de carbone : CO et CO2 Le dioxyde de carbone (CO2) réagit avec l’hydrogéne (H2) pour former du methanol selon l’équation chimique suivant : CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

2- Le procéde de synthése de méthanol : Le dioxyde de carbone CO2 et l'hydrogène H2 connus sous le nom de gaz de synthèse. Ensuite ce dernier est suivi d'une synthèse en présence d'un catalyseur et sous pression dans un réacteur de synthèse du méthanol. Puis on fait la purification de méthanol ; On injecte le mélange sortie de réacteur dans un séparateur pour séparer le vapeur et le liquide. Ce dernier, la solution de méthanol, se conduit à la colonne de distillation pour rapporter un produit avec une grande pureté.

3- L’utilisation du méthanol : - Produit intermédiaire et combustible. - Applications dans les piles à combustible. - Traitement des eaux usées - Production de biodiesel. - Décapage des peintures. - Agent d’extractions dans les industries pétrolières, chimiques et agro-alimentaire.

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II – PARTIE PRATIQUE :SIMULATION A L’AIDE D’ASPEN PLUS : 1- Les équipements utilisés : a- Mélangeur (mixer) : Le mélangeur a pour rôle de mélanger les feeds et de les envoyer vers le compresseur . On considère un courant d'alimentation d'air entrant dans le mélangeur à 40 °C et 4 bar avec un débit de 1000 kg / h b- Compresseur multi phasique : Le compresseur est modélisé pour être isentropique avec un rendement isentropique de 80%.la pression de décharge est de 38 bars. c- Echangeur de chaleur (Heater) : Le flux qui comprimé et qui va traverser l’échangeur de chaleur est chauffé à une température de 200 °C, sa pression est de 38 bars. d- Réacteur (Rstoic) : Le flux chauffé rentre dans un réacteur (Rstoic), Ce dernier a un taux de conversion 42%. Il fonctionne à une température de 200°C et pression 38 bars e- Le refroidisseur (Heater) : Le flux qui sort du réacteur rentre à l'échangeur de chaleur pour le refroidir jusqu’à une température égale à TOUT = 35°C avec une pression de 38 bars. f- Séparateur bi phasique : Il est utilisé pour flasher le mélange liquide vapeur obtenu après le refroidissement, il fonctionne à une pression de 10 bars et une température de 35°C. Après la séparation on obtient deux phases : on s’intéresse de la phase liquide qui va traverser une Colonne de Distillation.

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g- Colonne de distillation : La quantité de Méthanol produite rentre dans une colonne de distillation à une température 35 °C, une pression 10 bars et un débit 1000 Kg/h. Cette colonne est composée à 10 étages dont le taux de reflux égal à 1.18 h- Refroidisseur : Le flux qui sort du la colonne de distillation avec Tin =124.924 °C rentre à l'échangeur de chaleur pour le refroidir jusqu’à TOUT = 38°C.

Schéma : Procédé de la production de méthanol par le logiciel ASPEN PLUS

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2- Discussion des résultats : a- Les résultats des flux :

Unit

FEED

From

To

GS1

GS2

GS3

LIQUI DE

MELAN GE1

MELAN GE2

PROD UIT

RESID U

VAPE UR

DISTIL

MIXER

COMP R

HEAT ER1

SEPAR A

RSTOIC

HEATE R2

HEAT ER3

RADF RAC

SEPA RA

RADF RAC

MCO MPR 40

HEAT ER1 40

RSTO IC 200

RADF RAC 35

HEATE R2 200

SEPAR A 35

38

Tem p

C

MIXE R 40

Press ure

bar

4

4

34

38

10

38

38

10

167,9 35 34 10 10

Mole Flow

kmo l/h

79,9 08

79,90 8

79,90 8

79,9 08

15,91 3

63,12 7

63,12 7

7,79 7

8,116 47,2 13

7,797

Mole Fractions CO2

0,25

0,25

0,25

0,25

0,002

0,183

0,183

0,75

0,75

0,75

0,75

0,55

0,550

H2O

0

0

0

0

6,69E -05 0,517

0,132

0,132

9,88E -16 2,54E -24 0,920

0,005

H2

0,00 5 0,00 0 0,09 7

CH3 OH

0

0

0

0

0,48

0,132

0,132

0,89 6

0,079

394,9 40 1,861 4 0,002

1000

1000

509,9 27 70,07 2 151,1 54 268,8 45

509,9 27 70,07 2 151,1 54 268,8 45

239, 632 1,86 1 0,00 2 13,7 43 224, 025

155,3 07 3,53E -13 4,16E -23 134,5 33 20,77 4

Mass Flow

kg/h

1000

1000

1000

1000

CO2

kg/h

H2

kg/h

H2O

kg/h

879, 185 120, 814 0

879,1 85 120,8 14 0

879,1 85 120,8 14 0

879, 185 120, 814 0

CH3 OH

kg/h

0

0

0

0

148,2 76 244,7 99

6

0,24 4 0,73 6 0,00 3 0,01 5 605, 059 508, 066 70,0 69 2,87 7 24,0 45

HEAT ER3 124,9 24 10

0,000 0,097 0,896 239,6 32 1,861 0,002 13,74 3 224,0 25

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b- les résultats des instruments utilisés au procédé : Block

Outlet température (°c)

Mixer

40

Outlet Vapor pressure fraction (bar) 4 1

Block

Total work (Kw)

Outlet pressure (bar)

Total cooling duty (cal/sec)

Mcomp

255.688

34

-61627.4

Block

Heate r1

Outlet temper ature (°c) 200

Pressure drop (bar)

Mole flow (Kmole/h)

Mass flow (Kg/h)

Enthalpie (cal/sec)

0

79.9082

1000

-519169

Net work required (Kw) 255.688

Net cooling duty (cal/sec) -61627.4

Mole flow (Kmole/hr)

Mass flow (Kg/hr)

Enthalpi e (cal/sec)

79.9082

1000

-519169

Outlet pressur e (bar)

Vapor fraction

Heat duty (cal/sec)

Net duty (cal/sec)

Pressure drop (bar)

Mole flow (Kmole/hr)

Mass flow (Kg/hr)

Enthalpie (cal/sec)

38

1

27816.3

27816.3

-4

79.9082

1000

-519169

Net heat duty (cal/s ec) 3291 5.3

Block

Outlet temperat ure (°c)

Outlet Heat pressure duty (bar) (cal/se c)

Rstoic

200

38

Block

Outlet temperat ure (°c)

Outlet pressur e (bar)

Vapor fractio n

Heate r2

35

38

0.735 876

32915. 3

Heat duty (cal/sec ) 69313.9

Vapor fractio n

1

Mole flow inlet (kmol/ hr) 79.908 2

Mole flow outlet (kmol/ hr) 63.127 5

Net duty (cal/sec)

Pressur e drop (bar)

-69313.9

0

7

Mass flow inlet (kg/hr)

Mass flow outlet (kg/hr)

Enthalpie inlet (cal/sec)

1000

1000

-491910

Mole flow (Kmole/h r) 63.1275

Mass flow (Kg/ hr) 1000

Enthal pie outlet (cal/se c) 52482 6

Enthalpy Enthalpy inlet(cal/s outlet ec) (cal/sec) -524826

-594139

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Block

Outlet tempe rature (°c) 35

séparateur

Outlet pressu re (bar) 10

Vapor fractio n (mole) 0.7479 09

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Heat duty (cal/s)

Net duty (cal/sec)

1936.64

1936.64

Pressu re drop (bar) 28

Mole flow (Kmole/hr)

Mass Enthalpie flow inlet (Kg/hr) (cal/sec)

63.1275

1000

-594139

Enthal pie outlet (cal/s) 59220 3

Colonne de distillation -

Condenseur/top stage performance

temperature Heat duty 124.924 -37440.3 -

Distillate rate Reflux rate 7.79781 9.20142

Reflux ratio 1.18

Distillate to feed ratio 0.49

Reboiler /bottom stage performance

temperature 167.935

Heat duty 48844.6

block colonne

block

Outlet tempera ture (°c)

Heater 3

38

Bottom rate 8.11609

Mole flow inlet/outlet 15.9139

Outlet pressu re (bar) 10

Boilup rate 20.3228

Boilup ratio 2.50402

Mass flow inlet/outlet 394.94

Bottom to feed ratio 0.51

Enthalpy inlet -279067

Enthalpy outlet -267663

Vapor fraction

Heat duty (cal/sec)

Net duty (cal/sec)

Pressure drop (bar)

Mole flow (Kmole/hr)

Mass flow (Kg/hr)

Enthalpie inlet(cal/s ec)

0

5283.93

5283.93

0

7.79781

239.632

-121531

8

Enthal pie outlet (cal/s) 12681 5

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c- Effet de Variation de pression :

La courbe de variation de la production de méthanol en fonction de la pression montre que la conversion est proportionnelle avec l’augmentation de la pression. C’est la loi générale de modération : Principe de Chatelier, la réponse du système tend à s’opposer à la perturbation pour en modérer les effets. Si on augmente la pression, le déplacement d’équilibre dans le sens de la diminution du nombre de mole gazeuse c’est-à-dire déplacement de l’équilibre dans les sens de production de méthanol (sens direct).

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d- Effet de la variation de température :

La courbe de variation de la production du méthanol en fonction de la température montre que la production diminue avec l’augmentation de la température à cause de l’inversement du sens de la réaction (principe de Chatelier) : donc on peut dire que cette réaction dégage de l’énergie d’où c’est une réaction exothermique. On peut conclure que l’utilisation du 1er Heater pour augmenter la température avant que le flux être injecter dans le réacteur n’est pas significative car la réaction de production de méthanol est exothermique dont elle ne nécessite pas une haute température, il suffit de la laisser à la degré de l’alimentation.

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