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Exemple : Simulation de la chloration du

Chlorotoluène

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Démarrer

rapidement avec

BatchReactor

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Ce document présente les différentes étapes à suivre pour simuler une synthèse effectuée dans un réacteur batch à l’aide du logiciel BatchReactor. Cette présentation s’appuie sur un exemple : simulation de la chloration de Chlorotoluène.

Cet exemple est disponible dans le répertoire d’exemples de BatchReactor (fichier reactor2.pbpr)

Cette présentation contient trois parties :

1ère partie – Description de l’exemple

2ème partie – Généralités sur l’utilisation du logiciel

3ème partie – Description des différentes étapes de la simulation

Introduction

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Partie 1

Description de l’exemple:

- Description du système réactionnel - Composés et modèle thermodynamique - Description des équipements - Mode opératoire

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Du chlore gazeux alimente une charge de Chlorotoluène liquide. La réaction a lieu en phase liquide. Le réacteur est en permanence inerté par un courant d’azote.

La réaction principale est la suivante :

C7H7Cl + Cl2 C7H6Cl2 + HCl

Le chloromethyl chloro benzene (ACl) et le chlorure d’hydrogène sont produits par la réaction. Sa vitesse peut être exprimée avec un ordre partiel de 1 pour chaque réactif, un facteur pré exponentiel Ko = 2.7203e17 mol/l.s et une énergie d’activation Ea = 130320 J/mol

Description du système réactionnel

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Du 1-chloro-2-dichloro methylbenzene (dichloride) et du chlorure d’hydrogène sont également formés par une réaction secondaire :

C7H6Cl2 + Cl2 C7H5Cl3 + HCl

Sa cinétique est aussi exprimée avec un ordre partiel de 1 pour chaque réactif, Ko = 580 mol/l.s et Ea = 42200 J/mol

Les chaleurs de réactions sont calculées à partir des enthalpies standard de formation à 25°C (état gaz parfait).

Description du système réactionnel

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Les composés utilisés dans cette synthèse sont :

-Chlorotoluène (CT)

-Chloromethyl chloro benzene (ACl)

-1-chloro-2-dichloro methylbenzene (dichloride)

-Chlore

-Chlorure d’hydrogène

-Azote

Le modèle thermodynamique retenu est NRTL. Les coefficients d’interaction binaires exprimés en cal/mol sont :

Composés et modèle thermodynamique

CT-ACl

CT- Dichloride

ACl-Dichloride

-707,3

-1246

64,339

775,31

1463,5

-79,04

0,1939

0,1584

0,4097

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Deux courants alimentent le réacteur : le premier est constitué de chlore et le second est constitué d’azote pour inertage.

Les caractéristiques du réacteur sont :

- Cuve à fond hémisphérique de 3m3 de volume, 1400 mm de diamètre

- Agitateur : Impeller à 3 pales de 1120 mm de diamètre situé à 300 mm du fond et tournant à 90 tours par minute.

- Double enveloppe (latérale et fond joints) de 50 mm d’épaisseur et de 1366 mm de hauteur

- Epaisseur de la paroi : 17 mm d’un matériau de conductivité thermique 15,3 W/m/K.

- Poids du réacteur : 800 kg d’un matériau de chaleur spécifique 500 J/Kg/K

- Fluide de service : 200 kg/h de vapeur à 6 bar ou 4 000 kg/h d’eau de refroidissement à 25°C. Les coefficients de transfert thermique ne sont pas fournis (ils sont calculés côté procédé et côté utilité par le logiciel)

Les pertes thermiques sont négligées et la présence d’ inserts n’est pas prise en compte dans le bilan thermique.

Description des équipements

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Le réacteur est fermé et équipé de deux étages de condensation. Un courant de gaz incondensables quitte le second étage.

Les condensats sont collectés et renvoyés dans le réacteur (reflux total).

Le premier étage de condensation a une aire d’échange de 15 m2 et son coefficient de transfert thermique global est de 300 kcal/h m2 °C. Il est refroidi par 3000 kg/h d’eau à 20°C.

Le deuxième étage a une aire d’échange de 0,5 m2 et un coefficient de transfert thermique global de 300 kcal/h m2 °C. Le fluide de refroidissement est disponible à -15°C avec un débit de 100 Kg/h. Sa chaleur spécifique est de 0,7933 cal/g/K à -15°C.

La perte de charge dans les deux étages est négligée.

Description des équipements

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La charge initiale du réacteur est de 2 400 kg de Chlorotoluène à 25°C et pression atmosphérique.

Première étape : chauffage

Le réacteur est maintenu à reflux total jusqu’à ce que sa température atteigne 58°C par chauffage à la vapeur. Le débit d’azote est de 1 kg/h à 25°C et pression atmosphérique. La pression totale est maintenue à pression atmosphérique.

Deuxième étape : réaction

Le réacteur est alimenté pendant 2 heures avec 60 kg/h de chlore à 3 bar. L’inertage d’azote est maintenu de même que le reflux total. La température du réacteur est maintenue à 62°C par action sur le débit d’eau de refroidissement. Les paramètres du PID sont :

- Valeur minimum / maximum: 59°C / 65°C - Type : feedback, Gain = -5, Ti = 500 s, Td = 0 - La vanne de régulation est à égal pourcentage avec un Cv = 30. - Le temps d’échantillonnage est de 10 s.

Mode opératoire

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Partie 2

Généralités sur l’utilisation du logiciel :

- Fenêtre principale

- Utilisation de la barre d’outils

- Sélection du système d’unités

- Création d’un nouveau fichier de simulation

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Fenêtre principale

Barre de menus

Vue du scénario

Barre d’outils

Gestion du schéma

Vue du schéma des équipements

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Gestion des fichiers (nouveau, ouvrir, sauvegarder, sauvegarder sous, fermer)

Connection des étapes et des évenements

Gestion des unités

Conversion d’unités Paramètres

numériques

Objets graphiques (formes, images, texte)

Propriétés de la feuille

Imprimer Copier le schéma

Dernier résultat de simulation

Synopsis

Copier, couper, coller, supprimer

Voir la liste des composés

Composés, thermodynamique, réactions chimiques

Démarrer la simulation

Calculatrice

Paramètres du rapport

Propriétés physiques « bulk »

Utilisation de la barre d’outils

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1- Sélectionner un système d’unités prédéfini

2- Vous pouvez utiliser le système d’unités prédéfini tel quel ou bien changer une unité par une autre en cliquant sur son nom

3- Cliquer sur OK pour valider

Sélection du système d’unités

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1- Cliquer sur l’icône « créer un nouveau document »

3- Accéder au synopsis (facultatif)

4 – Remplir les différents Champs du synopsis

Création d’un nouveau fichier de simulation

2- Enregistrer le fichier

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Partie 3

Description des différentes phases pour la configuration de l’exemple présenté

– Phase 1 : Sélection des constituants

– Phase 2 : Sélection du modèle thermodynamique

– Phase 3 : Description des réactions chimiques

– Phase 4 : Description des équipements

– Phase 5 : Description du mode opératoire

– Phase 6 : Lancement de la simulation

– Phase 7 : Visualisation des résultats

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1-Sélection des constituants

2- Double cliquer sur le calculator.

Un calculator vous permet de définir la liste de constituants et le modèle thermodynamique

1- Cliquer sur l’icône thermodynamique et constituants

3- Cliquer sur “ouvrir un fichier de constituants”

Dans cet exemple, les constituants nécessaires à la simulation ont été stockés dans une base de données privée appelée “chlorotoluene.compounds”

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4- Sélectionner “chlorotoluene.compounds”


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5- Les constituants importés du fichier .compounds sont affichés dans la liste.

Le CT, le chlore, le chlorure d’hydrogène et l’azote proviennent de la base de données standard. l’ACl et le dichloride ont été crée par un utilisateur.

Remarque : le nom des constituants de la base de données standard est toujours affiché en anglais.


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2- Tous les modèles thermodynamiques disponibles sont listés.

Utiliser la barre de défilement pour visualiser toute la liste. Pour cet exemple, sélectionner le modèle NRTL.

2-Sélection du modèle thermodynamique

1- Cliquer sur l’onglet “Modèle” pour ouvrir la fenêtre de configuration des modèles thermodynamiques

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3- Le profil du modèle NRTL est automatiquement affiché

4- Cliquer sur “Binaires” pour accéder aux paramètres d’interaction binaires du modèle NRTL

Entrer un nom de calculator (optionnel)


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5- Vous pouvez entrer vos paramètres d’intéraction binaire Cliquer sur OK en bas de la page pour sortir du calculateur thermodynamique


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3-Description des réactions chimiques

1- Cliquer sur “Editer les réactions…” pour accéder aux fenêtres de description des réactions chimiques

2- Sélectionner “Ajouter une réaction”

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3- Sélectionner un type de réaction, “Cinétique” dans ce cas

4- Entrer un nom

5- Sélectionner la phase dans laquelle la réaction a lieu

6- Sélectionner l’onglet “Chaleur de réaction”


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7- Sélectionner le modèle de calcul de la chaleur de réaction, calculé ici à partir de l’enthalpie standard de formation à 25°C

8- Sélectionner l’onglet “Cinétique”


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9- Sélectionner “Arrhenius” et entrer la valeur de l’énergie d’activation

10- Sélectionner l’onglet “Constituants”


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11- Entrer les coefficients stœchiométriques :

<0 pour les réactifs > 0 pour les produits ainsi que les ordres partiels

de la réaction considérée

12- Sélectionner l’onglet “Modèle”


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13- Entrer le facteur pré-exponentiel

14- Cliquer sur OK pour valider et sortir


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15- Ajouter la seconde réaction (la décrire comme la première)


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4-Description des équipements

Le schéma de procédé permet de visualiser les équipements (stockages des réactifs et des produits, réacteur et système de condensation) et permet d’accéder aux différentes fenêtres permettant de les décrire.

1- Sélectionner le mode de calcul

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2- Sélectionner les options correspondantes à l’exemple: -Réacteur fermé -Avec un condenseur -Fond hémisphérique -Agitation : Impeller monobloc à 3 pales -Double enveloppe (latérale et fond joints)


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1- Sélectionner et poser une seconde alimentation


4.1- Alimentations

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2- Cliquer sur chaque stockage et modifier son nom : - N2 pour l’alimentation en azote - Cl2 pour l’alimentation en chlore

Les caractéristiques de chaque alimentation seront à renseigner au moment de la description des étapes opératoires.


4.1- Alimentations

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Les alarmes de température et de volume peuvent être utiles pour définir des contraintes techniques ou de sécurité. Entrer les valeurs indiquées

Entrer le volume total du réacteur Entrer la pression et la température initiale


1 – Double cliquer sur l’icône du réacteur

4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Ciel”

Sélectionner “ Autre ” et “ Nitrogen ” (azote) comme constituant dans la liste (inertage à l’azote)


4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Agitateur”

Sélectionner “Impeller monobloc à 3 pales” dans la liste. Saisir le diamètre et la distance entre le fond et le mobile.

Vous pouvez sauvegarder votre équipement dans la base de données gérée par Simulis Technologies.


4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Charge initiale”

Entrer la composition et la charge initiale


4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Echangeur par la paroi”

Entrer la disposition, les caractéristiques de la double enveloppe et les paramètres géométriques


4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Matériaux de la paroi”

Entrer les données sur les matériaux de la paroi. Un ou deux matériaux peuvent être définis.


4.2- Réacteur

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Cliquer sur “Géométrie du bas de cuve”

Entrer les caractéristiques du fond du réacteur


4.2- Réacteur

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Sélectionner l’onglet de validation. Cet onglet indique les messages d’erreur ou d’alerte. Si les données sont correctement entrées, cet onglet doit être vide et l’icône du réacteur ne doit plus être colorée en rouge sur le schéma.


4.2- Réacteur

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L’icône du réacteur n’est plus colorée en rouge.

Le système de validation global rapporte d’autres erreurs ou informations manquantes, ce qui est normal puisque le fichier est en cours de construction


4.2- Réacteur

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Double cliquer sur “Condenseur”

Entrer le nombre d’étages. Deux étages de condensation en série peuvent être définis


4.3- Condenseur

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Double cliquer sur un stockage

1 - Entrer le nom du stockage de la phase gazeuse


2 - Entrer le nom du stockage de la phase liquide

4.4- Stockages des produits

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5-Description du mode opératoire

La description du mode opératoire est faite dans la fenêtre “ scénario ” par une succession d’étapes et d’événements.

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1- Cliquer sur une étape “Flux thermique variable” 2- Cliquer sur la fenêtre scénario. Une nouvelle étape et un nouvel événement

de fin sont crées


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1- Cliquer sur “connexion”.

2- Cliquer sur le premier triangle (début des opérations) puis cliquer sur la première étape. Une nouvelle connexion sera crée.


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1- Sélectionner la première étape (double cliquer sur l’icône). Un nouvel onglet permettant de décrire cette étape est crée

2- Changer le nom par CHAUFFAGE

3- Double cliquer sur l’alimentation N2


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1- Sélectionner “Alimentation ouverte”

2- Entrer les paramètres de l’alimentation pendant cette première étape :

• Température • Pression • Composition • Débit massique total

3- Cliquer sur OK


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1- Sélectionner “Condenseur ouvert”

3- Entrer les paramètres opératoires du premier étage de condensation pendant cette première étape :

• Type de calcul • Coefficient d’échange • Aire d’échange • Perte de charge • Type de fluide • Température d’entrée • Débit massique

2- Sélectionner “Condenseur calculé” et entrer le nombre d’étages : 2

Double cliquer sur le condenseur pour accéder à la vue de détail


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2- Cliquer sur OK

Cliquer sur l’onglet du deuxième étage

1- Entrer les paramètres opératoires du deuxième étage de condensation pendant cette première étape :

• Type de calcul • Coefficient d’échange • Aire d’échange • Perte de charge • Type de fluide • Température d’entrée • Débit massique


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1- Double cliquer sur l’icône du réacteur dans le schéma de l’étape de CHAUFFAGE pour accéder à cette vue

2- Entrer les paramètres opératoires : • Taux de reflux (1 pour un reflux total) • Spécification de pression

3- Cliquer sur “Agitation”


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Entrer le paramètre opératoire de l’agitation pendant cette première étape :

• Vitesse de rotation


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2- Entrer les paramètres opératoires pendant cette étape:

• Type de fluide (vapeur) • Débit massique • Pression

Cliquer sur “Echangeur à la paroi” pour accéder à la vue de détail et définir les paramètres opératoires de chauffage pendant cette étape.

1- Sélectionner “L’échangeur à la paroi est actif”


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3- Entrer le type d’évènement et sa valeur

1- Double Cliquer sur l’évènement de fin de l’étape de CHAUFFAGE

2- Entrer le nom de l’évènement


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Effectuer un clic droit sur la première étape et sélectionner l’option “Dupliquer en” puis choisir “TR fixée avec dispositif thermique”. Cette copie permet d’éviter de spécifier à nouveau la plupart des informations de la nouvelle étape.


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Connecter comme précédemment la nouvelle étape à l’évènement de fin de l’étape de CHAUFFAGE et à l’évènement de fin de la simulation


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1- Sélectionner “Alimentation ouverte”

2- Entrer les paramètres opératoires de l’alimentation pendant cette seconde étape :

• Température • Pression • Composition • Débit massique

3- Cliquer sur OK

Double cliquer sur l’alimentation Cl2


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2- Sélectionner “PID”

3- Entrer la consigne de température, la température maximum et minimum

5- Cliquer sur PID pour accéder à la vue de détail

4- Entrer la valeur du débit minimum et maximum

1- Double cliquer sur le réacteur


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1- Entrer les paramètres du PID

2- Entrer les paramètres de la vanne

3- Cliquer sur “OK”


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1- Double cliquer sur l’évènement

3- Sélectionner “temps écoulé depuis le début de l’étape”

5- Cliquer sur “OK”

4- Entrer la durée de l’étape

2- Entrer le nom de l’évènement


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6-Lancement de la simulation

Choisir les options de présentation du rapport de simulation

Cliquer sur “Paramètres du rapport”

Cliquer sur “Exécuter la simulation”

Enregistrer le fichier

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Vous pouvez arrêter les calculs en cours de simulation (‘‘Suspendre’’) pour examiner l’évolution des différents paramètres


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Quand la simulation est terminée, cliquer sur “Résultats” pour visualiser les résultats


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7-Visualisation des résultats

Différents graphiques sont tracés en fonction du temps. Actionner ces boutons pour les passer en revue.

Permet de connaître les coordonnées (X,Y) de la série sélectionnée en fonction de la position du curseur sur le graphique affiché

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Accéder au rapport et examiner :

- Les caractéristiques du réacteur

- Le bilan matière et énergie en fonction du temps sur chaque étape.

- Le bilan matière en fin de chaque étape.

7-Visualisation des résultats

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