Optimisation numérique du fonctionnement, du dimensionnement et de la structure d'une colonne de distillation catalytique représentée par un modèle de transfert
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Abstract EN:
The objective of this contribution is to propose a Mixed Integer Non Linear Programming (MINLP) formulation for optimal design of a catalytic distillation column based on a generic Non-Equilibrium Model (NEQ). The use of this NEQ model presents two main advantages: i) the computation of tray efficiencies is entirely avoided ii) the geometrical parameters of the column's hardware can be optimized. The minimization of the total annualized cost is submitted to three sets of constraints: the model equations, the product specification and the tray hydraulic equations. The solution strategy for the optimization uses a combination of Simulated Annealing and Sequential Quadratic Programming. Catalytic distillation of ETBE is considered as illustrative example. The results of the optimization are discussed. Pre and post optimal sensitivity analysis is also performed. According to our pilot plant design, the model relies on separation stages (trays) and reactive stages. The separation stages are cross flow sieve trays, of a single pass. In this work, the non-equilibrium model for the separation stages is based on of the works by Krishnamurthy and Taylor who presented a non-equilibrium model for a non-reactive distillation column. This model uses the two film theory and the heat and mass transfer coefficients to determine the flux at the interface (Integral NEQ model). For the optimization purposes, the Integral NEQ model is a good trade off between the complexity of the Differential NEQ model and the Equilibrium model.
Abstract FR:
Nous proposons, comme objectifs dans cette thèse, de résoudre le problème de conception optimale de la distillation catalytique, en nous basant sur une formulation MINLP du problème d'optimisation et un modèle de transfert intégral (modèle de non équilibre). L'utilisation de ce modèle de non équilibre, pour l'optimisation de la colonne, présente deux avantages majeurs : i) la notion d'efficacité de plateau n'apparaît plus ii) les dimensions des internes de la colonne (hauteur, longueur de déversoir. . . ) interviennent dans le modèle et peuvent donc être optimisées. Les contraintes relatives à l'hydrodynamique de la colonne (engorgement, pleurage, perte de charge, entraînement) sont également prises en compte. Le modèle, dans notre cas, fait apparaître deux types de sections : i) des sections de séparation pure, sans réaction ; partant du modèle hydrodynamique du double film, le transfert de matière est décrit dans chaque phase grâce aux coefficients de transfert ii) des sections purement réactives ; la réaction a lieu en phase liquide et est modélisée par une cinétique globale de type Langmuir–Hinshelwood. Ce découplage (section de séparation / section réactive), retenu pour décrire au mieux le pilote installé au LaTEP, permet, de plus, l'utilisation des coefficients de transfert obtenus pour les systèmes non réactifs. Le choix de la stratégie de résolution (gestion des variables et des contraintes d'optimisation) et des différents algorithmes utilisés est cependant un point critique. Nous proposons une stratégie pour l'optimisation globale, qui combine, sur deux niveaux, le Recuit Simulé (RS) et la Programmation Quadratique Successive (SQP).