Brevet FR2801225A1 — publié le 20010525

La présente invention concerne un procédé pour déterminer par simulation les conditions optimales de stabilisation d'un système de séparation à lit mobile simulé permettant d'atteindre rapidement des valeurs de consigne fixées pour la pureté d'un constituant extrait et pour le rendement de l'installation. La méthode s'applique notamment à la séparation des hydrocarbures aromatiques ou des isomères optiques. Il existe dans l'industrie de nombreux procédés de séparation continue par adsorption sélective d'au moins un composant parmi plusieurs au sein d'un mélange de fluides, notamment des procédés de chromatographie où l'on utilise la propriété de certains solides poreux, en présence de mélanges liquides, gazeux ou supercritiques, de retenir plus ou moins fortement les différents constituants du mélange. Les procédés de séparation ou fractionnement basés sur la chromatographie sont le plus souvent mis en #uvre dans un dispositif comportant (Fig.l) un ensemble de k colonnes ou tronçons de colonnes chromatographiques montées en séries (en général, 4 # k # 24) formant une boucle ouverte ou fermée. Un solide poreux, de granulométrie déterminée, réparti en différents lits, constitue la phase stationnaire. Le long de cette boucle, sont répartis des points d'injection pour le mélange à séparer F comprenant au moins deux constituants A, B et le solvant ou désorbant, et des points de soutirage de fluides délimitant le plus souvenl quatre zones Zl, Z2, Z3, Z4, le constituant préférentiellement recherché se trouvant en majorité soit dans l'extrait (Ex) soit dans le raffinat (Raf). Toutes les colonnes ou fractions de colonne d'une même zone sont traversées par un débit liquide identique. Dans un procédé à contre courant réel, un profil des concentrations fixe et constant se développe le long d'une colonne 1 de séparation (Fig.l), où la position des points d'injection d'une charge A+B, d'un éluant S, et de soutirage d'un extrait Ex et d'un raffinat Raf reste fixe. Le solide adsorbant 3 et le liquide 2 se déplacent à contre courant. Un système d'entraînement du solide et une pompe P de recyclage, placés tous les deux à l'emplacement de la colonne (à la jonction des zones Zl et Z4 où la seule espèce présente tant dans le liquide que dans le solide est le fluide vecteur d'élution), permettent de renvoyer respectivement le solide de la base vers le sommet, et le liquide inversement du sommet vers la base. Les procédés dits à contre-courant simulé (CCS) ou à lit mobile simulé (LMS) permettent on le sait, d'échapper à une difficulté majeure inhérente aux procédés à lit mobile vrai, celle de faire correctement circuler la phase solide sans créer d'attrition et sans augmenter considérablement la porosité de lit par rapport à celle d'un lit fixe. Pour simuler son déplacement, le solide est disposé dans un certain nombre n de lits fixes disposés en série et c'est le profil des concentrations que l'on déplace à vitesse sensiblement uniforme tout autour d'une boucle ouverte ou fermée, en déplaçant les points d'injection et de soutirage. En pratique, le décalage successif de ces points d'injection et de soutirage se fait à l'aide d'une vanne rotative ou plus finement d'un ensemble de vannes tout ou rien convenablement commandées. Ce décalage circulaire, effectué à chaque période, des différents débits liquides d'entrée-sortie dans un sens donné, revient à simuler un déplacement de l'adsorbant solide dans l'autre sens. Les principaux débits liquides d'entrée sont les suivants : le débit de charge QF et le débit d'éluant QEl. Les débits de sortie sont le débitd'extrait et le débit de raffinat. L'un au moins de ces flux (raffinat, éluant, extrait) est prélevé ou introduit sous contrôle de pression. Le débit de raffinat QRaf est égal à la somme des débits d'entrée QF et El moins le débit d'extrait QEx. A ces débits contrôlés s'ajoute un débit de recyclage QRec. Les emplacements respectifs des quatre flux autour des lits, définissent ainsi quatre zones distinctes. Parmi les procédés connus, on peut citer le procédé EluxylTM décrit notamment dans les brevets suivants: EP 415. 822 (US 5,114,590) ou FR 2. 762.793 (US 5,902,486). La détermination des paramètres nécessaires au fonctionnement d'une boucle de séparation est difficile car les variables intervenant dans le processus sont nombreuses. Pour une concentration d'alimentation donnée, on peut trouver ces débits de manière empirique mais la solution optimale se trouve dans une zone restreinte d'un espace à quatre dimensions (trois débits liquides et soit le débit de solide dans le cas d'un lit mobile vrai, soit la période de permutation T dans le cas d'un lit mobile simulé, le débit de raffinat se déduisant des autres débits), qui ne peut être atteinte par tâtonnements qu'après un temps considérable, sans que l'on soit certain d'être au point optimal. Afin de trouver les conditions optimales pour piloter ou dimensionner un système de séparation à lit mobile vrai (LMV) ou simulés (LMS), il est bien préférable de trouver un modèle représentatif du processus de séparation, prenant en compte les phénomènes d'adsorption, le transfert de matière et les propriétés de l'écoulement du fluide à travers la phase solide poreuse et de remplacer l'approche empirique lourde par des simulations. Cette voie d'approche par simulation peut cependant se révéler tout aussi lourde si elle n'est pas bien conduite. En général on optimise les procédés selon une optimisation statique, par la technique connue d'essai et erreur. On part d'un jeu de données, (des débits par exemple) choisi a priori. On fait une simulation jusqu'à obtenir un régime stabilisé (d'où le terme statique), et l'on enregistre les performances obtenues. Après une légère modification d'une donnée d'entrée, on refait une simulation pour mesurer la sensibilité des performances à cette modification. On itère sur toutes les données pour déterminer pareillement leurs influences respectives sur l'évolution des performances. On modifie alors les données d'entrée dans le sens d'une amélioration des performances. Il existe de nombreuses stratégies pour conduire le calcul des sensibilités et déterminer la façon de modifier les données. Mais toutes présentent plus ou moins les mêmes inconvénients. Elles nécessitent de nombreuses simulations, donc un temps de calcul non négligeable. Elles sont aveugles et ne tirent pas profit d'une connaissance que l'on pourrait avoir a priori. Elles trouvent une solution si elles sont initialisées près de cette solution mais divergent la plupart du temps si elles sont initialisées trop loin de la solution recherchée. De plus, elles peuvent tomber dans un minimum local et n'en plus sortir. Le procédé selon l'invention Le procédé selon l'invention s'applique à un système de séparation du type à lit mobile simulé (LMS) comprenant une série de lits contenant de la matière solide adsorbante, répartis en plusieurs zones délimitées par des points d'injection d'une charge et d'un éluant et des points de soutirage d'un extrait et d'un raffinat, des moyens d'injection de fluides, des moyens d'extraction de fluides, des moyens de permutation des points d'injection et des points d'extraction, et des moyens de mesure de variables opératoires. Le procédé permet de déterminer rapidement les débits de fluides injectés et les débits de fluides soutirés optimaux pour obtenir un degré de pureté (P) et un rendement d'extraction (R) fixés pour au moins un constituant dans l'extrait (Ex). Il comporte une simulation unique de type dynamique avec une succession d'étapes de rectification des débits de fluides à intervalles de temps de durée limitée, comprenant chacune, à l'issue de chaque intervalle de temps (T) : - une comparaison des degrés de pureté et des rendements respectifs obtenus résultant de situations issues d'étapes de simulation sur un intervalle de temps déterminé (#t) où des rectifications sont appliquées à au moins un débit avec ceux d'une situation de référence issue d'une étape de simulation sans rectification de débit, sur le même intervalle de temps ; - une sélection des rectifications de débit minimisant la quantité d'impuretés convergeant vers le point de soutirage de l'extrait, tant que le degré de pureté fixé n'est pas atteint ; et - une sélection des rectifications de débit minimisant la quantité du dit constituant convergeant vers le point de soutirage du raffinat, tant que le rendement fixé n'est pas atteint. Le procédé peut comporter en outre une maximisation du degré de pureté ou du rendement quand ces deux paramètres dépassent simultanément les valeurs fixées. Selon un premier mode de mise en #uvre, à l'issue de chacune des étapes, on compare à la situation de référence, une première situation où l'on modifie le débit de recyclage et une deuxième situation où l'on modifie le débit de l'extrait. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, à l'issue de chacune des étapes, on compare à la situation de référence, une première situation où l'on modifie de la même quantité le débit de recyclage et le débit d'extrait et une deuxième situation où l'on diminue le débit de l'extrait tout en gardant constant le débit de recyclage. Le procédé comporte par exemple une détermination du flux net d'impuretés Fp passant dans l'extrait venant des deux zones de part et d'autre du point de soutirage de l'extrait ainsi que le flux net FR du dit constituant passant dans le raffinat venant des deux zones de part et d'autre du point de soutirage du raffinat, à partir de flux mesurés dans chacune des quatre zones. Au lieu d'une multitude de cycles statiques d'optimisation que l'on conduit jusqu'à leur terme à partir d'un jeu initial de modifications de débits, on réalise un seul cycle mais en sollicitant l'optimiseur à des intervalles rapprochés. Par des comparaisons effectuées à chaque pas de temps du cycle, il peut déterminer la combinaison optimale de valeurs de débit la plus appropriée pour atteindre les objectifs de pureté et de rendement. Ainsi, en procédant par retouches successives appliquées à intervalles de temps réduits à l'optimiseur, on obtient rapidement une stabilisation du fonctionnement, bien plus rapide qu'en simulant un cycle complet de stabilisation du système de séparation. Présentation des Figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où : - la Fig.l montre schématiquement un système de séparation de type à lit mobile vrai (LMV) ; - la Fig. 2 schématise le cas général où, à un instant t de l'optimisation dynamique opérée suivant le procédé selon l'invention, on compare n situations différentes issues de simulations effectuées sur un intervalle de temps de durée (#t) résultant de modifications apportées ou non à des débits à optimiser ; - la Fig. 3 schématise un cas particulier où, à un instant t de l'optimisation dynamique opérée suivant le procédé selon l'invention, on compare trois situations différentes résultant de simulations effectuées sur un intervalle de temps de durée (#t), consécutives à des modifications apportées à deux débits ; - la Fig.4 est une variante de la Fig.3 schématisant un autre cas où on compare trois situations différentes issues de simulations effectuées consécutives à des modifications combinées de débits ; - la Fig.5 montre un exemple de profils de séparation obtenus par application du procédé, en fonction de la position des lits de la boucle de séparation ; - la Fig. 6 montre un exemple de variations parallèles en fonction du temps du débit de recyclage QRcc et du débit d'extrait QEx, rapportés au débit de charge QF ; et - les Fig. 7A, 7B montrent respectivement des variations locales respectivement de la pureté P(t) et du rendement R (t) durantla simulation. Description détaillée On considère une boucle de séparation 1 comme celle schématisée à la Fig.l où il s'agit par exemple d'isoler un extrait tel que du paraxylène Px dans une charge F contenant en outre des polluants tels que de l'orthoxylène Ox, du métaxylène Mx et de l'éthylbenzène Eb. Pour simuler le fonctionnement de la boucle, on utilise un modèle d'un type connu avec résolution d'équations classiques de simulation par des moyens de calcul conventionnels et des moyens d'optimisation ou optimiseur pour mettre en #uvre les étapes de sélection selon le procédé. Comme modèle, on peut utiliser par exemple un de ceux décrits par : - Hassan M. M. et al ; Modelling of Simulated Moving Bed Adsorption System : a More Precise Approach in Séparations Technology 5 (1995) 77-89, Elsevier ; ou - Storti, G. et al ; Optimal Design of Multicomponent Countercurrent Adsorption Separation Processes involving Nonlinear Equilibria ; in Chemical Engineering Science, vol.44 N 6 pp.1329-1345, (1989) ; ou - Ching, C. B. et al Expérimental and Modelling Studies on the Transient Behavior of a Simulated Countercurrent Adsorber in Journal of Chemical Engineering of Japan ; vol.24 N 5 pp.614-621, (1991) ; ou - Rhee, H-K et al : Multicomponent Adsorption in Continuous Countercurrent Exchangers vo1.269 A. 1194, (1971). Une observation simple permet de constater que la pureté est augmentée si on réduit la quantité de polluants (Mx, Ox et Eb) qui converge vers l'extrait Ex, soit par l'amont (depuis la zone Z2), soit par l'aval, depuis la zone Zl. De même, le rendement sera augmenté si l'on réduit la quantité de Px arrivant dans le raffinat Raf par l'aval (zone Z3) ou par l'amont (zone Z4). Il convient de savoir si l'impureté dans l'extrait vient de l'amont, auquel cas il faut augmenter le débit des zones Z2 et Z3, ou de l'aval, auquel cas il faut diminuer le débit des zones Zl et Z4. Le problème est identique pour le paraxylène Px dans le raffinat Raf qui influence le rendement. Dans cet exemple, les débits dans les zones Z2 et Z3 sont liés car le débit de la charge F injectée entre elles (imposé par l'opérateur) n'est pas modifié. De même, comme on suppose que le ratio débit de solvant S, débit de charge F est fixé par des considérations d'ordre économique, ce qui impose un certain débit d'éluant S, il s'ensuit que les débits dans les zones Zl et Z2 sont également liés. Le principe à la base du procédé, est de réaliser une optimisation dynamique. Au lieu d'effectuer plusieurs simulations successives où l'optimiseur chargé de réaliser les simulations en partant d'un jeu de données d'entrée, conduit à chaque fois les calculs de simulation jusqu'à leur terme (optimisation statique), on n'effectue plus qu'une seule simulation mais en sollicitant l'optimiseur par étapes à intervalles de temps réguliers (T) et ceci tout au long de l'optimisation. On considère le cas général où il y a n débits à optimiser. Partant d'une situation initiale quelconque Si(t) à un instant t (Fig.2), on poursuit la simulation dynamique sans aucune modification des débits sur une durée suffisante #t (#t= 500s par exemple). On obtient une nouvelle situation So (t + r) , l'indice 0 signifiant que les débits n'ont pas été changés. On repart ensuite de la même situation initiale Si(t) et l'on simule l'évolution de la boucle sur la même durée #t en ayant sensiblement modifié la valeur d'un des débits à optimiser. On parvient à une situation 51 (t + Ót). En modifiant de même un deuxième débit à optimiser, on aboutit à une situation 52 (t + At). La même opération est répétée pour chacun des n débits à optimiser et l'on obtient finalement n situations différentes Sl(t+#t), avec 1 A partir de ces débits réactualisés et en repartant du même instant inital t, l'opération de simulation précédente est itérée de la même façon, avec comparaison entre la nouvelle situation initiale réactualisée et n autres situations obtenues en modifiant différents débits, à l'issue d'un intervalle de temps T de préférence plus long que l'intervalle Atprécédent, de façon à ne pas trop ralentir la simulation. On choisit par exemple #t = 500 s et T= 2000 s. Dans le cas particulier illustré à la Fig. 3, on est amené à comparer à l'instant (t+#t), trois situations So, SI et S2 correspondant respectivement aux cas où aucun débit n'est changé, où seul le débit d'extrait QEx est modifié et où seul le débit de recyclage QRec a été modifié. L'optimiseur détermine, à l'issue de chaque intervalle de temps, s'il convient d'augmenter ou de réduire chacun de ces débits pour par exemple soit le débit de recyclage QRec. mesuré en zone Zl soit le débit d'extrait QEx. Au lieu de modifier les débits d'extrait QEx et de recyclage QRec, il est également possible (Fig.4) de modifier les débits des zones Zl et Z4 et les débits des zones Z2 et Z3, séparément. Pour modifier les débits des seules zones Zl et Z4, on augmente les débits d'extrait QEx et de recyclage QRec de la même quantité. Pour modifier les débits dans les seules zones Z2 et Z3, on diminue le débit d'extrait QEx et on garde constant le débit de recyclage QRec. L'objectif suivant est de comparer ces situations So, Si et S2 pour déterminer quelles modifications de débit il convient de faire et dans quel sens les modifier. En fait, on compare l'écart entre la solution So, où rien ne change et les deux autres solutions : augmentation du recyclage SI ou augmentation de l'extrait S2. sachant que, de toute façon, les débits d'extraits et de raffinat sont modifiés. Si l'objectif de pureté n'est pas atteint, on choisit la variation de chacun des deux débits qui minimise la quantité d'impuretés qui converge vers l'extrait (flux Fp). Si l'objectif de rendement n'est pas atteint, on choisit la variation de chacun des deux débits qui minimise la quantité du Px (paraxylène) qui converge vers le raffinat Raf (flux FR). Si les deux sont satisfaits, on choisit d'en maximiser un seul (pureté en stand-alone ou rendement en mode hybride). Si aucun de ces objectifs n'est satisfait, on choisit la combinaison qui permet de réduire le flux net d'impuretés Fp et aussi de réduire le flux net FR Il faut donc calculer le flux net d'impuretés dans chacune des deux zones Zl et Z2. La somme de ces flux est le flux qui passe dans l'extrait Ex. Il faut aussi calculer le flux net de paraxylène Px provenant de la zone Z3 et celui provenant de la zone Z4 qui passent dans le raffinat Raf. Le choix entre les diverses situations est facilité si l'on définit deux fonctions d'erreur qui sont les deux flux que l'on cherchera à minimiser. Ces fonctions d'erreur mesurent respectivement : - la quantité d'impureté (ImpEx) produite dans l'extrait provenant de la zone Zlplus la quantité d'impureté (ImpEx) produite dans l'extrait provenant de la zone Z2 ; -la quantité de paraxylène (PxRaf) dans le raffinat provenant de la zone Z3 plus la quantité de paraxylène (PxRaf) dans le raffinat provenant de la zone Z4. Le problème est que ces calculs de flux ne peuvent pas être fait simplement dans le cas d'un procédé à contre courant simulé (CCS) où les points d'injection et de soutirage se déplacent périodiquement. Il faut donc remplacer ce procédé (CCS) par un procédé (CCR) à contre-courant réel, en considérant que le profil de concentration obtenu est celui d'un procédé (CCR). On calcule les flux nets d'impuretés et de paraxylène Px en un point proche de l'extrait et du raffinat pour chacune des quatre zones, en sommant le débit convectif de fluide, le débit convectif adsorbé (lié à la porosité des lits) et le débit diffusif de fluide (lié au gradient de la concentration). L'optimiseur ne donne que le sens de variation de chacun d'eux. Aussi, en début de simulation, on applique de préférence des variations importantes de quelques % à chaque nouvelle sollicitation de l'optimiseur, ceci afin d'arriver rapidement à un réglage grossier. Et puis, au fur et à mesure que progresse la simulation, on réduit l'amplitude de ces variations de façon à converger vers une situation où chacun des débits ne variera quasiment plus, comme on peut l'observer sur la Fig.6. Exemple On comprendra mieux l'intérêt du procédé selon l'invention en considérant l'exemple suivant. On suppose une unité de séparation composée de 24 lits. Le solvant El est injecté en tête du lit 1, l'extrait Ex est soutiré en tête du lit 5, la charge F est injectée en tête du lit 16 et le raffinat Raf est soutiré en tête du lit 22. Ces positions d'injection ou d'extraction délimitent les quatre zones, Zl, Z2, Z3 et Z4. La Fig.5 présente les profils de concentration en paraxylène (Px), méta et orthoxylènes (Mox) et en ethylbenzène (Eb). Les débits optimisés sont les débits de recyclage QRec (calculé en zone Z1) et d'extrait QEx. Les débits de charge QF et d'éluant QEl sont imposés, celui de raffinat QRaf se déduit en faisant le bilan matière. On remarque sur la Fig.5 que l'optimiseur a permis d'obtenir un réglage des débits tel que la séparation du Px et du Mox est effective. On voit que la quantité de Mox (Mx et Ox) et de Eb qui passe dans l'extrait du lit 5 est presque nulle. De même la quantité de Px qui passe dans le raffinat du lit 22 est faible. Pour cela, l'optimiseur a modifié le débit d'extrait et de recyclage en zone Zl (Fig. 6). Les Fig.7A, 7B montrent les évolutions parallèles obtenues au cours d'une optimisation, de la pureté (Fig.7A) et du rendement R (Fig.7B). La valeur de consigne de la pureté est Pc=0. 9975 et celle du rendement Rc, de 0. 95. On voit que la valeur moyenne du rendement R est en accord avec la valeur de consigne Rc alors que la pureté P a pu être maximisée (0. 9976), au delà de la valeur de consigne Pc. Le procédé a été décrit en relation avec une boucle de séparation comportant classiquement quatre zones. Il est bien clair cependant qu'il peut s'appliquer à une boucle comportant un nombre différent de zones. REVENDICATIONS 1) Procédé de simulation applicable à un système de séparation à lit mobile simulé des constituants d'un mélange comprenant un ensemble de lits contenant de la matière solide adsorbante, répartis en plusieurs zones (Z1à Z4) délimitées par des points d'injection d'une charge (F) et d'un éluant (El) et des points de soutirage d'un extrait (Ex. ) et d'un raffinat (Raf. ), des moyens d'injection de fluides, des moyens d'extraction de fluides, des moyens de permutation des points d'injection et des points d'extraction, et des moyens de mesure de variables opératoires, permettant de déterminer les débits de fluides injectés et les débits de fluides soutirés optimaux pour obtenir un degré de pureté (P) et un rendement d'extraction (R) fixés pour au moins un constituant dans l'extrait (Ex), caractérisé en ce qu'il comporte une simulation unique avec une succession d'étapes de rectification des débits de fluides à intervalles de temps de durée limitée (T) comprenant chacune, à l'issue de chaque intervalle de temps : - une comparaison des degrés de pureté (P) et des rendements (R) respectifs obtenus dans des situations à l'issue d'étapes de simulation (S1(t+#t)) sur un intervalle de temps déterminé ( Or ) où des rectifications sont appliquées à au moins un débit avec ceux obtenus dans une situation de référence (S0(t+#t)) à l'issue d'une étape de simulation sans rectification de débit, sur le même intervalle de temps ; - une sélection des rectifications de débit minimisant la quantité d'impuretés convergeant vers le point de soutirage de l'extrait, tant que le degré de pureté fixé n'est pas atteint ; et - une sélection des rectifications de débit minimisant la quantité du dit constituant convergeant vers le point de soutirage du raffinat (Raf. ), tant que le rendement fixé n'est pas atteint. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une optimisation du degré de pureté (P) et du rendement (R) quand ces deux paramètres dépassent simultanément les valeurs fixées (P0, Ro). 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'issue de chacune des étapes, on compare à la situation de référence (So (t + #t)), une première situation où l'on modifie le débit de recyclage (QRec.) et une deuxième situation où l'on modifie le débit de l'extrait (Qex)- 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'issue de chacune des étapes, on compare à la situation de référence (S0(t+#t), une première situation où l'on modifie de la même quantité le débit de recyclage (QRec.) et le débit d'extrait (QEx) et une deuxième situation où l'on diminue le débit de l'extrait (QEx) tout en gardant constant le débit de recyclage (QRec). 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on détermine le flux net d'impuretés passant dans l'extrait venant des deux zones (Zl, Z2) de part et d'autre du point de soutirage de l'extrait ainsi que le flux net du dit constituant passant dans le raffinat venant des deux zones de part et d'autre du point de soutirage du raffinat, à partir de flux mesurés dans chacune des quatre zones. (Zlà Z4). 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on détermine les dits flux nets en considérant que le profil de concentration obtenu est celui que l'on obtiendrait avec un système de séparation à contrecourant réel (CCR). 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on modifie le débit d'un autre flux que l'on cherche à minimiser. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on modifie le flux d'éluant.