Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Progiciels génériques pour le calcul des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phase des corps purs et des mélanges

Progiciels génériques pour le calcul des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phase des corps purs et des mélanges

De très nombreux progiciels existent pour calculer des propriétés thermodynamiques et des équilibres entre phases. Ils diffèrent par les modèles thermodynamiques disponibles, leurs bases de données, leurs interfaces, leurs conditions d'accès…

Nous recommandons à ceux qui ne sont pas familiers avec ces notions de commencer par lire la page sur la Méthodologie du calcul des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phase des corps purs et des mélanges.

Nous présentons ci-dessous quatre progiciels génériques disponibles en langue française.

Nous vous suggérons aussi de consulter l'excellent module de formation à distance sur les propriétés des mélanges de fluides préparé par notre collègue J. Schwartzentruber et ses collègues de l'Ecole des Mines d'Albi, qui comporte aussi une partie spécifique consacrée à l'étude des distillations .

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ProPhy Plus est un progiciel payant de calcul de propriétés thermodynamiques et d'équilibres entre phases développé et diffusé par la société ProSim. Plusieurs bases de données de propriétés de corps purs sont accessibles : la base standard (plus de 1600 constituants), la base DIPPR (Design Institute for Physical Properties Data) et l’utilisateur peut créer et gérer ses propres bases de données privées.

Un assistant thermodynamique aide l'utilisateur à trouver le modèle adapté au système étudié. De nombreux modèles thermodynamiques sont disponibles, permettant de couvrir un très large domaine d’applications :

  • des modèles basés sur l’utilisation d’une équation d’état applicable à toute la zone fluide, telle que Soave-Redlich-Kwong, Peng Robinson ou Lee-Kesler Plöcker et incluant des règles de mélange classiques ou complexes (MHV1, MHV2, …). Ces modèles sont généralement utilisés dans les domaines du raffinage, de la pétrochimie ou du traitement de gaz .

  • des modèles, largement utilisés dans l’industrie chimique, basés sur le calcul de coefficients d’activité, tels que WILSON, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC, pour rendre compte de la non idéalité de la phase liquide.

  • des modèles spécifiques sont également disponibles notamment pour les solutions électrolytiques.

Les calculs des propriétés thermodynamiques (masse volumique, enthalpie, entropie, …) et des équilibres entre phases liquide-vapeur, liquide-liquide et liquide-liquide-vapeur (points de bulle et de rosée, flashes isotherme, adiabatique, isentropique, …) des corps purs et des mélanges peuvent être effectués pour un état du système, défini par exemple par sa température, sa pression et sa composition, ou sur des intervalles de variation des variables d’état.

A titre d’illustration, la figure ci-dessous montre le tracé par ProPhy Plus des courbes de bulle et de rosée d'un mélange présentant un azéotrope.

Différents écrans de ProPhy Plus

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BibPhy Add-In ™ est une macro payante pour Microsoft Excel™ permettant d'effectuer des calculs de propriétés thermodynamiques et d'équilibres entre phases.

Toutes les fonctionnalités de ProPhy Plus décrites ci-dessus sont ainsi accessibles dans une feuille Excel par simple utilisation de fonctions complémentaires. La figure ci-dessous  illustre l'insertion de BibPhy Add-In dans une feuille de calcul d'Excel.

Résultat de BibPhy Add-In

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DiagSim est un progiciel payant (Jean-Noel.Jaubert@ensic.inpl-nancy.fr ) pouvant prédire toutes les propriétés d'un corps pur et tous les diagrammes de phases, à partir d’une équation d’état cubique avec correction volumique (Peng-Robinson, Redlich-Kwong-Soave, équation optimale de Schmidt et Wenzel), garantissant une très bonne restitution des équilibres liquide-vapeur et un calcul fiable des propriétés volumiques.

DiagSim est livré avec une banque de données incluant pour plus de 800 composés usuels (hydrocarbures saturés, insaturés, composés halo-génés, oxygénés, inorganiques,...) les paramètres critiques, le facteur acentrique et la capacité calorifique isobare du gaz parfait, permettant de résoudre l'équation d'état.

Voici le diagramme (h, log P) de l'ammoniac tracé par DiagSim.

Diagramme de l'ammoniac dans DiagSim

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TEP ThermoSoft est un progiciel développé par le laboratoire de Thermodynamique et d'Equilibre de Phases (TEP) de l'Ecole des Mines de Paris.

Au même titre que PE 2000, de nombreux modèles permettent de calculer les propriétés thermodynamiques d’équilibre de phases, d’un corps pur ou d’un mélange. Ces modèles s’appuient sur des paramètres qui proviennent soit de la base de données interne, soit d’un ajustement par l’utilisateur, sur des données expérimentales avec possibilité de visualiser les graphes d’écart. Un outil graphique a été spécialement développé pour une comparaison visuelle, aisée, des jeux de données, ceci en vue de leur sélection pour un éventuel ajustement de paramètres.

La diversité des modèles proposés associés à plusieurs règles de mélanges, sous une approche phi-phi, permet le calcul des enveloppes PT (points de bulle et de rosée – cf. figure ci-dessous), et de divers types d’équilibres (liquide-vapeur, liquide-liquide, liquide-liquide-vapeur…) pouvant éventuellement présenter des azéotropes et plusieurs points critiques.

Enveloppe PT d'un gaz naturel pour différents taux de vaporisation

Le comportement d’un système peut s’appréhender du point de vue de différentes propriétés thermodynamiques. Aussi, TEP ThermoSoft inclut le calcul des propriétés d’excès (enthalpie, entropie, volume, capacités calorifiques) et des propriétés énergétiques (enthalpie, enthalpie libre, entropie, …). En effet, l’étude du GE ou HE (cf. figure ci-dessous) se révèle très utile pour analyser la cohérence des données expérimentales.

HE en fonction de la composition pour le système R290 (Propane) - R227ea (1,1,1,2,3,3,3 Heptafluoropropane) à trois températures (293.16, 303.14 et 313.14 K)

La version 2004 de ce progiciel inclut l’approche de calcul gamma-phi. et permet à un utilisateur d’ajouter ses propres modèles thermodynamiques. Une version "enseignement" est disponible gratuitement pour la communauté académique.

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TEP Lib est la librairie de calcul des propriétés thermodynamiques du Laboratoire de Thermodynamique des Equilibres de Phase de l'Ecole des Mines de Paris (Mines Paristech).

Pour l'essentiel, il s'agit de la traduction sous Java par R. Gicquel et B. Liu des bibliothèques de TEP ThermoSoft initialement développées sous Delphi. Cette traduction a bénéficié du support financier d'EDF que nous remercions pour avoir accepté qu'elles soient rendues publiques.

Couplée à Thermoptim 2.5, elle permet de calculer les propriétés de mélanges de fluides réels, ce que le progiciel ne peut faire lui-même.

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Mentionnons enfin pour mémoire, bien qu'ils sortent du champ de cet article, des progiciels généraux très puissants mais coûteux qui permettent de concevoir et d'analyser le fonctionnement des procédés chimiques. Ces simulateurs de procédés en régime permanent ont pour objectifs majeurs de :

  • résoudre les équations de bilans matière et énergie pour l'ensemble des appareils du procédé ;

  • calculer les caractéristiques (débit, composition, température, pression, propriétés physiques) pour tous les fluides qui circulent entre et dans les appareils ;

  • fournir les éléments nécessaires au dimensionnement des équipements.

Parmi les plus connus, citons :

Enfin, DDBSP est un progiciel diffusé par la société Dortmund Data Bank Software and Separation Technology, qui fournit les propriétés thermodynamiques et de transport des composants et des mélanges purs pour la conception et le développement de procédés, ainsi que des programmes spéciaux pour la corrélation de données, l'évaluation et la synthèse de procédés. Presque toutes les données mondiales existantes et plus de 3000 données des mélanges contenant des liquides ioniques sont disponibles.

copyright R. Gicquel v2019.4

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