CHAPITRE IV

Pompe, Compresseur et Détendeur

Ce chapitre commence par un problème de trouver quelques paramétras de fonctionnement de trois

opérations unitaires, qui sont, le pompage des liquides, la compression et la détente des gaz.

A la fin de ce chapitre, l’utilisateur sera en mesure de :

- Fonctionner avec HYSYS des opérations de pompage d’un liquide, de compression et de

détente d’un gaz,
- Connecter des courants de matières aux opérations unitaires,
- Déterminer quelques paramètres de fonctionnement des opérations unitaires étudiées.

1. Pompe
La pompe est utilisée pour augmenter la pression d’un liquide. Selon les informations spécifiées,
HYSYS calcule soit une pression inconnue, soit une température inconnue ou l’efficacité de la pompe.

Problème : De l’eau à 120 °C et 3 bars alimente une pompe d’efficacité de 10 % avec un flux molaire
de 100 kmole/h. On désire augmenter la pression à 84 bars. On utilisant l’équation de PR comme un
Fluid Package, déterminer la température de l’eau à la sortie de la pompe.

Etapes à suivre

- Lancer HYSYS,
- Créer une nouvelle simulation « New Case »,
- Définir la base de simulation « Simulation basis Manager » :
Components : eau
Fluid Package Peng-Robinson (PR)
- Installer deux courants de matiètre (material stream) avec les spécifications suivantes :
Courant d’entrée: Nom : Feed, Temperature 120 °C, Pressure 3 bars, composition
H2O-100%, Molar flow 100 kgmole/h.
Courant de sortie: Nom : Outlet, Pression 84 bars,
- Installer une pompe à partir de la palette des objets Fig.IV.1,
- Connecter la pompe aux courants de matières, comme suit :
Double cliques sur la pompe P-100, cela ouvrira la fenêtre de la Fig. IV.2.
- Dans inlet, faites défiler vers le bas pour sélectionner Feed et Outlet dans Outlet comme
indiqué sur Fig.IV.3,
- Créer un courant d’énergie pour la pompe, comme suit :
Cliquer sur l’espace de Energy et taper Work comme indiqué sur la figure Fig.IV.4.
- Spécifier l’efficacité de la pompe :
L'efficacité de la pompe est par défaut 75%. Pour changer l’efficacité, procéder comme suit :
Design | ParametersFig.IV.5 | Dans la case Adiabatic efficiency Changer 75% par 10 %,
- Après avoir changé l’efficacité, cliquer sur l’onglé Worksheet pour visualiser les résultats
comme le montre la Fig. 6.

- 20 -
 Fig.IV.1

Fig.IV.2

Fig.IV.3

- 21 -
 Fig.IV.4

Fig.IV.5

Fig.IV.6

- 22 -
 Quelle est la température de l’eau à la sortie de la pompe?
Réponse :

2. Compresseur
Le compresseur est utilisé pour augmenter la pression d’un gaz. Selon les informations spécifiées,
HYSYS calcule soit une propriété du courant (température ou pression) soit l’efficacité de
compression.

Exemple d’application : Un mélange de gaz (33%-C1, 14,3%-C2, 10,1%-C3, 9,8%-i-C4, 5,9%-n-C5,

6,9%-i-C6, 7,8%-n-C6, 4,2%-C7+) à 100 °C et 1 bar entre un compresseur d’efficacité de 30 % avec un
flux molaire de 100 kmole/h et sort avec une pression de 5 bars. On utilisant l’équation de PR comme
un Fluid Package, déterminer la température du gaz à la sortie du compresseur.

Dans le cas d’un compresseur, les mêmes étapes que celles d’une pompe sont à suivre pour simuler
l’opération de compression sauf qu’il y a une étape supplémentaire concernant la création d’un
nouveau composé, C 7+, qui n’existe pas dans la bibliothèque de composés. Ce composé doit être
défini en tant que composé Hypothétique (Hypothetical), comme suit :

- Après avoir entré les composés C1 à n-C6 à la liste des composés (Fig. IV.7.), cliquer sur
l’icone Hypothetical pour ajouter le C7 +.
- Cliquer sur Quick Creat a Hypo component, cela affichera la fenêtre de la Fig. 8,
- Cliquer sur l’anglet ID puis entrer le nom de composé (voir Fig. 8),
- Sélectionner l’onglet Critical. Cela affichra la Figure 9. La seule propriété qu’on sait
concernant C7+ est le point d’ébullition normal (Normal Boiling Pt), 110°C. Entrer cette
température et puis cliquer sur Estimate Unknown Props, pour estimer les toutes autres
propriétés de C7+.
- Cliquer sur Edit Properties pour ajouter ce composé à la liste des composés. Cela affichera
la Fig. 10.
- Sélectionner le Fluid Package et puis continuer les autres étapes.

Fig.IV.7

- 23 -
MEROUANI S., 2014

Fig.IV.8

Fig.IV.9

Fig.IV.10

- 24 -
 Quelle est la température du gaz à la sortie du compressuer?
Réponse :

3. Détendeur (Expander)
L’expander est utilisé pour diminue la pression d’un gaz (opération inverse de la compression). Selon
les informations spécifiées, HYSYS calcule soit une propriété de courant soit l’efficacité d’expansion.
Le calcul d’un expander est effectue de la même façon que celui d’un compresseur.

Exemple d’application : Un mélange de gaz naturel (50%-C1, 30%-C2, 20%-C3) à 25 °C et 20 bars

entre un expander d’efficacité de 30 % avec un flux molaire de 100 kmole/h et sort avec une pression
de 5 bars. On utilisant l’équation de PR comme un Fluid Package, déterminer la température du gaz à
la sortie de l’expander.

Quelle est la température du gaz à la sortie de l’expander?

Réponse :

- 25 -
- 25 -
 CHAPITRE V
Echangeur de chaleur & Séparateur flash

Ce chapitre commence par un problème de trouver quelques paramétras de fonctionnement de deux

opérations unitaires, qui sont, l’échangeur de chaleur et le séparateur flash.

A la fin de ce chapitre, l’utilisateur sera en mesure de :

- Opérer avec HYSYS un échangeur de chaleur et un séparateur afin de modéliser les

processus de transfert de chaleur et de séparation de phases.

1. Echangeur de chaleur
Exemple d’application : Une eau chaude à 250 °C et 1000 psig est utilisée pour chauffer une eau
froide dans un échangeur à faisceau et calendre. La température et la pression de l’eau froide
entrante est 25 °C et 130 psig, respectivement. Les températures de l’eau chaude et de l’eau froide à
la sortie sont 150 °C et 190 °C, respectivement. Si le flux du courant chaud est 100 kmole/h,
déterminer le flux du courant froid traversant l’échangeur et quelle est la quantité de chaleur transférée
entre les deux fluides?

Etapes à suivre

- Lancer HYSYS,
- Créer une nouvelle simulation « New Case »,
- Définir la base de simulation « Simulation basis Manager » :
Components : eau
Fluid Package Peng-Robinson (PR)
- Installer deux courants d’alimentant de l’échangeur avec les spécifications suivantes :
Courant 1: Nom : Tube in, Temperature 1250 °C, Pressure 1000 psig, composition
H2O-100%, Molar flow 100 kmole/h.
Courant 2: Nom : shell in, Temperature 25 °C, Pressure 130 psig, composition H2O-
100%.
- Insérer un échangeur de chaleur multitubulaire à partir de la palette des objets,
- Double-clic sur l’échangeur, cela ouvrira la fenêtre de la Figure V.1.,
- Connecter les courants d’alimentation à l’échangeur comme indiqué sur la Figure V.1, Icône de
- Passer à la page Parameters. Compléter la page come l’indique la Figure V.2, l’échangeur
- Aller à l’onglet Worksheet. Dans la page Conditions, compléter les informations manquantes de chaleur

comme le montre la Figure V.3.

Quelle est le flux de matière du courant froid et la quantité de

chaleur échangée entre les deux fluides

Réponse : Flux =
-----Quantité chaleur = -------------------

- 26 -
 Fig.V.1

Fig.V.2

Fig.V.3

- 27 -
2. Séparateur Flash (Separator)
Une séparation flash est utilisé pour divisé le contenu d’un courant (mélange liquide-vapeur) en sa
phase vapeur et sa phase liquide. En régime stationnaire, la vapeur et le liquide dans le récipient sont
autorisés à atteindre l’équilibre, avant qu’ils ne soient séparés. En HYSYS, un séparateur flash est
utilisé pour déterminer les conditions des produits et des phases de la séparation (flux,
compositions,…).

Exemple d’application : Soit un courant de matière contenant 15% éthane, 20% propane, 60% i-
butane et 5% n-butane de température 50 °F, pression 1 atm et d’un flux molaire 100 kmole/h. Ce flux
est à comprimer à 50 psig et ensuit refroidi à 32 °F. La vapeur et le liquide résultants sont à séparer
en deux courants, liquide et vapeur. Quelle est le flux et la composition de chacun des courants
résultants.

Etapes à suivre

- Lancer HYSYS,
- Créer une nouvelle simulation « New Case »,
- Définir la base de simulation « Simulation basis Manager » :
Components : éthane, propane, i-butane, n-butane
Fluid Package Peng-Robinson (PR)
- Installer un courant d’alimentant avec les spécifications suivantes :
Courant: Nom : Gaz, Temperature 50 °F, Pressure 1 atm, Molar flow 100 kgmole/h,
composition 15%-éthane, 20%-propane, 60%-i-butane et 5%-n-
butane,.
- Insérer un compresseur à partir de la palette des objets,
- Double-clic sur le compresseur et entrer les informations indiquées sur la Figure V.4,
- Aller à l’onglet Worksheet. Dans la page Conditions, compléter les informations manquantes
comme le montre la Figure V.5.
- Insérer un échangeur simple (Cooler) à partir de la palette des objets,
- Dans la page Connections, entrer les informations indiquées sur la Figure V. 6,
- Passer à la page Parameters et compléter la page comme le montre la Figure V. 7,
- Aller à l’onglet Worksheet. Dans la page Conditions, compléter les informations manquantes
comme le montre la Figure V.8,
- Insérer un séparateur (separator) à partir de la palette des objets,
- Double-clic sur le séparateur et entrer les informations indiquées sur la Figure V.9,
- Aller à l’onglet Worksheet pour visualiser les résultats  Figures 10 et 11.

Quelle est le flux et la composition de chacun des courants résultants.

Réponse : Courant Top Bottom

Flux ---------- -----------

Composition Ethane ---------- -----------
Propane ---------- -----------
i-Butane ---------- -----------
n-Butane ---------- -----------

- 28 -
 Fig.V.4

Fig.V.5

Fig.V.6

- 29 -
 Fig.V.7

Fig.V.8

Fig.V.9

- 30 -
 Fig.V.10

Fig.V.11

Diagramme du
procédé
(Process Flow
Diagram, PFD)

- 31 -
- 31 -
 CHAPITRE VI
Réactions Chimiques

Ce chapitre commence par un problème de développement un modèle qui représente les réactions
chimiques en HYSYS. Deux types de réaction seront vont être traitées : les réactions de conversion et
les réactions équilibrées.

A la fin de ce chapitre, l’utilisateur sera en mesure de :

- Simuler avec HYSYS les réactions chimiques/les réacteurs chimiques,

- Insérer les réactions à la base de données de la simulation,
- Attacher les réactions chimiques au Fluid Package,

1. Réactions de conversions
Exemple : L’hydrogène peut être produit à partir de l’oxydation partielle du méthane selon les
réactions :
CH4+1/2 O2  CO + 2H2 VI.1
CH4 + O2  CO2 + 2H2 VI.2

Le réacteur est alimenté par un flux de méthane de 100 lgmole/h, qui se trouve à 25 °C et 2 bars,
et un autre flux d’air de 260 kgmole/h, qui se trouve à 25 °C et 2 bars.

- Développer un modèle qui représente l’oxydation partielle du méthane pour produire de

l’hydrogène,
- Quelles sont les flux molaires du méthane, de l’oxygène, du CO2, d’azote, du CO et de
l’hydrogène.

Etapes à suivre

- Lancer HYSYS,
- Créer une nouvelle simulation « New Case »,
- Définir la base de simulation « Simulation basis Manager » :
Components : CH4, O2, N2, CO, CO2, H2.
Fluid Package Peng-Robinson (PR)
- Ajouter les réactions : Les réactions en HYSYS sont insérées de la même méthode utlisée pour les
composés :
- Cliquer sur l’onglet Reactions de la page Simulation Baasis Manager, cela affichera la
fenêtre VI.1,
- Cliquer sur Add Rxn et choisie Conversion à partir de la liste affichée. Ajouter les
informations nécessaires (coefficients stœchiométriques) comme le montre la figure VI.2,
- Passer à l’onglet Basis et compléter les informations de taux de conversion  Figures VI.3
- Pour la deuxième réaction, enter les informations des Figures VI.4 et VI.5,
- Insérer une série de réaction (Reaction Sets), comme suit :
Sur l’onglet Reactions, cliquer sur Add set. Nommer cette série Oxydation-set et ajouter les
réactions 1 et 2 (Rxn-1 et Rxn-2)  Figures VI.6 ?
- Ordonner les réactions : dans la page Oxidation Rxn Set, cliquer sur Ranking et entrer les
information de la Figure VI.7
- Attacher Reaction set au Fluid Package en cliquant sur Add Set to Fluid Package, Ajouter un
réacteur de conversion à partir de la palette des objets,

- 32 -
- Attacher les courants de méthane et d’air au réacteur  Figures VI.8
- Insérer la série de réactions (Réaction set) au réacteur.
- Aller à l’onglet Worksheet pour visualiser les résultats  Figure 9.

Fig.VI.1

Fig.VI.2

Fig.VI.3

- 33 -
 Fig.VI.4

Fig.VI.5

Fig.VI.6

- 34 -
 Fig.VI.7

Fig.VI.8

Fig.VI.9

- 35 -
2. Réactions équilibrées
Exemple : On veut réduire la concentration de CO sortant dans l’effluent gazeux du réacteur
précédent (réacteur de conversion). Pour cela, on lave cet effluent gazeux par de l’eau (opération
d’absorption avec réaction chimique). La réaction produite durant cette étape est :
CO + H2O ↔ CO2 + H2 VI.3
La réaction VI.3 non seulement réduit la concentration de CO mais augmente également le
rendement de production de H2. Les spécifications du courant d’eau de lavage sont : 100 °C, 2
bars, 100 kmole/h et 100-H2O.

En continuant sur le diagramme de l’exemple précédent :

- Développer un modèle HYSYS qui représente l’opération de lavage (attention la réaction est
équilibrée  choisir : Equilibrium reactor au lieu de Conversion reactor).
- Déterminer les flux de toutes les espèces présentes dans l’effluent final.
- Calculer la réduction (en %) de CO et l’augmentation (en %) de H2.

Remarque : Utiliser les mêmes étapes décrites dans l’exemple précédent pour ajouter la réaction
VI.3 en tant qu’une série de réaction indépendante associée au réacteur équilibré (la première
série est associée au réacteur de conversion). Le courant d’eau doit être également inséré.

Diagramme
du procédé

- 36 -
3. Réacteur agité continu RAC (Continuously Stirred Tank reactor, CSTR)
Exemple : Le propylène glycol peut être produit à partir de l’oxyde de propylène et l’eau selon la
réaction suivante :

H2O + C3H6O  C3H8O2 VI.4

La réaction se déroule dans un RAC de volume de 280 ft 3. Le liquide occupe 85 % du volume du

réacteur. La réaction est d’ordre 1/ C3H6O (l’eau est en excès). La constante de vitesse de la
réaction VI.4 est donnée par la relation :

K=A exp(-E/RT) A=1,7.1017 et E=-2,24. 104 btu/Ibmole.

- Développer un modèle HYSYS qui représente un RAC (attention la réaction est de type
cinétique  choisir : Kinetics au lieu de Conversion),
- Déterminer l’évolution du taux de conversion en fonction de la température à la sortie du
réacteur.

Etapes à suivre

- Lancer HYSYS,
- Créer une nouvelle simulation « New Case »,
- Définir la base de simulation « Simulation basis Manager » :
Components : propylène glycol, propylène oxyde et l’eau.
Fluid Package UNIQUAC
- Cliquer sur Binary Coeffs pour estimer les paramètres d’interactions binaires inconnus  Fig.
VI. 1,
- Ajouter les réactions : cliquer sur l’onglet Reactions de la page Simulation Baasis Manager, cela
affichera la fenêtre VI.12,
- Cliquer sur Add Rxn et choisie Kinetics. Ajouter les informations nécessaires (coefficients
stœchiométriques) comme le montre la figure VI.13,
- Dans la colonne Fwd order, changer la valeur de H2O à 0 pour préciser que l’eau est en excès 
Fig. VI.14,
- Passer à l’onglet Basis et compléter les informations affichées sur Figures VI.15.
- Passer à l’onglet Parameters et compléter les informations de A et E de la constante de vitesse
VI.15  Fig. VI.16.
- Insérer une série de réactions (Reaction Sets),
- Attacher Reaction set au Fluid Package en cliquant sur Add Set to Fluid Package,
- Installe 2 courants d’alimentation :
C2H6O : 75 °F, 1,1 atm, 150 Ibmole/h et 100%- C2H6O
H2O : 75 °F, 16,7 psia, 11000 Ib/h et 100%- H2O

- Installer un mélangeur (Mixer) à partir de la palette des objets,

- Connecter les courants d’alimentation au mélangeur  Fig. VI.17,
- installer un RAC (CSTR) à partir de la palette des objets et le connecter au courant de sortie du
mélangeur  Fig. VI.18
- Attacher la série de réactions au réacteur Fig. VI.19,
- Spécifier le volume et % du liquide dans le réacteur Fig. VI.20,
- Fixer la température de sortie du réacteur à 75 °F (réaction isotherme) Fig. VI.21,
- Cliquer sur le réacteur, puis voir Results Fig. VI.22.
- Changer la valeur de la température et enregistrer les valeurs du taux de conversion.

- 37 -
 Fig.VI.11

Fig.VI.12

Fig.VI.13

Fig.VI.14

- 38 -
 Fig.VI.15

Fig.VI.16

Fig.VI.17

- 39 -
 Fig.VI.18

Fig.VI.19

Fig.VI.20

- 40 -
 Fig.VI.21

Fig.VI.22

- 41 -