Régulation du profil de température à l'intérieur d'un réacteur chimique tubulaire

Abstract

La conduite d’un procédé chimique évoluant dans un réacteur de grande taille ou lorsque ce dernier a un milieu non homogène se bas sur des modèles obtenus à partir d’un bilan de masse et d’énergie. Ces modèles décrivent l’évolution des profils de température, des réactants et des produits et sont des équations aux dérivées partielles qui généralement sont non linéaires lorsque le type de réaction est exothermique. Dans l’industrie chimique, ces réacteurs sont conduits à travers des actions de commande aux bords dont les plus populaires sont : la température de refroidissement, la température de réchauffement, et l’alimentation en réactants. L’un des problèmes soulevés par les automaticiens et les ingénieurs est la régulation du profil de température à l’intérieur du réacteur à travers les actions de commande disponibles. La résolution d’un tel problème permet d’éviter à ce que le procédé (réactants – produits exemptés) ne converge pas vers un profil d’équilibre non désirable et entre autres permet d’améliorer la qualité du produit désiré et ceci sous la contrainte qu’il faut atteindre le profil de température désiré avant que les réactants à l’intérieur du réacteur ne soient complètement consommés le travail de recherche élaboré dans cette thèse apporte une réponse à la question soulevée ci haut à travers un modèle mathématique obtenu par une balance de conservation de masse et d’énergie, et qui est un système d’équations aux dérivées partielles non linéaires à cause de l’exothermicité de la réaction, et qui est avec commandes aux bords. Ces commandes sont soumises à des contraintes généralement imposées par les limitations des actionneurs, les consignes de sécurité et la nature physique du phénomène. Deux régulateurs sont établis dans la thèse et sont essentiellement basés sur l’approche λ-poursuite de cible (λ-Tracking) et qui dans la littérature n’a été élaborée que à travers des modèles sous formes d’équations différentielles ordinaires qui du point de vue pratique reste valable pour des réacteurs de petites tailles. Le premier régulateur est une commande en boucle fermée non adaptative et qui dans le cas de convergence locale (la température initiale est contrainte de rester dans un domaine préfixé) peut aussi être considérée en boucle ouverte comme un (off-set). Un deuxième régulateur est une commande adaptative et est un retour de sortie non linéaire, qui marche aussi bien pour la convergence locale que pour la convergence globale (température initiale arbitraire). Les deux stratégies de commande établies dans la thèse permettent de conduire le profil de température à l’intérieur u réacteur vers un profil pré spécifié avec une erreur fixée au préalable. La simplicité des régulateurs obtenus dans la thèse rend leur implémentation numérique simple et moins coûteuse en comparaison avec les différents algorithmes utilisés généralement pour la commande des systèmes à paramètres réparties. Différentes simulations numériques à travers un exemple concret de réaction exothermique dans un réacteur chimique tubulaire sont présentées dans le travail et montrent la rapidité de la convergence vers le profil de température désiré sans violation des contraintes sur la commande. La thèse est conclue par différente perspectives de recherche d’actualité.