Automatisation et Supervision de Procédés Intensifiés – ASPI

Dans une première partie, des critères de sécurité existants ont été évalués et des limitations pour la détection de défauts et l’évaluation de situations à risque d'emballement thermique ont été mises en évidence. Un nouveau critère a alors été développé, basé sur un seuil dynamique de la puissance dégagée par la réaction. Le suivi de cette puissance permet de détecter des défauts lorsqu’elle dépasse un seuil établi. La collaboration entre les spécialistes de procédés et d’automatique a permis l'application d’une méthode qui utilise un observateur d'état à grand gain pour estimer, en temps réel, la puissance libérée à partir de simples mesures de température. Les performances de cette nouvelle approche ont été comparées à une méthode de détection basée sur le seuil dynamique de la température.

Pour une conduite plus sûre, un autre aspect consiste à mettre en œuvre les réactions rapides et exothermiques dans des réacteurs échangeurs de chaleur (HEX). Le contrôle de ces équipements est fondamental dans une optique d’intensification pour optimiser la production et assurer la sécurité. Les systèmes de contrôle basés sur la commande tolérante aux fautes sont très utilisés pour la régulation de tels systèmes non linéaires. Une approche pour l'isolation et l'identification de défauts (FDI) a été développée à partir d’observateurs adaptatifs basés sur une modélisation simplifiée du HEX. Ces techniques développées par les partenaires automaticiens ont tout d’abord été validées en simulation puis testées en temps réel sur un pilote expérimental implanté dans un laboratoire de procédés.

Une nouvelle méthode de détection des défauts basée sur un seuil dynamique de la puissance dégagée par la réaction, évaluée en temps réel avec un observateur d’état du type grain gain, a été développée et testée sur deux systèmes réactionnels différents. Cette méthode ne nécessite pas une connaissance des paramètres cinétiques et enthalpiques et se base principalement sur la mesure des températures et des informations usuelles sur la géométrie du réacteur et au système de refroidissement. Elle peut ainsi être utilisée en temps réel lors de la conduite de réacteurs chimiques.

Du point de vue de la supervision, des algorithmes de détection, d’isolation et d’identification des défauts (FDI) ont été élaborés en intégrant des observateurs adaptatifs non linéaires utilisant un modèle non linéaire du réacteur. L’algorithme développé, et dont l’efficacité a été démontrée en simulation, a pu être intégré dans un système de contrôle-commande d’une unité pilote construite autour d’un réacteur-échangeur.

L’efficacité des critères de détection pourrait être améliorée par l'intégration d’observateurs avec des capacités de filtrage approprié pour réduire les effets du bruit de mesure lors de l’estimation de la puissance dégagée et réduire le temps de détection.

Ces critères dont l’efficacité a été montrée pour des réacteurs traditionnels de type batch ou semi-batch pourraient être transposés aux réacteurs continus de type HEX.

La détection des défauts associée à des méthodes de diagnostic permettra d’identifier l’origine de la dérive thermique. Comme cela a pu être fait en simulation, les résultats de FDI pourront être utilisés en temps-réel sur le pilote pour le développement d’un système de commande tolérante aux fautes.

La poursuite des expérimentations sur le pilote pourra déboucher sur une application des algorithmes développés à des réacteurs industriels dans le but de réduire les accidents liés aux emballements thermiques dont les conséquences sont très souvent désastreuses.

Farza, M.; et al. Improved high gain observer design for a class of disturbed nonlinear systems. Nonlinear Dyn. 2021, 106 (1), 631–655.

Han, X.; et al. Dynamic and sensor fault tolerant control for an intensified heat-exchanger/reactor. Eur. J. Control. 2023, 69 (1), 100736.

Kouhili, Y.; et al. Performance of Runaway Detection in a Batch Reactor using Thermal Runaway Criteria. Chem. Eng. Trans. 2022, 91, 553–558.

He, M.; et al. The Simplified Modeling and Experimental Verification of a Heat Exchanger/Reactor. In Proceedings of the 11th International Conference on Sustainable Chemistry. 2023, 677–682.

La motivation pour le projet ASPI est le développement d’une ingénierie des systèmes à haute valeur ajoutée autour des problématiques de conduite des procédés chimiques intensifiés. Ces problématiques vont de la commande des systèmes à la supervision du système de commande en passant par toutes les fonctions de diagnostic, de pronostic et de maintenance prédictive. Cette supervision sera élaborée à partir des meilleurs résultats disponibles sur le diagnostic et l’identification des fautes, la synthèse des observateurs, l’identification des systèmes, la commande tolérante aux fautes et les méthodes de traitement du signal pour le recouvrement des signaux. Ces méthodologies permettront de décharger l’homme d’une partie de la surveillance de l’installation tout en augmentant la sécurité de fonctionnement. Pour cela, il s’agira d’anticiper et de corriger d’éventuelles dérives ou dysfonctionnements qui pourraient conduire à des situations accidentelles.
Il a été choisi d’appliquer ces techniques à un domaine industriel particulièrement critique d’un point de vue de la sécurité et des conséquences catastrophiques que peuvent engendrer les accidents : la chimie et plus spécifiquement la chimie fine, la chimie pharmaceutique et les nouvelles synthèses de valorisation de la biomasse. Un autre aspect du projet concerne la transformation des procédés de production à travers la mise en œuvre de procédés innovants relevant du domaine de l’intensification des procédés qui préfigurent l’usine chimique du futur. Dans la chaîne de production, le réacteur occupe une place centrale car il est le siège des réactions chimiques, opérations fortement non-linéaires par rapport aux différentes conditions de fonctionnement et dont le contrôle est crucial par rapport à la productivité ainsi qu’à la sécurité de fonctionnement. Dans le projet, on s’intéressera plus spécifiquement à de nouveaux types de réacteurs multifonctionnels, continus qui constituent une alternative aux réacteurs ‘batch’ traditionnels. Ces réacteurs intensifiés améliorent radicalement les propriétés de transport et de transfert (thermique et de matière) et permettent de mettre en œuvre des réactions en approchant les limites intrinsèques de leur cinétique.
L’essence du projet est une recherche fondamentale et méthodologique interdisciplinaire et transversale qui associe des laboratoires d’automatique et de génie des procédés : LGC, LAAS, LAC et LSPC. Sur le plan fondamental, il s’agit de développer des approches de modélisation expérimentales, de synthèse d’observateurs, d’identification et de détection de fautes et de commande tolérante aux fautes pour les réacteurs intensifiés. Ces approches seront particulièrement utilisées pour développer un système de conduite doté d’une capacité de prédiction pour anticiper des situations accidentelles.
Du point de vue du génie des procédés, le système de conduite doit garantir la sécurité de fonctionnement des procédés intensifiés. Une attention particulière sera accordée au développement d’un simulateur réaliste des comportements statiques et dynamiques et à la constitution d’une base de fautes pour la supervision du système de commande et de sa reconfiguration si besoin est. Ceci requiert une bonne modélisation des réacteurs en mode dégradé avec une gestion des changements de modèles en cas de détection d’une faute.
Des validations expérimentales seront réalisées sur des procédés pilotes disponibles dans les laboratoires pour mettre en exergue la valeur ajoutée des approches développées. Deux situations sont envisagées : une mise en œuvre dans un cas déjà étudié à la fois du point de vue de l’appareil et du système chimique et la généralisation à un système (réacteur et synthèse chimique) pour lequel la caractérisation est encore incomplète.