Les risques sont inhérents à l’activité industrielle. Les prévoir et les maîtriser sont essentiels pour la conception et la conduite en sécurité des procédés. La réglementation des risques majeurs impose aux exploitants la réalisation d’études de sécurité quantitatives. La stratégie de maîtrise des risques repose sur la pertinence des analyses de risques. En marche dégradée, la dynamique des événements est déterminante pour quantifier les risques. Toutefois, de nos jours cette connaissance est difficilement accessible. Ce travail propose une méthodologie d’analyse de risques quantitative qui combine la méthode HAZOP, le retour d’expérience et la simulation dynamique de dérives de procédés. Elle repose sur quatre grandes étapes : La première étape est l’étude du fonctionnement normal du procédé. Pour cela, le procédé est décrit de façon détaillée. Des études complémentaires de caractérisation des produits et du milieu réactionnel sont menées si nécessaires. Ensuite, le procédé est simulé dynamiquement en fonctionnement normal. Lors de la seconde étape, parmi les dérives définies par l’HAZOP et le retour d’expérience, l’analyste discrimine celles dont les conséquences ne sont pas prévisibles et/ou nécessitent d’être quantifiées. La troisième phase fournit une quantification du risque sur la base de la simulation dynamique des scenarii retenus. Lors de la dernière étape, des mesures de maîtrise des risques sont définies et ajoutées au procédé lorsque le niveau de risque est supérieur au risque tolérable. Le risque résiduel est ensuite calculé jusqu’à l’atteinte de la cible sécurité. Le logiciel Aspen Plus Dynamics est sélectionné. Trois études de cas sont choisies pour démontrer d’une part, la faisabilité de la méthodologie et d’autre part, la diversité de son champ d’application : · la première étude de cas porte sur un réacteur semi-continu siège d’une réaction exothermique. L’oxydation du thiosulfate de sodium par le peroxyde d’hydrogène est choisie. Ce cas relativement simple permet d’illustrer la diversité des causes pouvant être simulées (erreur procédurale, défaut matériel, contamination de produits, …) et la possibilité d’étudier des dérives simultanées (perte de refroidissement du milieu et sous dimensionnement de la soupape de sécurité). · le deuxième cas concerne un réacteur semi-batch dans lequel une réaction exothermique de sulfonation est opérée. Elle est particulièrement difficile à mettre en œuvre car le risque d’emballement thermique est élevé. Cette étude montre l’intérêt de notre approche dans la définition des conditions opératoires pour la conduite en sécurité. · le troisième cas d’étude porte sur un procédé continu de fabrication du propylène glycol composé d’un réacteur et de deux colonnes de distillation en série. L’objectif est ici d’étudier la propagation de dérives le long du procédé. Sur la base du retour d’expérience, deux dérives au niveau du rebouilleur de la première colonne sont étudiées et illustrent les risques de pleurage et d’engorgement. La simulation dynamique illustre la propagation d’une dérive et ses conséquences sur la colonne suivante. / Risks are inherent to industrial activity. Predicting and controlling them is essential to the processes design and safe operation. Quantitative safety studies are imposed by the major hazard regulations. The risk management strategy relies on the relevance of risk analyzes. In degraded conditions, the dynamics of events are decisive for risks quantification. However, nowadays this knowledge is a real challenge. This work proposes a methodology of quantitative risk analysis, which combines the HAZOP method, the lessons learned from previous accidents and the dynamic simulation of process deviations. It is based on four main stages: The first stage is the study of the process normal operation. For this, the process is described in detail. Additional studies to characterize the products and the reaction are carried out if necessary. Then, the process is dynamically simulated in normal operation conditions. During the second step, among all the deviations defined by the HAZOP and lessons learned, the analyst discriminates those whose consequences are not predictable and/or need to be quantified. The third phase provides a risk quantification based on the dynamic simulation of the selected scenarios. In the last step, safety barriers are defined and added to the process when the risk level is greater than the tolerable risk. The residual risk is then calculated until the safety target is reached. Aspen Plus Dynamics software is selected. Three case studies are chosen in order to demonstrate, on the one hand, the feasibility of the methodology and, on the other hand, the diversity of its scope: · the first case study is a semi-continuous reactor with an exothermic reaction study. The oxidation of sodium thiosulfate by hydrogen peroxide is selected. This relatively simple case illustrates the diversity of causes that can be simulated (procedural error, material defect, product contamination …) and the possibility of studying simultaneous deviations (loss of cooling and under sized safety valve for example). · the second case concerns a semi-batch reactor in which an exothermic reaction of sulphonation is carried out. This reaction is particularly difficult to conduct because of the thermal runaway high risk. This study shows our approach’s interest in the definition of the operating conditions for safe operation. · the third case study concerns a continuous process of propylene glycol production. It is composed of a reactor and two distillation columns in series. The objective is to study the propagation of deviations along the process. Based on lessons learned, two deviations in the first column reboiler are studied and illustrate the flooding and weeping risks. Dynamic simulation illustrates the propagation of a deviation and its consequences on the second column

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-12T14:56:31Z No. of bitstreams: 1 ALAIN CHARLES DE MELO ALVES - DISSERTAÇÃO (PPGEQ) 2017.pdf: 2958576 bytes, checksum: da6d8a9342aea19b0bd4eb2403563d7c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-12T14:56:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALAIN CHARLES DE MELO ALVES - DISSERTAÇÃO (PPGEQ) 2017.pdf: 2958576 bytes, checksum: da6d8a9342aea19b0bd4eb2403563d7c (MD5) Previous issue date: 2017-02-17 / Capes / Os processos indústrias em sua maioria são multivariáveis e apresentam uma grande interação entre suas variáveis. A fim de reduzir essas interações algumas técnicas têm sido desenvolvidas. Análise de Componentes Independentes (ICA) tem sido uma técnica bastante promissora quando se deseja reduzir ou até mesmo eliminar o acoplamento entre as variáveis. Essa técnica é usada na separação de fontes desconhecidas. Embora já existam diversos trabalhos recentes sobre a aplicação do ICA em processos industriais, poucos são voltados para aplicação da técnica em colunas de destilação. Este trabalho estabelece uma estratégia de controle aplicado a uma coluna de destilação de alta pureza com recompressão de vapor utilizando o ICA. Além disso, o trabalho estabeleceu uma estratégia de controle para as composições de base e topo. Para tanto foi feita uma comunicação entre o Aspen Plus DynamicsTM e o Simulink/Matlab®. A comunicação foi estabelecida por meio do bloco AMSimulation. Duas estratégias de controle foram comparadas: MPC com o ICA e MPC sem o ICA. Os resultados da estratégia MPC com ICA se apresentaram mais promissoras mostrando que a técnica ICA é uma ferramenta desacoplante útil para sistemas com forte acoplamento. / The industrial processes are in its majority are multivariable and show a high number of interactions between its variables. Some techniques have been developed to target the reduction of these interactions. Independent Component Analysis (ICA) has been a very promising technique when it is desired to reduce or even eliminate the coupling between variables. The ICA technique has been utilized on the separation of unknown sources. Although there are several different studies targeting the application of ICA in industrial processes, just a few of them geared for technical applications in distillation columns. This dissertation attempts to establish a control strategy applied to a high purity distillation column with vapor recompression using the ICA. In addition, the dissertation proposes to establish a control strategy for the bottom and top of compositions. For this will be a communication between the Aspen Plus DynamicsTM and Simulink / Matlab®. The communication will be established through the AMSimulation block. Two control strategies were compared: MPC with ICA and MPC without MPC. The results of the MPC with ICA strategy were shown to be more promising, showing that the ICA technique is a useful decoupling tool for systems with strong coupling.

Due to the remote and dispersed nature of Alberta’s oil wells, it is not economical for the energy industry to capture all of the solution gas produced and as a result, the gas is being flared and vented in significant amounts. The objective of this research is to aid in the conversion of solution gas into dimethyl ether (DME) in a remote location by designing a distillation column that purifies DME and its reaction by-products, carbon dioxide, methanol and water. In order to develop an implementable solution, the distillation equipment must fit inside of a 40-foot shipping container to be transported to remote locations. Given the size constraint of the system, process intensification is the best strategy to efficiently separate the mixture. Several process intensification distillation techniques are explored, including semicontinuous distillation, the dividing wall column (DWC) and a novel semicontinuous dividing wall column (S-DWC). The traditional semicontinuous distillation column purifies DME to fuel grade purity, however the other components are not separated to a high enough grade given the height constrain of the system. The DWC and S-DWC both purify DME to its desired purity along with producing high purity waste streams. The S-DWC purifies the reaction intermediate methanol to a grade slightly higher than the DWC and is pure enough to recycle back to the reactor. An economic comparison is made between the three systems. While the DWC is a cheaper method of producing DME, the trade-off is the purity of the methanol produced. Overall, this research shows that it is possible to purify DME and its reaction by-products in a 40-foot distillation column at a cost that is competitive with Diesel. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les risques sont inhérents à l’activité industrielle. Les prévoir et les maîtriser sont essentiels pour la conception et la conduite en sécurité des procédés. La réglementation des risques majeurs impose aux exploitants la réalisation d’études de sécurité quantitatives. La stratégie de maîtrise des risques repose sur la pertinence des analyses de risques. En marche dégradée, la dynamique des événements est déterminante pour quantifier les risques. Toutefois, de nos jours cette connaissance est difficilement accessible. Ce travail propose une méthodologie d’analyse de risques quantitative qui combine la méthode HAZOP, le retour d’expérience et la simulation dynamique de dérives de procédés. Elle repose sur quatre grandes étapes : La première étape est l’étude du fonctionnement normal du procédé. Pour cela, le procédé est décrit de façon détaillée. Des études complémentaires de caractérisation des produits et du milieu réactionnel sont menées si nécessaires. Ensuite, le procédé est simulé dynamiquement en fonctionnement normal. Lors de la seconde étape, parmi les dérives définies par l’HAZOP et le retour d’expérience, l’analyste discrimine celles dont les conséquences ne sont pas prévisibles et/ou nécessitent d’être quantifiées. La troisième phase fournit une quantification du risque sur la base de la simulation dynamique des scenarii retenus. Lors de la dernière étape, des mesures de maîtrise des risques sont définies et ajoutées au procédé lorsque le niveau de risque est supérieur au risque tolérable. Le risque résiduel est ensuite calculé jusqu’à l’atteinte de la cible sécurité. Le logiciel Aspen Plus Dynamics est sélectionné. Trois études de cas sont choisies pour démontrer d’une part, la faisabilité de la méthodologie et d’autre part, la diversité de son champ d’application : · la première étude de cas porte sur un réacteur semi-continu siège d’une réaction exothermique. L’oxydation du thiosulfate de sodium par le peroxyde d’hydrogène est choisie. Ce cas relativement simple permet d’illustrer la diversité des causes pouvant être simulées (erreur procédurale, défaut matériel, contamination de produits, …) et la possibilité d’étudier des dérives simultanées (perte de refroidissement du milieu et sous dimensionnement de la soupape de sécurité). · le deuxième cas concerne un réacteur semi-batch dans lequel une réaction exothermique de sulfonation est opérée. Elle est particulièrement difficile à mettre en œuvre car le risque d’emballement thermique est élevé. Cette étude montre l’intérêt de notre approche dans la définition des conditions opératoires pour la conduite en sécurité. · le troisième cas d’étude porte sur un procédé continu de fabrication du propylène glycol composé d’un réacteur et de deux colonnes de distillation en série. L’objectif est ici d’étudier la propagation de dérives le long du procédé. Sur la base du retour d’expérience, deux dérives au niveau du rebouilleur de la première colonne sont étudiées et illustrent les risques de pleurage et d’engorgement. La simulation dynamique illustre la propagation d’une dérive et ses conséquences sur la colonne suivante.

Submitted by Jesiel Ferreira Gomes (jesielgomes@ufcg.edu.br) on 2018-04-20T20:53:07Z No. of bitstreams: 1 SHIRLENE KELLY SANTOS CARMO – TESE (PPGEQ) 2015.pdf: 3441674 bytes, checksum: 2a66c0c04d01e56f10189d8b206ebc1c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-20T20:53:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SHIRLENE KELLY SANTOS CARMO – TESE (PPGEQ) 2015.pdf: 3441674 bytes, checksum: 2a66c0c04d01e56f10189d8b206ebc1c (MD5) Previous issue date: 2015-02-06 / Capes / Grande parte das indústrias apresenta complexidade no que diz respeito ao seu modo de operação. A fim de reduzir os problemas relacionados ao forte acoplamento existente nesses processos, a busca pela incorporação de dispositivos de inteligência artificial vem apresentando uma tendência crescente nos últimos anos. Devido à complexidade de operação e controle em processos multivariáveis, o diagnóstico e monitoramento de falhas nos processos tornaram-se cada vez mais difícil, com isso a aplicação destes dispositivos tem alcançado resultados satisfatórios em relação aos procedimentos executados com operadores humanos. A análise de componentes independentes (ICA) é uma técnica de separação de sinais que se baseia no uso de estatísticas de ordem superior para estimar cada uma das fontes desconhecidas por meio da observação de diversas misturas geradas a partir destas fontes. Embora sejam encontrados trabalhos recentes sobre a utilização do ICA em processos industriais, apenas dois trabalhos até o presente momento, foram aplicados em processos envolvendo colunas de destilação. O presente trabalho tem como objetivo propor uma estratégia de controle a uma coluna de destilação de alta pureza. A estratégia é baseada na técnica de separação de sinais ICA, tornando as malhas de controle desacopladas e facilitando assim o desempenho do controle. O desempenho do sistema de controle utilizando a técnica apresentou excelentes resultados em relação a uma estrutura convencional sem desacoplamento. As estruturas de controle foram implementadas em ambiente Aspen Plus DynamicsTM e Simulink/ Matlab®. O processo foi estruturado em ambiente Aspen Plus Dynamics™ e os controladores foram implementados no Simulink. / Much of the industry presents complexity with regard to its mode of operation. In order to reduce the problems related to existing strong engagement in these processes, the search for the incorporation of artificial intelligence devices has shown an increasing trend in recent years. Due to the complexity of operation and control in multivariate processes, the diagnosis and fault monitoring in the processes have become increasingly difficult, thus the application of these devices has achieved satisfactory results in relation to procedures performed with human operators. The independent component analysis (ICA) is a signal separation technique that is based on the use of higher order statistics to estimate each of the unknown source by observing various mixtures generated from these sources. Although found recent work on the use of the ICA in industrial processes, only two studies to date, have been applied in cases involving distillation columns. This paper aims to propose a control strategy to a high purity distillation column. The strategy is based on the ICA signal separation technique, making decoupled control loops, thus facilitating control performance. The performance of the control system using the technique showed excellent results compared to a conventional structure without decoupling. The control structures have been implemented in Aspen Plus Dynamics™ and Simulink / Matlab® environment. The process was structured environment Aspen Plus Dynamics™ and the controls were implemented in Simulink.