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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université Abdelhamid Ibn Badis de Mostaganem Faculté des Sciences et de la Technologie Département de génie des procédés POLYCOPIE Bilans macroscopiques (Cours Exercices corrigés) Destiné aux étudiants de 3ème année Licence génie des procédés « GP » Domaine : Sciences et de la Technologie « FST » PRESENTÉE PAR: EXPERTISÉ PAR : Dr.DOUARA Nadia Pr.BENDERDOUCHE Noureddine Pr.GHEZZAR Mouffok Redouane 2021-2022 Avant-propos Cette brochure pédagogique est destinée en premier lieu aux étudiants de 3ème année Licence filière génie des procédés « GP », Faculté des Sciences et de la Technologie « FST ». Il s’appuie sur les connaissances des notions de Bilan de matière acquises en 3ème année. Il pourra être très utiles aux étudiants et enseignants de filière génie des procédés « FST ». Le présent polycopie à pour objectif de donner des outils permettant d’effectuer des bilans de matière sur des unités industrielles. Ces bilans sont la base des calculs et dimensionnements de procédés. Ce manuel comprend trois chapitres, le premier chapitre présente des définitions et des généralités sur les opérations unitaires et les bilans. Le deuxième et le troisième chapitre abordent les bilans matières (partiel et global) avec et sans réaction chimique en régime permanent, pour les réacteurs et les colonnes de séparation. Au fil des chapitres, des exercices corrigés sont intégrées à la fin de chaque chapitre. Remerciement Au terme de ce modeste travail, je voudrais exprimer ma gratitude et ma reconnaissance à toutes les personnes qui de près ou loin, ont contribué à sa réalisation, par leurs encouragements, leurs aides si précieuses et par leur soutien matériel et moral. Je remercie Monsieur le BENTAIBA Smail, Maitre de conférences à l’université de Mostaganem pour les efforts fournis pour la réalisation de ce travail . Alors Merci pour votre disponibilité, vos précieux conseils et votre gentillesse. Je remercie Monsieur BENDERDOUCH Nourdine, Professeur à l’Université de Mostaganem pour avoir accepté d’expertiser cette polycopie. Je remercie Monsieur aussi GHEZZAR Mouffok Redouane, Professeur à l’université de Mostaganem, d’avoir accepté d’expertiser ce travail. Table des matières Chapitre I : Notions fondamentale I. Notions fondamentale .............................................................................................................. 1 I.1. Qu’est ce qu’un bilan de massique ........................................................................................ 2 I.2. Qu’est ce qu’un bilan énergétique ......................................................................................... 2 I.3. A quoi servent le bilan ........................................................................................................... 2 I.4.Qu’est ce qu’un procédé ......................................................................................................... 2 I.5 .Classification des procédés .................................................................................................... 3 I.6. Opérations unitaires ............................................................................................................... 3 I.7. Principales opérations unitaires ............................................................................................ 3 I.8. Flux d’un procédé .................................................................................................................. 4 I.9.Variables de procédé ............................................................................................................... 4 Chapitre II : Bilan de matière sur les procédés unitaires II. Bilan de matière sur les procédés unitaires ............................................................................. 7 II.1. Opérations de transfert de matière et /ou de chaleur entre phases ........................................ 7 II.1.1. Colonne de distillation ....................................................................................................... 7 II.1.2. Colonne d’absorption ....................................................................................................... 8 II.1.3. Vaporiseur et distillation flash ........................................................................................... 8 II.1.4. Condenseur partiel et séparateur flash ............................................................................... 9 II.1.5. Diviseur ............................................................................................................................ 9 II.1.6. Mélangeur ......................................................................................................................... 10 II.1.7. Sécheur ...................................................................................................................................................... 10 II.1.8. Filtre ................................................................................................................................... 11 II.1.9. Evaporateur multiple effet ................................................................................................. 11 II.1.10. Déshumidificateur ......................................................................................................... 11 II.1.11. Humidificateur ................................................................................................................ 12 II.1.12. Extracteur ....................................................................................................................... 12 II.1.13. Cristalliseur ...................................................................................................................... 13 II.1.14. Réacteur ........................................................................................................................... 14 II.1.15. Echangeur de chaleur ...................................................................................................... 14 II.2. Diagramme (schéma) de circulation d’un procédé – PFD.................................................... 15 II.3. Equation générale des bilans de matière ............................................................................... 16 II.4. Analyse des degrés de liberté ............................................................................................... 18 II.3.1. système d’équations indépendantes .............................................................................................. 18 II.4. Analyse d’un procédé constitué plusieurs unités .................................................................. 22 Chapitre III : Bilan de matières des procédés avec réaction III. Bilan de matières des procédés avec réaction ....................................................................... 29 III.1. Procédé avec réaction et recyclage ...................................................................................... 29 III.2. Procédé avec réaction et recyclage - purge ........................................................................ 29 III.3. Conversion .......................................................................................................................... 30 III.4. Techniques de résolution des bilans matière pour des procédés avec réaction chimique .. 31 III.4.1. Bilan en fonction de l’avancement de la réaction ............................................................ 31 III.4.2. Bilan des éléments chimiques .......................................................................................... 32 III.4.3. Bilan des espèces moléculaires (des constituants) ........................................................... 33 III.5. Analyse des degrés de liberté d’un procédé multi-opérations avec réaction chimique....... 34 Chapitre IV : Bilan énergétique IV.1.Rappels de thermodynamique .............................................................................................. 40 IV.1.1.Notion de système ............................................................................................................. 40 IV. 1. 2. Les différentes formes de l’énergie ................................................................................ 40 IV. 1.2.1 .Énergie cinétique ......................................................................................................... 40 IV. 1.3.2.Énergie potentielle ....................................................................................................... 41 IV. 1.3.3.Énergie interne (U) ........................................................................................................ 41 IV. 1.3.Transfert d’énergie ........................................................................................................... 41 IV.2.Bilans énergétique sur les procédés en absence de réaction ............................................... 42 IV. 2.1 .Bilan énergétique d’un système fermé ............................................................................ 42 IV. 2.2 .Bilan énergétique d’un système ouvert à l’état stationnaire ........................................... 43 IV.2. 2 .1.Variation d’enthalpie dans des procédés non réactifs .................................................. 45 IV. 2. 2 .1.a. Variation d’enthalpie résultant d’une variation de température ............................. 45 IV. 2. 2 .1.b. Variation d’enthalpie résultant d’un changement d’état ........................................ 46 IV. 2. 2 .1.c. Variation de température résultant d’un mélange ................................................... 49 IV.3. Bilan énergétique sur les procédés avec réaction ............................................................... 50 IV.3.1. Technique des enthalpies de réaction ............................................................................... 50 IV.3.1. Technique des enthalpies de formation ............................................................................ 52 Références bibliographiques ....................................................................................................... 54 Chapitre I Notions fondamentale 1 I. Notions fondamentale Les principes de conservation de trois grandeurs physiques : matière (ou masse), énergie et quantité de mouvement interviennent généralement pour résoudre les problèmes en génie des procédés. Les bilans systématiques sont essentiels pour le calcul des installations, mais aussi pour renseigner l’ingénieur sur la bonne marche d’un appareil (identification d’une fuite, vérification de l’obtention d’un régime permanent…). Les concepts des procédés industriels sont basés sur les bilans matières. Les bilans recouvrent l’ensemble du procédé et précisent les quantités de matières premières optimales et celles des produits finis réalisés. Les données sur les unités des procédés individuels dictent les flux et les compositions du système et exposent les équations de base pour le dimensionnement des équipements. Une bonne compréhension des calculs de bilan matière est essentielle dans la conception des procédés. Pour les bilans matière des procédés complexes sont souvent établies à l’aide d’un logiciel de simulation de procédés. Un temps et des efforts importants peuvent être épuisés dans la simulation des procédés si les principes fondamentaux des bilans matière et énergétique ne sont pas conformes au règles. Une concentration attentive doit être réservée au choix d’une convenable base et des limites sélectionnées pour les bilans matière et énergétiques; à la prédiction des rendements; à la caractérisation des schémas de recyclage, de purge et de contournement (by-pass). Les calculs simplifiés (à main levée), de modèles distingués dans ce texte, s’imposent toujours pour vérifier les résultats de la simulation d’un procédé. Des calculs courts peuvent également être utilisés pour accélérer la convergence des simulations en fournissant de bonnes estimations initiales des flux de recyclage et de rattrapage. Les bilans matières sont aussi des moyens pratiques pour analyser le bon fonctionnement des installations industrielles et prévoir leur dépannage. Ils sont souvent utiles pour vérifier le haut fait de la conception, pour élargir les données souvent limitées à partir des équipements de l’usine, pour vérifier les étalonnages des instruments et pour localiser les sources de perte de matière. Les bilans matières sont essentiels pour obtenir des données de haute qualité des laboratoires ou des usines pilotes. Chapitre I Notions fondamentale 2 I.1.Qu’est ce qu’un bilan de massique Le bilan massique ou bilan matière est un calcul qui consiste à évaluer les quantités de produits à fabriquer dans les transformations chimique et/ou physique d’un procédé. Ce calcul permet de connaitre les débits à l’entrée et à la sortie de chaque opération unitaire. I.2.Qu’est ce qu’un bilan énergétique Le bilan énergétique ouest un calcul qui consiste à évaluer les quantités d’énergies mise en œuvre dans les transformations chimique et/ou physique d’un procédé. Ce calcul permet de connaitre les besoins en chauffage et en refroidissement, d’une part, et en énergie mécanique de compression et de circulation, à l’entrée et à la sortie de chaque opération unitaire. Le bilan thermique est la partie énergétique relatif un fortifiant calorifique. C’est le bilan des apports de chaleur à fournir ou à soustraire au niveau de chaque opération unitaire, ou au plan de la totalité du procédé. I.3. A quoi servent le bilan Les bilans servent à calculer l’ensemble des données pour dimensionner et optimiser une installation. Ils nous permettent de faire des évaluations techniques et économiques du procédé et des unités de procédé à partir de la connaissance de la consommation de matière et d’énergie et du rendement des produits obtenu. Le bilan matière approuve et résoudre et/ou valider les conditions de marche optimales d’une unité en :  Calculer certaines grandeurs (composition et quantités des flux matière) ;  Calculant certains rapports caractéristiques d’un processus chimique (taux de conversion, taux de recyclage, rendement, etc) ou d’un processus physique (nombres d’étage dans une opération de distillation). Le bilan énergétique a pour but de déterminer, par le calcul, les quantités d’énergie et, en particulier les quantités de chaleur, afin de choisir l’appareillage le mieux adapté à l’évolution énergétique et de réduire les dépenses en énergie et de estimer le cout de fabrication. I.4.Qu’est ce qu’un procédé C’est l’intégrabilités des opérations unitaires illustrant la transformation de matières premières ou des réactifs en produits uploads/Finance/ bilan-macroscopique.pdf