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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ETDE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ETDE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université KadiMerbah-Ouargla Facultédes Sciences Appliquées Départementde Génie des Procédés Maitre deconférence–B- à l'Universitékasdimerbeh- Ouargla Année Universitaire 2017-2018 Cours Intensification des Procédés Par IZZA HIDAYA MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ETDE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université KadiMerbah-Ouargla Facultédes Sciences Appliquées Départementde Génie des Procédés Maitre deconférence–B- à l'Universitékasdimerbeh- Ouargla Année Universitaire 2017-2018 Cours Intensification des Procédés Par IZZA HIDAYA MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ETDE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université KadiMerbah-Ouargla Facultédes Sciences Appliquées Départementde Génie des Procédés Maitre deconférence–B- à l'Universitékasdimerbeh- Ouargla Année Universitaire 2017-2018 Cours Intensification des Procédés Par IZZA HIDAYA Table des matières Préface............................................................................................................................4 INTRODUCTION .........................................................................................................1 II. Bases de l’intensification des procédés.....................................................................2 II.1. Principes et applications de l’IP.............................................................................2 II.2. Les différents approches de l’IP.............................................................................2 II.2. 2. L’aspect microstructuration................................................................................2 II.2.3. Intensification du transfert thermique dans les réacteurs-échangeurs compacts.2 III. Les équipements pour l’intensification des procédés ..............................................4 III.1. Les mélangeurs statiques (Les mélangeurs SMR)................................................4 III.2. Le Spinning Disk Reactor (SDR) .........................................................................4 III.3. Les réacteurs échangeurs compacts ......................................................................5 III.4. La distillation réactive- réacteur à membrane.......................................................6 III.5. Les colonnes à parois divisées ..............................................................................7 V. Les méthodes d’application des procédés intensifiés ...............................................9 V. 1. Application d’intensification du procédé de vaporeformage à travers la réalisation d’un échangeur-réacteur...............................................................................9 V.1.1. Les procédés de synthèse d’hydrogène..............................................................9 V.1.1.1. Synthèse d’hydrogène par SMR (Steam Methane Reforming) ......................9 V.1.2. Intérêt des échangeurs-réacteurs microstructurés .............................................11 V.2.3. Application au vaporeformage..........................................................................11 V.2.3.1. Catalyseurs : principe et limites actuelles pour une application ...................12 dans un échangeur-réacteur..........................................................................................12 V.2.3.2. Les catalyseurs pour la réaction de vaporeformage du méthane ..................12 V.2.3.3. Les phénomènes de désactivation des catalyseurs........................................12 V.2.3.4. Perspectives de développement ....................................................................12 V.2.4. Présentation de l’échangeur-réacteur LokiR....................................................13 V. 2. Application d’intensification du procédé a la distillation réactive .....................14 V. 2.1. Séparations réactives.......................................................................................14 V. 2.2. Application de la distillation réactive dans la production d’acétate de méthyle ......................................................................................................................................16 V. 2.2.1. Procédé conventionnel de production d’acétate de méthyle........................16 V. 2.3. Avantages de la distillation réactive ................................................................18 VI. LES Ultrasons et les Micro ondes dans les procédés intensifiés ..........................20 VI.1. Les procédés d’extraction intensifiés..................................................................20 VI.2. Extraction par la méthode conventionnelle ( Soxhlet ) .....................................20 VI.3. Extraction assistée par ultrasons.........................................................................21 VI.3.1. Leprincipe.......................................................................................................21 VI.3.2. Comparaison avec les méthodes « classiques ».............................................22 VI.3.3. Avantages et Inconvénients ...........................................................................22 VI.3.3.1. Avantages ...................................................................................................22 VI.3.3.2. Inconvénients..............................................................................................23 VI.3.4. Extraction par ultrasons a l’échelle industrielle...........................................23 VI.4. Extraction assistée par micro-ondes ...................................................................24 VII. Les solvants alternatifs dans les procédés d’extraction........................................25 VII. 1. Extraction par fluide supercritique...................................................................25 VII. 1.1. Principe..........................................................................................................25 VII. 1.3. Le procédé.....................................................................................................25 VII.2. Les liquides ioniques........................................................................................26 VII. 2.1. Définition.......................................................................................................26 VII.2. 3. Applications des liquides ioniques................................................................28 VII.2. 4. Solubilité des gaz dans les liquides ioniques.................................................28 Préface L’industrie chimique fait partie des secteurs industriels les plus développés car ellerépond en grande partie à nos besoins quotidiens dans de nombreux domaines tels que l’agro-alimentaire, la pharmaceutique, le secteur de l’énergie, le textile. Pourtant, elle dispose d’une image peu glorieuse aux yeux du grand public. Aﬁn de limiter les risques associés à ce secteur, de plus en plus denormes contraignent les industries en termes de sécurité et de respect de l’environnement. De plus, la mondialisation engendre une pression supplémentaire sur les entreprises qui se doivent de maintenir leur compétitivité par rapport à la concurrence internationale. C’est dans cette optique qu’est né le concept d’intensiﬁcation des procédés devant permettre le développement d’installations plus propres, plus sûres et plus économiques. L’une des techniques d’intensiﬁcation des procédés est de réduire la taille des unités en rapport avec leur capacité de production, leur consommation énergétique, . . . Cela peut être appliqué à toutes les étapes de production telles que la réaction, la séparation ou la mise en forme. A ce titre, la miniaturisation des procédés est une voie inévitable d’intensiﬁcation. Intensification des procédés 1 INTRODUCTION Dans le contexte actuel de développement durable, l’intensification des procédésdevient plus en plus importante pour satisfaire les normes environnementales etles contraintes économiques. Stankiewicz et Moulin ont donné la définitionsuivante de l’intensification des procédés : « L’intensification des procédés consiste à développer des nouveaux équipementsou des nouvelles techniques qui, comparées aux techniques couramment utiliséesaujourd’hui, permettront de diminuer de façon conséquente le rapport taille deséquipements/capacité de production, la consommation d’énergie et la formationde produits indésirables de façon à aboutir à une technologie plus sûre et moinscoûteuse. » Ainsi les buts de l’intensification des procédés sont : – diminution du coût des équipements et d’opération – amélioration de la sécurité des équipements – augmentation de la productivité – diminution de la consommation énergétique – diminution du coût d’opération – préservation de l’environnement en diminuant la formation des sous-produitsdes réactions. L’intensification des procédés permet de très nombreuses et très diverses applications, queStankiewicz et Moulin regroupent dans deux catégories : – les équipements (hardware) spécifiques qui sont des appareils nouveaux développés pour atteindre les objectives cités ci-dessus. Ils s’agit des équipementsmettant en oeuvre des réactions chimiques (microréacteurs, réacteursà disques rotatifs) ou des autres appareils comme les échangeurs de chaleurscompacts ou les mélangeurs statiques. – les méthodes (software) dédiées à l’intensification des procédés, qui sont desexploitations différentes d’équipements déjà existants. Il s’agit des réacteursmultifonctionnels (distillation réactive), des séparations hybrides (distillationextractive), des sources d’énergies alternatives (ultrasons) ou des diversesméthodes (fluides supercritiques). Intensification des procédés 2 II. Bases de l’intensification des procédés II.1. Principes et applications de l’IP L’intensification des procédés s’attache à concevoir de nouveaux équipementsplus propres, plus surs et plus efficaces tout en diminuant la taille des unités en rapport avec leur volume de production, la consommation de ressources (énergies, eau, fossiles) et le cout de production. Elle s’impose donc pour la révolution de l’industrie chimique puisqu’elle nécessite une réelle transformation des usines et implique a repenser différemment les procédés. L’intensification s’articule autour de deux axes. Un premier concerne les méthodesd’intensification qui reviennent par exemple à coupler plusieurs opérations unitaires pour aboutir a des procédés multifonctionnels, ou encore a détourner des équipements de leurs fonctions originelles. Un deuxième axe est relatif aux technologies d’intensification telles que les microtechnologies, dans lesquelles les phénomènes de transferts et de mélange sont intensifies, ou encore aux les technologies ayant recours a des matériaux innovants. II.2. Les différents approches de l’IP II.2.1. L’aspect réduction du ratio surface sur volume (S/V) Le principe fondamental de la miniaturisation des appareils revient à accroitre leurrapport surface d’échange sur volume, tout en maintenant leur capacité de production. Les premières conséquences majeures sont l’amélioration des transferts thermiques (grâce a une surface d’échange multipliée) et des transferts de matière (grâcea la diminution des longueurs caractéristiques de diffusion moléculaire). II.2. 2. L’aspect microstructuration Les petites dimensions (des canaux) issues de la miniaturisation des procédés imposent un écoulement laminaire au sein des réacteurs et conduisent à de faibles temps deséjour. II.2.3. Intensification du transfert thermique dans les réacteurs- échangeurs compacts L’intensification des phénomènes thermiques est primordiale pour traiter des réactions exothermiques. Tout comme pour l’intensification des transferts de matiere, le design des canaux, pour lesquels le ratio S/V est très élève esta l’origine de l’intensification des transferts thermiques dans les réacteurs-échangeurs compacts. L’utilisation de matériau très conducteur pour la fabrication des plaques (comme le Intensification des procédés 3 Carbure de Silicium ou l’Aluminium) va également faciliter les échanges de chaleur entre le fluide réactionnel et la paroi. La caractérisation du transfert thermique passe par l’étude du coefficient global d’échange thermique U. Il est courant de s’intéresser au coefficient d’intensification UA/V, plutôt qu’au coefficient U pour prendre en compte la compacité des réacteurs, A étant l’aire d’échange et V, le volume de fluide procédé échangeant avec la paroi du réacteur. Intensification des procédés 4 III. Les équipements pour l’intensification des procédés III.1. Les mélangeurs statiques (Les mélangeurs SMR) Les mélangeurs statiques sont composes d’un ensemble d’éléments structuresimmobilises en série a l’intérieur d’un corps tubulaire. Ils peuvent être places dans une canalisation, une colonne ou un réacteur et sont alimentes en fluides grâce a un système de pompes. Ces inserts, a la géométrie bien particulière, ont l’avantage d’offrir un excellent mélange grâce a leur principe de division et de redistribution des fluides perpendiculairement a leur écoulement sans avoir recours a une énergie extérieure. Les mélangeurs statiques sont donc des équipements moins consommateurs d’énergiequ’un agitateur conventionnel et nécessitent moins de maintenance étant donnéel’impossibilité des éléments a se déplacer dans le tube. Enfin, l’échange thermique peut également avoir lieu en interne. Les élémentsstatiques, jouent a la fois le rôle de mélangeurs mais aussi d’échangeurs thermiques puisqu’ils sont traverses de l’intérieur par un fluide caloporteur. Le fluide procédé circule lui a l’extérieur de ces éléments en X. C’est sur ce concept que reposent les mélangeurs statiques SMR. Ils sont ainsi de parfaitsréacteurs-échangeurs adaptes aux réactions rapides, fortement exothermiques mais aussi aux réactions dont la viscosité croit au cours de leur avancement. Figure 1 : Le mélangeur statique SMXL: (a) SMXL monotube, (b) SMXL multitubes III.2. Le Spinning Disk Reactor (SDR) Le Spinning Disk Reactor est un système dans lequel un disque thermostate en rotation vient propulser un flux de réactifs injecte par le dessus, le long de l’axe de Intensification des procédés 5 rotation. Le principe est base sur l’utilisation de la force centrifuge pour générer des films de réactifs de très faible épaisseur. Détaillons le fonctionnement du SDR. Celui-ci est mis uploads/Finance/ cours-intensification-des-ro-cedes.pdf