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GENIE CHIMIQUE Deuxième partie LES OPERATIONS CHIMIQUES UNITAIRES Notes rédigée

GENIE CHIMIQUE Deuxième partie LES OPERATIONS CHIMIQUES UNITAIRES Notes rédigées par Christian CHARLIER - I - Table des matières 1. Introduction.................................................................................................... 1 2. Généralisation des réactions chimiques........................................................ 3 2.1. Stoechiométrie................................................................................... 3 2.1.1. Cas d'une réaction.............................................................. 3 2.1.1.1. La fraction molaire ................................................ 7 2.1.1.2. La pression partielle.............................................. 7 2.1.1.3. Le volume ............................................................. 8 2.1.1.3.1. Cas de la phase liquide idéale......................... 8 2.1.1.3.2. Cas de la phase gazeuse idéale...................... 9 2.1.1.4. La concentration molaire..................................... 10 2.1.2. Cas de plusieurs réactions............................................... 11 2.1.3. Cas des systèmes ouverts ............................................... 12 2.1.4. Application à un exemple ................................................. 14 2.2. Thermochimie .................................................................................. 17 2.2.1. Application à l'exemple précédent.................................... 25 2.3. Cinétique.......................................................................................... 26 2.3.1. Evolution de la vitesse...................................................... 28 2.3.2. Irréversibilité..................................................................... 28 2.3.3. Constante de vitesse........................................................ 28 2.3.4. Expression et ordres de réaction...................................... 28 2.3.5. Réversibilité....................................................................... 29 2.3.6. Expression de vitesse pour quelques cas particuliers................................................................................... 29 2.3.7. Application à l'exemple..................................................... 30 3. Le réacteur et la réaction chimique.............................................................. 32 3.1. Types de réacteur............................................................................ 32 3.1.1. Cuve................................................................................. 32 3.1.2. Tube ou piston.................................................................. 32 3.2. Types d'opération............................................................................. 32 3.2.1. Opération continue........................................................... 32 3.2.2. Opération discontinue ...................................................... 32 3.2.3. Opération semi-continue .................................................. 33 3.2.4. Remarques....................................................................... 33 3.3. Dispositifs schématiques de réacteurs............................................. 33 3.4. Types de réaction ............................................................................ 35 3.4.1. Phase homogène gazeuse............................................... 36 3.4.2. Phase homogène liquide.................................................. 36 3.4.3. Phases hétérogènes gaz solide ....................................... 36 3.4.4. Phases hétérogènes gaz liquide ...................................... 37 3.4.5. Phases hétérogènes liquide liquide.................................. 37 3.4.6. Phases hétérogènes liquide solide................................... 37 3.4.7. Phases hétérogènes gaz liquide solide............................ 38 3.5. Quelques remarques........................................................................ 38 3.6. Tableau résumé des réactions et des réacteurs .............................. 39 4. Modèle de réacteurs chimiques homogènes............................................... 40 4.1. Réacteur discontinu à cuve parfaitement mélangée ........................ 40 4.2. Réacteur continu stationnaire à cuve parfaitement mélangée.......... 41 - II - 4.3. Réacteur continu stationnaire tubulaire à écoulement piston........... 42 4.4. Remarques sur le fonctionnement des réacteurs............................. 42 5. Etude des réacteurs chimiques homogènes isothermes à une réaction ............................................................................................................ 44 5.1. R.D.C.P.M........................................................................................ 45 5.1.1. Réaction en phase liquide................................................ 45 5.1.2. Réaction en phase gazeuse............................................. 47 5.1.2.1. Volume constant................................................. 47 5.1.2.2. Pression constante ............................................. 49 5.2. R.C.S.T.E.P...................................................................................... 50 5.3. R.C.S.C.P.M..................................................................................... 55 5.4. Association de réacteurs chimiques................................................. 59 5.4.1. Association de R.C.S.T.E.P.............................................. 59 5.4.1.1. En série .............................................................. 59 5.4.1.2. En parallèle......................................................... 60 5.4.2. Association de R.C.S.C.P.M............................................. 61 5.4.2.1. En série .............................................................. 61 5.4.2.2. En parallèle......................................................... 62 6. Etude des réacteurs chimiques homogènes isothermes à plusieurs réactions........................................................................................................... 63 6.1. Sélectivité et rendement................................................................... 63 6.1.1. Illustration par un exemple ............................................... 65 6.2. Bilans de matières dans les réacteurs idéaux.................................. 66 6.2.1. R.D.C.P.M. ....................................................................... 67 6.2.2. R.C.S.T.E.P...................................................................... 68 6.2.3. R.C.S.C.P.M..................................................................... 68 6.3. Décomposition d'un système réactionnel complexe......................... 69 6.3.1. Exemple ........................................................................... 70 7. Etude des réacteurs chimiques homogènes non isothermes à une réaction ............................................................................................................ 73 7.1. Influence de la température dans le cas des réacteurs isothermes ............................................................................................... 73 7.1.1. Cas de la réaction irréversible endothermique ou exothermique .............................................................................. 74 7.1.2. Cas de la réaction réversible endothermique ................... 75 7.1.3. Cas de la réaction réversible exothermique ..................... 76 7.2. Le R.C.S.C.P.M. non isotherme....................................................... 77 7.2.1. Cas du R.C.S.C.P.M. adiabatique .................................... 78 7.2.1.1. Cas de la réaction endothermique irréversible ou réversible................................................... 82 7.2.1.2. Cas de la réaction exothermique irréversible ou réversible................................................... 82 7.2.2. Cas du R.C.S.C.P.M. non adiabatique ............................. 84 7.3. Le R.D.C.P.M. non isotherme .......................................................... 86 7.4. Le R.C.S.T.E.P. non isotherme........................................................ 87 8. Etude des réacteurs chimiques réels .......................................................... 89 9. Bibliographie................................................................................................ 90 10. Questions relatives au chapitre ................................................................. 91 11. Index ........................................................................................................... 1 Génie Chimique OCU - 1 - LES OPERATIONS CHIMIQUES UNITAIRES "The first step to knowledge is to know that we are ignorant." Socrates 1. Introduction Comme cela a été vu précédemment dans une introduction sur le Génie[1] dans la chimie, celui des Opérations Chimiques Unitaires (O.C.U.) s'occupe essentiellement des réacteurs. Le réacteur est la deuxième étape du mégaschéma général d'un procédé industriel. C'est l'étape de la transformation de la matière, l'étape où de nouvelles molécules sont créées. Dans l'introduction générale au Génie Chimique, il avait été mis en évidence que la classification des opérations unitaires chimiques était plus difficile, plus délicate. Il n'est pas raisonnable d'utiliser comme base de classification, les types de réactions (hydrogénation, oxydation, etc.), tant les phénomènes chimiques et physiques mis en jeu semblent nombreux et leurs interactions complexes. Par conséquent, le Génie des opérations chimiques sera plutôt basé sur le réacteur lui-même. L'étude des réacteurs est aussi soumise (et d'ailleurs elle s'en sert[2]), aux lois de la thermodynamique ou thermochimie (pour les équilibres chimiques), aux lois de la cinétique chimique (pour connaître les expressions de vitesse de réaction chimique), ainsi qu'aux lois de transport et de transfert de la matière (pour modéliser les cheminements des éléments). Grâce à la connaissance et au recours de ces disciplines, l'étude physico- chimico-mathématique du réacteur chimique est réalisée et elle est basée sur l'établissement d'hypothèses simplificatrices ou non. Cette étude mathématique aboutit à la conception théorique du réacteur. Ceci permet aussi de l'analyser [1] Ce qui n'a rien à voir avec l'affirmation : faut-il être un Génie pour faire de la chimie ? [2] Et sait s'en servir bien sûr. Génie Chimique OCU - 2 - sous un angle économique : construire un réacteur coûte cher, donc il faut absolument qu'il soit performant. La démarche scientifique devient de plus en plus incontournable. Alors qu'à l'origine, il est possible de comprendre que les procédés ont été développés sur des bases empiriques, les exigences actuelles et même futures du marché (approvisionnement, qualité du produit, diversité, etc.), risquent fort de croître, entraînant que la démarche scientifique trouve son inévitable ou indispensable justification. Une consultation de l’organigramme suivant donne un aperçu de la structure du Génie des Opérations Chimiques Unitaires (O.C.U.). Chaque case représente un domaine d'études et de connaissances spécifiques, à acquérir et à maîtriser pour réaliser l'analyse complète du réacteur en vue de sa conception optimale. Il n’en reste pas moins que la maîtrise minimale de la notion de réaction chimique et de la thermodynamique qui tourne autour, est essentielle. Génie Chimique OCU - 3 - 2. Généralisation des réactions chimiques En fait, il serait possible de se rendre compte qu’il ne s’agit que de rappels ou de généralisation de principes de base qu’il est nécessaire d’avoir constamment sous la main et rassemblés. Cependant pour les impératifs de l'imprévisible, les principes habituels des réactions chimiques seront maintenant explicités sous une forme plus générale et normalement mieux adaptée aux besoins. 2.1. Stoechiométrie La stoechiométrie concerne tous les types de calculs qui sont en relation avec la réaction chimique. En effet, il faut comprendre que les variations de composition des différentes matières présentes dans un réacteur ne sont pas dues au hasard. La stoechiométrie concerne les variations internes dues uniquement aux réactions chimiques, ces variations internes étant communes à tous les réacteurs quel que soit leur type. Par contre, les variations externes dues aux transports de la matière sont spécifiques au type de réacteur. Le but poursuivi est de définir des variables stoechiométriques adaptées et générales qui permettent de décrire quantitativement les bilans de matière d'un réacteur chimique qu'il soit ouvert ou fermé. 2.1.1. Cas d'une réaction Soit un système fermé à une phase homogène où se déroule la réaction[3] générale suivante : νa A + νb B + νc C + ... ⇔ νp P + νq Q + νr R + ... Cette équation exprime un bilan matériel global fixant la philosophie de la réaction chimique. Elle définit les substances en présence, réactifs ou produits et les quantités individuelles en nombre mises en jeu. Le bilan massique est toujours vérifié et constant quel que soit le niveau d’avancement de la réaction. En toute généralité, cette équation chimique se reformule mathématiquement sous la forme : 0 = ∑ i=1 M νi Ai [3] Par convention, la réaction chimique est le plus souvent écrite dans le sens où elle a une chance d'être spontanée, ce qui est de toute façon fonction des conditions de température et de pression ainsi que des quantités initiales en substances. Génie Chimique OCU - 4 - où les νi sont les coefficients stoechiométriques de la réaction, ces coefficients comprennent leur signe, Ai est un des quelconques constituants de la réaction, M est le nombre de constituants intervenant dans la réaction. S'il y a des constituants inertes, c'est-à-dire n'intervenant pas dans la réaction, et qu'ils sont au nombre de I, le nombre total de substances sera N = M + I. La première variable intéressante qui apparaît est donc le coefficient stoechiométrique. Ce dernier est : - adimensionnel, - entier ou fractionnaire, - négatif pour un réactif, - positif pour un produit, - nul pour un inerte, - défini à un facteur multiplicatif près. Avant de passer à l’adaptation de cette variable stoechiométrique aux besoins des calculs, il faut encore insister sur la notion de réaction chimique simple ou indépendante et celle de réaction combinée ou dépendante. Une réaction simple n’a qu’un et un seul équilibrage stoechiométrique possible à un facteur multiplicatif près et cet équilibrage est basé sur les bilans atomiques des substances de part et d’autre de la réaction. Quand l’équilibrage ne permet qu’une possibilité alors la réaction uploads/Finance/ gc-ocu.pdf