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Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS

Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS 1 Chap. I : Du génie chimique au génie des procédés D’une façon générale, les industries de transformation de la matière sont celles qui permettent, par des réactions chimiques et des opérations d’extraction, de séparation, de purification, de mélange, de broyage, de triage, etc. de passer de matières premières (telles que des minerais, du pétrole brut, des produits agricoles) à des produits finis (l’essence, le papier, le sucre, les produits pharmaceutiques/ou destinés à être retransformés ou mis en forme par d’autres industries (par exemple, l’acier ou l’amidon). On définit le génie chimique comme étant l’ensemble des connaissances et des méthodes traitant de la mise en œuvre optimale des « procédés industriels de transformation physico-chimique et biologique » des matières premières en produits fonctionnels en vue de satisfaire des besoins socio-économiques. MATIERES PRODUITS PREMIERES RECHERCHES PROCEDE INDUSTRIEL ENERGIE REJETS NUISANCES INFORMATION Le génie chimique comporte trois aspects : - un aspect fondamental qui concerne les méthodes générales et les pricipes de base permettant de décrire les transformations et d’analyser le fonctionnement des procédés à différents niveaux processus physico-chimiques élémentaires mis en jeu ; unités d’opérations (réacteurs, échangeurs, séparateurs,...) et grands systèmes résultant d’une association complexe de plusieurs unités d’opération pour constituer un atelier ou une usine. Ces méthodes relèvent des sciences du génie chimique. - un ensemble de règles et de procédures permettant de concevoir, dimensionner, construire et faire fonctionner les dispositifs dans lesquels seront conduites les opérations. Cette démarche relève de l’ingénierie et de bureau d’études. Elle s’appuie sur les connaissances fondamentales ou à défaut sur des corrélations établies à partir de l’expérience. Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS 2 - un aspect plus technique qui concerne le choix des appareils et des matériaux avec lesquels seront réalisés les installations. Le génie chimique n’est pas une simple combinaison de physique, de mathématiques et de chimie appliquée : c’est aujourd’hui une discipline autonome qui a développé ses propres concepts. La date de naissance du génie chimique peut être située entre 1915 où Little définit le concept d’opération unitaire et 1923 où ce concept est repris dans un ouvrage de Walker, Lewis et Mc Adams « Principles of Chemical Engineering » dans cet ouvrage, un groupe d’universitaires américains explique que tout procédé industriel pouvait se ramener à une combinaison logique d’un nombre restreint d’unités d’opérations physiques (unit operations) tels que broyage, filtration, distillation, adsorption, séchage, etc que l’on retrouve dans tous les domaines chimiques. L’intérêt du mode continu s’est amplifié quand ou s’est rendu compte qu’il pouvait permettre d’atteindre de grosses capacités de production, tout en diminuant les besoins en main-d’œuvre. Ces efforts d’augmentation de la productivité ont conduit R. Bird, W.E. Stewart et E.N. Lightyfoolt à publier « Transport Phenomena » en 1960. Cet ouvrage traite, sur une base analytique, des phénomènes de transport appliqués à la matière, à la chaleur et à la quantité de mouvement dans les opérations unitaires. Le génie des réactions chimiques (chemical reaction engineering) est venu compléter les bases analytiques des phénomènes de transport, au début des années 1960, en s’intéressant plus particulièrement aux modes de fonctionnement des appareils dans lesquels la matière subit une modification chimique et en mettant en exergue la cinétique et la catalyse, c’est une étape décisive vers une compréhension fondamentale et unitaire du fonctionnement des procédés. Simultanément, le développement des moyens de traitement de l’information ouvre la voie aux modèles mathématiques et aux représentations conceptuelles abstraites qui caractérisent le génie chimique moderne. Les années 70 voient un retour à une meilleure prise en compte des contraintes socio-économiques, en particulier la protection de l’environnement. Le génie des procédés s’affirme maintenant comme une science. La méthodologie s’est révélée indispensable pour améliorer la productivité industrielle, en dépassant le stade purement chimique et en s’étendant à tous les procédés de transformation. C’est aussi que le Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS 3 génie chimique, le génie pétrolier, le génie de l’élaboration des matériaux, le génie papetier, le génie pharmaceutique, le génie biologique, le génie des procédés alimentaires, etc. sont devenus des sous-ensembles, ou des secteurs d’application du génie des procédés. Pour montrer le domaine d’action du génie des procédés, considérons l’exemple de deux procédés apparemment aussi différents que la fabrication du carbone de disodium ( 2 NH4HCO3 + 2 NaCl 2 NaHCO3 + 2 NH4Cl Na2CO3 + CO2 + H2O ) et d’un antibiotique à très haute valeur ajoutée. La production du carbonate de disodium, 11ème produit mondial au niveau du tonnage qui se compte en milliers de tonnes par jour, est relativement simple sur le plan chimique. Par contre, la synthèse de l’antibiotique qui nécessite de nombreuses étapes et le principe actif est utilisé à faible dose se compte en quelques kilogrammes par jour. Le schéma réactionnel est évidemment totalement différent mais, dans les deux procédés, on utilise des méthodes et des techniques semblables : cristallisation, filtration, séchage des solides, évaporation des solvants, absorption des gaz, etc. De plus, ces opérations peuvent être réalisées dans des appareils de conception voisine même si les tailles ont très différentes. Le génie des procédés regroupe l’étude et la mise en œuvre des appareils (réacteurs, filtres, séchoirs, évaporateurs, colonnes, etc.) du point de vue de leur principe, de leur conception, de leur fonctionnement dans des conditions optimales et de leur intégration dans une chaîne de production. Il nécessite de connaître toutes les notions de la physico- chimie des opérations unitaire utilisées dans l’industrie chimique. Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS 4 Chap. II : Opérations unitaires du génie des procédés L’industrialisation d’un procédé nécessite de connaître les diverses phases de transformation chimique mais aussi toutes les opérations élémentaires individuelles mises en œuvre dans ce traitement pour séparer les composants ainsi que les lois et les méthodes de calcul qui régissent toutes ces opérations unitaires (unit operations). Toute production chimique fait appel, quelle que soit l’échelle, à une suite coordonnée d’opérations fondamentales distinctes et indépendantes du procédé lui même : - préparation et conditionnement des matières premières (réactifs) ; - transformation chimique des réactifs en produits avec intervention énergétique (chauffage ou refroidissement) - séparation et purification des produits - conditionnement des produits finis. Tous ces procédés sont réalisés avec des solides, des liquides ou des gaz (ou des mélanges de composés sous ces divers états) et les opérations unitaires mis en œuvre dans cette chaîne de traitement, sont communes à toute l’industrie chimique. L’étude de l’ensemble des opérations physico-chimiques qui interviennent dans tout procédé l’industriel a permis de les classer par groupes selon qu’elles se rapportent à des transferts de matière et/ou à des transformations thermiques. On distingue quatre grandes catégories d’opérations selon qu’elles font appel à des solides, à des liquides, à des gaz ou qu’elles se réfèrent à des transferts de matière et/ou d’énergie de composés en équilibre sous ces divers états. 1/- Opérations mécaniques sur les fluides : La mécanique des fluides comporte la mécanique des gaz (fluides compressibles) et des liquides (fluides incompressibles). Elle comprend l’étude des fluides au repos ou en mouvement et la mécanique des machines hydrauliques correspondante. * la statique des fluides (fluid static) est l’étude des fluides au repos. Elle trouve des applications technologiques dans le domaine du stockage et de la mesure des pressions. Introduction au Génie des Procédés & procédés industriels Nabil KECHAOU - ENIS 5 * la dynamique des fluides incompressibles (flow of incompressible fluids) est l’étude de l’écoulement d’un liquide. Les fluides réels incompressibles sont classés en plusieurs catégories selon leurs propriétés rhéologiques (liées à la viscosité). Leurs caractéristiques sont très différentes selon que l’on utilise des liquides purs ou des solutions (fluides newtoniens) ou des liquides visqueux (fluides non newtoniens) tels que les verres, les plastiques, les gels, les mousses ou encore les suspensions. La technologie qui se rapporte à ce domaine concerne la mesure des débits, l’étude des canalisations et des pompes de circulation. * la dynamique des fluides compressibles (flow of compressible fluids) est l’étude de l’écoulement et des modifications de volume et de pression des gaz. La technologie correspondante concerne essentiellement l’étude des compresseurs et des pompes à vide. L’écoulement des fluides est également à la base des transferts thermiques entre deux fluides à des températures différentes (cf. échangeurs thermiques). 2/- Opération mécaniques sur les solides : Ces opérations concernent les solides seuls ou les mélanges diphasiques solide-fluide. * Fragmentation (size reduction, comminution) La fragmentation (concassage, broyage) est la réduction des solides en particules ou fragments plus petits après passage dans des concasseurs ou broyeurs. Cette opération est utilisée pour conditionner le solide avant la vente (broyage des minerais, du charbon,...) ou pour augmenter la surface spécifique (surface de contact du solide) avant une transformation chimique. * Manutention (handling) Les solides peuvent être manipulés en l’état ou à l’aide de fluides intermédiaires. - Manutention en l’état: déplacement de solides à l’aide des divers transporteurs et convoyeurs. - Fluidisation (fluidization): production d’une suspension de uploads/Industriel/ bilan-energetique.pdf