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Chapitre I : Généralités sur les opératios unitaires 1. Généralités 1.1. Princi

Chapitre I : Généralités sur les opératios unitaires 1. Généralités 1.1. Principes fondamentaux des opérations unitaires Une opération unitaire est une subdivision d'un procédé industriel qui consiste en général en un enchaînement d’opérations élémentaires physiques ou chimiques. On peut classer les opérations unitaires en trois grandes classes : préparation, conditionnement et acheminement des matières premières ; transformation chimique des réactifs en produits ; séparation , purification et conditionnement des produits. 1.2. Généralités sur les procédés de séparations La séparation des mélanges homogènes nécessite la mise en œuvre de procédés parfois complexes. Ces procédés de séparation doivent mettre en œuvre une opération ou un ensemble d’opérations permettant de concentrer de manière sélective certains constituants dans une fraction donnée. Cette sélectivité provient du fait qu’à l’équilibre, la répartition du (ou des) constituants à séparer est différente dans les phases en présence. Cette différence est liée, soit aux propriétés thermodynamiques des constituants purs en présence (température d’ébullition ou éventuellement de cristallisation), soit à une différence d’affinité des constituants à séparer vis-à-vis d’un agent de séparation sélectif tel qu’un solvant ou adsorbant, qui est introduit dans le système. Exemple: partant d’un mélange homogène des deux constituants A et B, on introduit dans le système une nouvelle phase. Cette nouvelle phase est obtenue, soit par addition d’une phase sélective externe (solvant, adsorbant), soit par addition d’une énergie (chaleur, réfrigération, compression, détente..). Le facteur de séparation peut être défini par :α AB= xA 1/ xB1 xA 2/ xB2 x A1,x B1, x A2et xB2: Les fractions molaires des constituants A et B respectivement dans les phases 1 et 2. α AB est supérieur à 1 et la séparation est d’autant plus complète que le facteur de séparation est d’autant plus élevé. α ABdépend de la cinétique de transfert de matière et elle est d’autant plus faible que cette cinétique est lente. 1 Figure 1 : shéma de principe du procédé de séparation (Les composants minoritaire et entre parenthèse) 2. Classification des opérations unitaires 2.1. Classification selon les phénomènes physiques mis en oeuvre On peut classer les principales opérations mettant essentiellement en jeu des processus physiques, en deux grandes familles: A/ Opérations unitaires avec ou sans transfert de matière À leur tour les opérations unitaires peuvent se diviser en deux grandes classes : – les processus de séparation par diffusion (évaporation, distillation, extraction liquide- liquide, absorption, sublimation, adsorption, etc.) qui conviennent aux alimentations formées par mélanges homogènes; – les processus sans transfert de matière qui sont d’une part les opérations de simple séparation mécanique des mélanges hétérogènes (filtration, sédimentation, centrifugation), d’autre part les opérations modifiant la granulométrie de solides (broyage, frittage). B/ Opérations unitaires avec ou sans transfert de chaleur Souvent, les opérations unitaires nécessitent un transfert de chaleur, ainsi il est possible de réaliser une classification en se rapportant aux quantités d’énergie thermique mises en jeu. On distingue : – les opérations se déroulant sans (ou pratiquement sans) transfert de chaleur, telles que : • ultrafiltration, osmose inverse, extraction par liquide (pour un transfert de masse entre phases fluides); • adsorption, échange d’ions, chromatographie en phase liquide, lixiviation (pour un transfert de masse entre phases fluides et solides); – les opérations nécessitant d’importants échanges de chaleur : • distillation, évaporation, cristallisation, séchage etc…. 2 Addition d’énergie et/ou d’une phase sélective Charge (Mélange de A et B) Phase 1 Phase 2 B(A) A(B) 2.2. Classification selon les modes de réalisation On peut également classer les opérations unitaires d’après leurs régimes de fonctionnement. Certaines opérations sont menées en discontinu (batch), par charges successives, d’autres sont conduites en continu. Un système fonctionne en régime permanent si toutes ses caractéristiques (pression, concentration, température) sont constantes dans le temps. Dans le cas contraire, par exemple lors des démarrages ou des changements de marche, l’opération est dite en régime transitoire. A/ Processus continus et discontinus Dans un processus continu, dans la mesure où le fonctionnement est parfait, les différents paramètres, notamment les débits, sont constants dans le temps en chaque point de l’installation. Les réactifs à mélanger, ou le mélange à séparer, arrivent en un point de l’appareillage, tandis que la masse après réaction ou les produits séparés sortent en d’autres points. Le fonctionnement en continu permet généralement une régulation automatique très poussée qui conduit à une qualité absolument constante du produit. Le travail en continu convient pour une fabrication déterminée et, étant donné la haute technologie et la fiabilité du matériel, implique une longévité commerciale du produit à fabriquer ainsi que des productions journalières très élevées, afin de rentabiliser l’investissement très important. Avantages : – qualité de production constante ; – coût de production inférieur à celui d’une opération discontinue ; – besoins réduits en personnel ; – plus grande sécurité et meilleures conditions sanitaires (automatisation et pilotage déporté de l’installation). Inconvénients : – investissements élevés (notamment pour contrôles et régulations) ; – nécessité d’une régularité dans la qualité des matières premières ; – spécificité de l’appareillage. Dans un processus discontinu, la situation du système change constamment dans le temps et plusieurs phases de l’opération peuvent être exécutées successivement dans le même appareil; en continu, ces diverses phases ont lieu simultanément, chacune d’entre elles dans un appareil spécialisé. Avantages : 3 – appareillage polyvalent, charges faibles ; – pas de problème de circulation de certaines matières (pâtes) ; – parfois rendements plus élevés. Inconvénients : – coût énergétique élevé (chauffage et refroidissement pour chaque charge) ; – temps morts (remplissage, soutirage, refroidissement…) ; – besoin élevé en personnel (manutention, surveillance…) ; – qualité de production pouvant évoluer dans le temps ; – coût de production élevé. 3. Présentation des opérations unitaires avec transfert de masse Les opérations unitaires avec transfert de masse concernent les mélanges dont on sépare les composants par transfert sélectif de l’un ou plusieurs d’entre eux dans une phase différente de celle où il se trouvait avant que la séparation ne soit pratiquée. Il peut y avoir partage d’un soluté entre phases nom miscibles (extraction liquide-liquide, opération gaz/liquide), ou changement d’état (distillation, évaporation, sublimation). 3.1. Extraction liquide-liquide : partage d’un soluté entre phases nom ou partiellement miscibles. Cette technique qui a connu un développement assez modeste en pétrochimie et en pharmacie, s’est imposée surtout dans le traitement des minerais de métaux non ferreux par hydrométalurgie. 3.2. Absorption et stripping (désorption) : on les regroupe souvent sous la rubrique « opération gaz/liquide ».  l’absorption est surtout utilisée pour purifier des gaz incondensables (de l’air le plus souvent), polluants condensable que l’on ne peut pas rejeter dans l’atmosphère (dioxyde de soufre, ammoniac, etc…).  le stripping permet de séparer les fractions volatiles d’un liquide non volatiles ou moins volatile. Les essences légères sont séparées des hydrocarbures plus légers par cette dernière technique. 3.3. La distillation : est une des séparations les plus ancienne, c’est une opération où la séparation est provoqué par un changement d’état d’une partie de la charge puisque cette séparation repose sur le partage sélectif des compposants de mélange entre la vapeur et le liquide selon leur plus ou moins grande volatilité. 3.4. Extraction liquide-solide (la lixiviation) : c’est une opération liquide-solide qu’il ne faut pas confondre avec la dissolution de solide. La lixiviation met en présence un liquide et un solide imprégné du même liquide, mais contenant en plus un soluté que l’on souhaite 4 récupérer. Le contact du liquide avec le solide imbibé permet de faire passer le soluté dans le liquide. Ces techniques sont utilisées en agro-alimentaire (récupération du sucre de betterave par lixiviation à l’eau) et récupération d’huile d’arachide par lixiviation à un aromatique (pour usage non alimentaire). 5 uploads/Industriel/ chapitre-i-generalites.pdf