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Notions de chimie industrielle Cours Exercices P. Cognet Corrigés Accueil génér

Notions de chimie industrielle Cours Exercices P. Cognet Corrigés Accueil général Objectifs Plan du cours 1. Présentation du monde de la chimie industrielle 2. Méthodologie pour la conception de procédé 3. Procédés à structure simple 4. Procédés à structure plus complexe Notions de chimie industrielle Département GPI  Objectifs du cours  Avoir une vue d’ensemble de la chimie industrielle  Approche alternative à l’approche classique (linéaire) : chimie fondamentale -> chimie industrielle  Approche par le procédé  Pouvoir analyser un schéma de procédé  On ne s’intéresse pas au dimensionnement détaillé  On s’intéresse : à l ’architecture du procédé, au choix des appareils, aux conditions opératoires GPI 1ère Année Ière conception d ’un procédé à partir des données fondamentales Accueil Module Chimie industrielle I  Dans la continuité de :  BES, Analyse préliminaire de procédés  Cours de Chimie organique  En s’appuyant sur les connaissances en :  Chimie organique, minérale, SPRM …  En préparation de Chimie Industrielle II (2A) Accueil 1. Grands domaines de la chimie industrielle 2. Caractéristiques de l’industrie chimique 3. Matières premières naturelles 4. Sources d’énergie 5. Voies d’accès aux principaux produits de base 6. Principales filières de transformation I. Présentation du monde de la chimie industrielle Accueil 1. Grands domaines de la chimie industrielle 11. Chimie de base (organique et minérale) Obtention de grands intermédiaires de la chimie minérale et organique à partir de qqes dizaines de matières premières Ex : engrais, solvants, monomères ... • CHIMIE LOURDE Production de matières premières de base, Molécules simples Gros tonnages Production en continu Bas prix, faible valeur ajoutée • CHIMIE FINE Production de molécules complexes (aldéhydes, cétones, amines, molécules polyfonctionnelles …) Intermédiaires de synthèse Produits finis (parachimie), production en quantités plus faibles en continu et en discontinu Prix plus élevés, haute valeur ajoutée Accueil Chimie de base Chimie minérale Chimie organique Transformation de matières premières banales : eau, air, sel, soufre, gaz naturel, calcaire, sable ... Acides inorganiques Bases inorganiques Engrais Gaz -> voir tableau Composés du carbone obtenus à partir de : végétaux, houille, pétrole, gaz naturel Biochimie Carbochimie Pétrochimie Accueil RAPPELS ORGANIQUE MINERAL  Chimie organique  Chimie minérale • Composés du C (+ H, O, N) • Chimie des composés des autres + non métaux Cl, Br, I, S, P ... Éléments + CO, CO2, RCN  Composés organiques  Composés minéraux • formés de liaisons covalentes • formés de liaisons ioniques • rarement solubles dans l’eau • électrolytes solubles dans l ’eau • F et Eb bas : la plupart sont liquides • F et Eb élevés; la plupart sont à T, P ordinaires cristallisés à T ordinaire • ρ voisine de 1 • ρ variable et souvent élevée • décomposés thermiquement • grande stabilité thermique • presque tous combustibles • rarement combustibles  Réactions organiques  Réactions minérales • souvent lentes, réversibles et • souvent rapides et totales incomplètes • effets thermiques forts • souvent faibles effets thermiques (exo-, endothermiques) Accueil TOP 50 DES PLUS FORTS TONNAGES (USA, 1991) 1. acide sulfurique 2. azote 3. éthylène 4. oxygène 5. ammoniac 6. chaux 7. acide phosphorique 8. soude 9. chlore 10. propylène 11. carbonate de sodium 12. urée 13. acide nitrique 14. nitrate d ’ammonium 15. 1,2-dichloroéthane 16. benzène 17. chlorure de vinyle 18. dioxyde de carbone 19. méthyltertiobutyléther 20. éthylbenzène 21. styrène 22. méthanol 23. acide téréphtalique 24. toluène 25. formaldéhyde 26. xylènes 27. acide chlorhydrique 28. p-xylène 29. oxyde d ’éthylène 30. éthylèneglycol 31. sulfate d ’ammonium 32. cumène 33. potasse 34. acide acétique 35. oxyde de propylène 36. phénol 37. butadiène 38. noir de carbone 39. acrylonitrile 40. acétate de vinyle 41. sulfate d ’aluminium 42. cyclohexane 43. oxyde de titane 44. acétone 45. silicate de sodium 46. acide adipique 47. sulfate de sodium 48. alcool isopropylique 49. chlorure de calcium 50. caprolactame Accueil Chimie minérale 0 12. Parachimie  Utilisation de produits de base  Tonnages importants, appel à des traitements physiques, mélange, conditionnement  Elaboration de produits fonctionnels, grande diversité : • savons,lessives, • peintures, vernis et encres, • parfums, cosmétiques et produits de beauté, • colles, liants et adhésifs, • colorants, explosifs, produits phytosanitaires ... 13. Pharmacie humaine et vétérinaire • Médicaments pour l’homme et vétérinaires • Activité de chimie fine et de spécialités • Nombreuses étapes réactionnelles + activité de formulation (galénique) • Activité de recherche importante • Effort de R&D : 100 Millions d’euros sur 10 ans /médicament FORMULATION Accueil 1 14. Métallurgie chimique (ou métallurgie extractive)  Permet de transformer en métal les combinaisons chimiques stables thermodynamiquement à l’état naturel (oxydes, carbonates, chlorures, sulfures …)  Implique des opération de séparation, purification, concentration des minerais …  2 voies de production : extraction du métal à partir de solutions aqueuses par : • cémentation • précipitation • électrolyse métallurgie par voie humide métallurgie par voie sèche 2 voies de production Réduction d ’un oxyde ou d’un halogénure par : • C, CO, H2, • Mg, Ca, Al, ... + réduction en milieu fondu (électrolyse de l’alumine pour obtenir Al) Accueil 2 Chiffres d’affaires réalisés en France en 1989 Chimie de base : chimie minérale 6 Millions d’euros chimie organique 18 Millions d’euros Parachimie : 17 Millions d’euros Pharmacie humaine et vétérinaire 12,5 Millions d’euros Métallurgie : métaux non ferreux 9 Millions d’euros sidérurgie 15 Millions d’euros Accueil 3 21. Grands groupes 2. Caractéristiques de l’industrie chimique HOECHST RFA 24414 BAYER RFA 23031 BASF RFA 22269 ICI GB 21557 DU PONT USA 21402 EASTMAN KODAK USA 18398 DOW CHEMICAL USA 17600 CIBA-GEIGY Suisse 12597 SHELL GB-NL 11902 RHÔNE-POULENC France 11440 FERRUZI Italie 10931 EXXON USA 10600 AKZO NL 8835 Elf Aquitaine France 8820 Union Carbide USA 8744 MONSANTO USA 8680 SANDOZ Suisse 7639 BRISTOL MYERS SQUIBB USA 7057 MERCK USA 6550 SOLVAY Belgique 6517 RHODIA AVENTIS TOTAL (CA 1989, hors activités pétrole et énergie), M$ Accueil 4  Industrie jeune  Peu de procédés anciens : • synthèse du carbonate de calcium (Solvay, 1861) • synthèse de l ’ammoniac (Haber-Bosch, 1911)  Développement important et diversification • évolution rapide des technologies  En 1990 : 1 produit sur 2 a moins de 10 ans  Industrie en expansion  Croissance des marchés, coût des matière premières baisse  Imbrications industrielles complexes  La chimie intervient dans la plupart des activités de production  Valorisation des sous- et co-produits  Industrie de capitaux  Concurrence sur les coûts de production -> investissements importants Accueil 5  Mondialisation de l’industrie chimique  Protection contre fluctuations des monnaies, des coûts  Sécurité d ’accès à l’énergie et aux matières premières  Prix de la main d’œuvre (!)  Effort de recherche considérable  Chimie Fine : élargissement et renouvellement continu de la gamme des produits -> innovation interne  Tendances actuelles : • robotisation • développement des moyens de mesure et d’analyse • développement de recherches aux interfaces ex : matériaux composites • prise en compte des aspects sécurité et environnement Tendance au regroupements (acquisitions) Accueil 6 22. Relations Chimie industrielle et chimie académique  La Chimie Industrielle possède sa logique propre S’écarte de la chimie « académique » afin de s ’adapter aux impératifs : • économiques • technologiques • de sécurité • d’environnement  Quelques exemples 1. Remplacement du chlore par O2, air dans les procédés d ’oxydation (contraintes économiques et écologiques) 2. Production de TiO2 : limitation sévère des rejets liés au procédé d ’extraction du minerai par H2SO4 -> développement de la technique au chlore 3. Oxydation de SO2 en SO3 : SO2 + 1/2 O2 -> SO3 ∆ν < 0 -> P -> réaction favorisée pourtant procédé de double catalyse (P faible) Accueil 7  Evolution des méthodes d’obtention • Exemple : production d ’acrylonitrile - Procédé ancien : HCN servait à préparer l’acrylonitrile à partir d ’acétylène : CH≡ CH + HCN CH2=CH-CN -Procédé actuel : HCN = sous-produit de la production d’acrylonitrile par ammoxydation du propylène : 2 CH2=CH-CH3 + 2 NH3 + 3 O2 6 H2O + 2 CH2=CH-CN CH2=CH-CH3 + 3 NH3 + 3 O2 6 H2O + 3 HCN HCN : matière première sous-produit  Transfert d ’une réaction chimique du domaine fondamental au domaine industriel • prend en compte l ’importance des masses manipulées (MP, pdts, ss-pdts)  CONCLUSION : connaissances de base de la chimie académique indispensables MAIS adaptation aux contraintes de la chimie industrielle Accueil 8 ACTIVITE INDUSTRIELLE ET ECONOMIQUE EN CHIMIE (P. ARNAUD) ENERGIE HOUILLE, PETROLE BIOMASSE PARACHIMIE CHIMIE DE BASE PHARMACIE INDUSTRIES CONSOMMATEURS AGRICULTURE Matières premières Transformation Utilisation Accueil 9 3. Matières premières naturelles  Substances disponibles dans notre environnement terrestre Oxygène455 000 Vanadium 136 Silicium 272 000 Chlore 126 Aluminium 83 000 Chrome 122 Fer 62 000 Nickel 99 Calcium 46 600 Rubidium 78 Magnésium 27 640 Zinc 76 Sodium 22 700 Cuivre 68 Potassium 18 400 Cérium 66 Titane 6 320 Néodyme 40 Hydrogène 1 520 Lanthane 35 Phosphore 1 120 Yttrium 31 Manganèse 1 060 Cobalt 29 Fluor 544 Scandium 25 Baryum 390 Niobium uploads/Industriel/ 03extrait-chimie-industrielle 1 .pdf