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1 © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 1 • INTRODUCTION AUX OPÉR

1 © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 1 • INTRODUCTION AUX OPÉRATIONS UNITAIRES 1.1 Généralités Le génie chimique se livre à l’étude, à la construction, à la détermination de l’agencement, aux conditions opératoires et au fonctionnement de l’appareillage, souvent très spécial et très complexe, nécessaires à la ges- tion des réactions chimiques industrielles tout au long de leur déroule- ment. Cette démarche relève de l’ingénierie et du bureau d’études. Elle s’appuie sur les connaissances fondamentales ou, à défaut, sur des corré- lations établies à partir de l’expérience; un aspect plus technique concerne le choix des appareils et des matériaux avec lesquels seront réalisées les installations. Le génie chimique fait appel à des disciplines très diverses telles que : la thermodynamique chimique, qui permet de prévoir la possibilité et les caractéristiques énergétiques des réactions; la cinétique physique, qui s’intéresse aux transformations de la matière, de la chaleur et de la quantité de mouvement; la dynamique des systèmes, qui étudie le comportement transitoire et la commande automatique des processus; l’optimisation, qui tient compte des paramètres d’ordre technique et économique pour réaliser un objectif déterminé. 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. Il ne doit pas non plus être confondu avec la chimie industrielle, qui s’intéresse plus spécifiquement 1 • Introduction aux opérations unitaires 2 1.2 Historique aux enchaînements de réactions, aux produits et aux conditions à mettre en œuvre dans le procédé (catalyseurs, pressions, températures). L’aspect fondamental du génie chimique concerne les méthodes géné- rales et les principes 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 (réac- teurs, échangeurs, séparateurs, etc.) et grands systèmes résultant d’une association complexe de plusieurs unités d’opérations pour constituer un atelier ou une usine. Ces méthodes relèvent des sciences du génie chimique. Enfin un ensemble de règles et des procédures permettent de concevoir, dimensionner, construire et faire fonctionner les dispositifs dans lesquels seront conduites les opérations. 1.2 Historique La date de naissance du génie chimique moderne peut être située entre 1915, où A. D. Little définit le concept d’opération unitaire, et 1923, où ce concept est repris dans un ouvrage de W. H. Walker, W. K. Lewis et W. H. Mc Adams, Principles of Chemical Engineering. Pour la première fois, des opérations concernant le transport des fluides, les échanges de cha- leur, les changements de phase, les techniques de séparation, font l’objet d’études en soi et de théories quantitatives. La seconde révolution a lieu en 1960 avec la publication du livre Transport Phenomena de R. B. Bird, W. E. Steward et E. N. Lightfoot, où sont analysés en profondeur les processus élémentaires de transport de matière, d’énergie et de quantité de mouvement qui sont à la base des opérations unitaires. Vers la même époque, le couplage de ces processus avec la réaction chimique est pris en compte, dans une théorie générale des réacteurs chimiques. 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 mathé- matiques et aux représentations conceptuelles abstraites qui caractérisent le génie chimique moderne. Les années 1970-1980 voient un retour à une meilleure prise en compte des contraintes socio-économiques, en particulier la protection de l’environnement. Aujourd’hui, la crise de 1 • Introduction aux opérations unitaires 3 1.3 Opérations de génie chimique © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. l’énergie (recherche de substituts au pétrole, utilisation rationnelle de l’énergie), la nécessité de développer une chimie fine à haute valeur ajoutée et l’avènement prévisible des biotechnologies offrent de nombreuses perspectives au développement du génie chimique. 1.3 Opérations de génie chimique La traduction en termes industriels d’un mode opératoire par une struc- ture constituée du réacteur chimique et de l’ensemble des opérations unitaires définit le procédé. L ’analyse d’un procédé montre que les phases de réaction proprement dites (c’est-à-dire celles qui aboutissent à une transformation de la nature de la molécule) ne constituent qu’une partie de l’ensemble du procédé mis en œuvre. Elles sont presque toujours précédées, accompagnées et/ ou achevées par des phases de traitement physico-chimique permettant de faciliter l’introduction des réactifs, le bon déroulement des opéra- tions, l’extraction des produits résultant des réactions. Ces différentes phases peuvent intervenir séparément ou simultanément dans une zone déterminée du dispositif et au moment choisi comme le plus avantageux pour la bonne marche des opérations. Cet enchaînement d’opérations types, dont le principe se retrouve d’un procédé à l’autre, quelle que soit la nature du produit fabriqué, a conduit à l’idée de diviser le génie chimique en deux parties principales : – les réacteurs chimiques, qui permettent à une réaction chimique de s’accomplir; – les opérations unitaires, grâce auxquelles on prépare les réactifs et on effectue les séparations des constituants d’un mélange qui permettent ainsi le bon fonctionnement du réacteur chimique. 1.4 Remarques et conclusions Un certain nombre de sujets traités dans cet ouvrage ne sont pas des opérations unitaires à proprement parler, ni même toujours du génie chimique, mais leur présentation préalable est indispensable ici en raison 1 • Introduction aux opérations unitaires 4 1.4 Remarques et conclusions de leur importance dans le bilan énergétique des installations. Il s’agit soit de la physique à la base du génie chimique, soit de technologies non spé- cifiques, mais présentant un grand intérêt pour l’industrie chimique : – la dynamique des fluides et, à la suite, le stockage et le déplacement des fluides; – la transmission de la chaleur, qui intervient dans presque toutes les opérations unitaires; – les équilibres physiques entre phases, qui sont des notions fondamen- tales pour la compréhension de beaucoup d’opérations unitaires; – le mécanisme des réactions chimiques et la catalyse. En conclusion, pour transformer un produit à partir d’une matière dis- ponible, on doit établir les structures chimiques fondamentales, autre- ment dit le procédé, choisir le réacteur, définir la ou les opérations unitaires et enfin envisager son contrôle et sa commande. Le parcours de toutes ces étapes constitue la procédure de traitement d’un problème de génie chimique. Vu les exigences de la compétition industrielle, il est évi- dent que la tâche de chaque ingénieur de génie chimique est d’optimiser le procédé afin de concevoir et réaliser des installations de production qui soient de plus en plus performantes et avec un maximum de sécurité. T outes les installations de l’industrie chimique ne sont pas réservées à la production d’un seul produit; les plus nombreuses sont polyvalentes afin de pouvoir s’adapter à la demande. Elles offrent donc la possibilité de mettre en œuvre des procédés différents. Dans certains cas excep- tionnels, cette polyvalence peut être très complète (installation pilote), mais elle est coûteuse puisqu’elle complique les appareils et leur fonction- nement, et pèse sur les coûts de production. Avant le passage à l’échelon industriel, l’utilisation d’une installation pilote est fréquente. Cette étape permet de vérifier la fiabilité du système et d’affiner la recherche du meilleur rendement. Accessoirement, les substances obtenues dans l’installation pilote permettent d’anticiper la production industrielle et d’effectuer des essais d’utilisation, et la déter- mination des propriétés physico-chimiques et toxicologiques. L’installa- tion définitive tient compte de ces études préliminaires; elle pourra être modifiée pour remédier à des anomalies ou devenir plus performante. 1 • Introduction aux opérations unitaires 5 1.4 Remarques et conclusions © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. Les méthodes imaginées pour industrialiser les procédés chimiques peu- vent être adaptées à tous les procédés industriels de transformation de la matière et de l’énergie. Il s’agit d’identifier les processus physico-chimiques élémentaires, de décrire l’écoulement des fluides et des solides, d’établir des modèles mathématiques qui permettent de comprendre les processus, de choisir et de dimensionner les équipements et finalement de conduire les installations de manière optimale, sans oublier les objectifs économiques. Il faut encore souligner que le génie chimique, science jeune, a rapide- ment évolué et provoqué la création de toute une série de sciences paral- lèles telles que le génie agroalimentaire, le génie environnemental, le génie nucléaire, le génie biochimique, etc. On a ainsi aujourd’hui tendance à parler de génie des procédés, c’est-à-dire l’application, à d’autres domaines, de la méthodologie propre du génie chimique. Cette démarche générale du « génie des procédés » est très novatrice car l’industrie était organisée historiquement par « métiers » autour des filières de produits. 7 © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 2 • OPÉRATIONS UNITAIRES 2.1 Généralités Les opérations sont dites unitaires car elles sont fondées sur des règles de nature physique à caractère général et traduisent des transformations simples. Le principe fondamental de toute opération unitaire est toujours le même, à savoir la préparation et la mise en contact intime des phases en présence pour assurer le développement des réactions, les mécanismes de transport et de transfert de masse (ou matière), de chaleur et de quan- tité de mouvement qui uploads/Industriel/ 1-introduction-aux-operations-unitaires-1-1-generalites.pdf