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Ministère de la Défense Nationale ECOLE MILITAIRE POLYTECHNIQUE Cours Opération

Ministère de la Défense Nationale ECOLE MILITAIRE POLYTECHNIQUE Cours Opérations Unitaires 2ème Année Ingénieurs Chimie Cne BENALIOUCHE Fouad 2006 - 2007 DISTILLATION INTRODUCTION AU GENIE CHIMIQUE I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations continues et discontinues I. Définitions " Génie " : du mot " ingénieur ", désigne l’acte de création industrielle dans lequel l’ingénieur intervient en concevant, bâtissant ou utilisant un appareil pour y fabriquer des produits utilisables dans la société. En anglais : " engineering ". " Chimie " : science des propriétés des corps, de leurs interactions et de leurs transformations. Angl. : " chemistry ". " Procédé " : du latin " procederer " (aller de l’avant), indique la méthode à suivre pour obtenir un produit, c’est-à-dire transposer un mode opératoire de laboratoire en termes industriels. Angl. : " process ". Génie chimique = l’art de la conception, de la construction, de l’installation et du fonctionnement des unités dans lesquelles la matière subit des transformations physico-chimiques. I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations continues et discontinues Le génie chimique fait appel à un vaste domaine de connaissances en : chimie, physique pure, électricité, mécanique appliquée, techniques (automatisation, régulation, informatique appliquée)…, auquel il faut rajouter des domaines tels que : problèmes économiques (prix de revient) ; problèmes d’hygiène, de sécurité et d’environnement… Le génie des procédés est l’extension, à d’autres industries que l’industrie chimique, des méthodes élaborées par le génie chimique. On peut donc définir le génie des procédés comme " l’ensemble des connaissances relatives à la conception et à la mise en oeuvre des procédés industriels de transformation de la matière ". I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations continues et discontinues Tout procédé industriel peut se ramener à une combinaison logique d’un nombre restreint d’unités d’opérations physiques telles que broyage, filtration, distillation, absorption, séchage… que l’on appelle opérations unitaires. Les opérations unitaires sont donc les opérations élémentaires individuelles mises en oeuvre dans l’industrialisation d’un procédé. Les grandes étapes d’une fabrication sont généralement les suivantes : préparation, conditionnement et acheminement des matières premières (réactifs);  transformation chimique des réactifs en produits ; séparation, purification et conditionnement des produits. I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations continues et discontinues D’où une première classification des opérations unitaires envisageables (liste non exhaustive) : Préparation et acheminement des matières premières :  broyage, classement des solides ; transport des solides ; déplacement des liquides ; transport des gaz (compression, mise sous vide) ; Transformation chimique des réactifs en produits : homogénéisation des mélanges (agitation) ; réaction chimique (dans un réacteur) ; transferts de chaleur ; Séparation et purification des produits : concentration, cristallisation ; décantation ; filtration ; centrifugation (cas d’un mélange solide + liquide) ; rectification (distillation) ; extraction par solvant ; séchage. Une opération discontinue s’effectue en système fermé (batch process) : opère sur un lot de réactif que l’on traite en faisant succéder chronologiquement les différentes étapes prévues. Domaines d’application : laboratoire ; petites fabrications ; élaboration ou séparation de produits à forte valeur ajoutée. Avantages : 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. I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations 1. Opération discontinue 2. Opération continue Une opération continue s’effectue en système ouvert ou "à courants" (flow process) : es réactifs ("influents") sont introduits en continu dans l’appareil avec des débits déterminés. Les produits ("effluents") sont récupérés en continu, de telle sorte que l’appareil contienne toujours la même masse réactionnelle. Si les valeurs des différents paramètres (pression, température, composition…) en un point quelconque de l’appareil sont constantes, on dit que le régime stationnaire (ou permanent) est atteint. Ce type d’opération s’utilise dans les productions importantes à débouchés constantes . 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). I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations 1. Opération discontinue 2. Opération continue I. Définitions II. Notion d’opérations unitaires III. Opérations 1. Opération discontinue 2. Opération continue Inconvénients : investissements élevés (notamment pour contrôles et régulations) ; nécessité d’une régularité dans la qualité des matières premières ; spécificité de l’appareillage. Séance 02 04-09-2006 (80min) 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash DISTILLATION – RECTIFICATION 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash DISTILLATION – RECTIFICATION 1- Introduction........................................................................................................... 2- Généralités............................................................................................................ 3 - Les mélanges non idéaux................................................................................... 3.1- Les azéotropes............................................................................ 3.2- Les mélanges immiscibles............................................................ 4- Distillation Flash ou d'équilibre................................................................... 5- Distillation différentielle ou simple......................................................................... 6- Principe de la distillation – description.................................................................. 7- Rectification continue des mélanges binaires.......................................................... 7.1- Etude du fonctionnement à reflux total....................................................... 7.2- Fonctionnement à reflux partiel................................................................... 7.3- Distillation des mélanges complexes......................................................... 7.4- Distillation des mélanges binaires azéotropiques...................................... 7.5- Distillation des multicomposants................................................................ 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash La théorie du transfert de matière est surtout utilisée dans les opérations unitaires de séparation. L'opération la plus connue à cause de son utilisation dans la vie courante est la distillation. la vapeur sortante est riche en composé le plus volatil qu'en pied de colonne, le contenu liquide du bouilleur est riche en composé lourd. La vapeur recueillie en haut (distillat), le liquide en bas ( résidu). La qualité de la distillation va dépendre de plusieurs paramètres et avant tout de l'équilibre liquide-vapeur du mélange. mélange initial vapeur liquide distillat résidu 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash La théorie du transfert de matière est surtout utilisée dans les opérations unitaires de séparation. L'opération la plus connue à cause de son utilisation dans la vie courante est la distillation. la vapeur sortante est riche en composé le plus volatil qu'en pied de colonne, le contenu liquide du bouilleur est riche en composé lourd. La vapeur recueillie en haut (distillat), le liquide en bas ( résidu). La qualité de la distillation va dépendre de plusieurs paramètres et avant tout de l'équilibre liquide-vapeur du mélange. mélange initial vapeur liquide distillat résidu 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash Cette opération porte le nom de "rectification". Elle s'opère en général en continu. Une unité de distillation / rectification, comporte toujours 3 systèmes distincts: 1. Un système de vaporisation en bas de colonne appelé "bouilleur"; 2. Un système de condensation en tête de colonne appelé "condenseur"; 3. Un système de contact "colonne de fractionnement", située entre le bouilleur et le condenseur. bouilleur condenseur colonne de fractionnement 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash bouilleur condenseur colonne de fractionnement Les constituants les plus volatils du mélange initial se concentrent dans la phase vapeur qui étant condensée, forme le distillat. Les constituants moins volatils descendant vers le bouilleur et constituent le résidu. Une partie du distillat est réintroduite en tête de la colonne, c'est le reflux. distillat résidu reflux 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash Toute opération de distillation repose sur la connaissance de l'équilibre liquide – vapeur. Les déviations à l'idéalité s'observent quand des interactions apparaissent entre les molécules constituant le mélange. La loi de Raoult n'est plus vérifiée. La volatilité absolue K La volatilité relative : 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash 3.1- Les azéotropes Le caractère non idéal d'une solution peut s'accentuer au point que la volatilité relative s'inverse, c'est à dire qu'elle passe par la valeur 1 dans un sens ou dans l'autre. Pour cette valeur particulière de , on voit d'après l'équation 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash 3.1- Les azéotropes 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash 3.2- Les mélanges immiscibles l'eau + toluène l'eau + toluène Chauffage+Agitation La pression totale 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash 3.2- Les mélanges immiscibles 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash 3.2- Les mélanges immiscibles Mélange Idéale Azéotrope à minimum 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash Une détente de pression provoque la vaporisation rapide d'une partie du mélange (signification du mot Flash). 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash Le bilan de matière nous donne : Sur le composant le plus volatil Le bilan enthalpique 1-Introduction 2-Généralités 3-les mélanges non idéaux 4- Distillation Flash Si les deux courants étaient en équilibre alors les points W' et D' seraient placés sur une droite de conjugaison 5- Distillation différentielle ou simple W0 l'alimentation (en kmoles/h) xF fraction du composant le plus volatil W0 xF t W xW dW (x-dx) (W-dW). y.dW. N moles restant dans le ballon est/ (x-dx).(W-dW) Bilan sur le composant le plus volatil : On néglige dx-dW par rapport aux autres ce qui donne : 5- Distillation différentielle ou simple W0 xF t W xW dW (x-dx) (W-dW). y.dW. On obtient l'équation de Rayleigh : En utilisant les données uploads/Industriel/ cours-operation-unitaire.pdf