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Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purificat

Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purification des fluides cryogéniques 27 UHB Chlef Dr. Baraka Oussama Chapitre II : Procédés de séparation et de purification des fluides cryogéniques II.1. introduction : En chimie, un procédé de séparation est une technique ou une technologie permettant de transformer un mélange de substances en deux ou plusieurs composants distincts. Les buts de ce type de procédé peuvent être divers : - purification : des impuretés doivent être extraites du composé d'intérêt. - élimination d'une partie du solvant. - fractionnement : séparation d'un mélange complexe en plusieurs mélanges différents. Le principe d'un procédé de séparation est d'utiliser une différence de propriétés entre le composé d'intérêt et le reste du mélange. Plus la différence de propriété sera grande, plus la séparation sera meilleure. Ainsi, le choix du procédé de séparation commence par une bonne connaissance de la composition du mélange et des propriétés des différents composants. II.2. Les mélanges : Un mélange est une substance composée de plusieurs constituants différents. Il existe deux types de mélanges : - Un mélange hétérogène est un mélange pour lequel on peut distinguer au moins 2 constituants à l’œil nu. Exemples : jus d’orange, eau boueuse, eau+huile, boissons gazeuses,… - Un mélange homogène est un mélange pour lequel on ne distingue pas les différents constituants à l’œil nu. Exemples : eau sucrée, eau salée, sirop, lait,…. II.3. Techniques de séparation des fluides : II.3.1. Purification : En chimie, la purification est le fait de séparer, plus efficacement, la (les)substance(s) voulue(s) du reste des molécules présentes pour l'obtention d'un produit pur. II.3.2. Chromatographie : La Chromatographie est utilisée pour purifier des composés chimiques ou biologiques à des fins d'analyse ou de purification en quantité. Elle consiste à faire migrer les constituants à séparer sur une phase stationnaire immobile, à l’aide d’une phase mobile, liquide ou gazeuse, de nature différente. Chaque molécule sera plus ou moins rapidement entraînée selon son affinité pour, respectivement, la phase stationnaire et la phase mobile, permettant la séparation des différents constituants présents. II.3.3. Évaporation : L'évaporation est utilisé pour séparer des liquides en s'aidant des différences de volatilité (on ne peut en effet ici procéder à une filtration). II.3.4. La filtration : La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. L'utilisation d'un filtre permet de retenir les particules du mélange hétérogène qui sont plus grosses que les trous du filtre (porosité). Le liquide ayant subi la filtration est nommé filtrat ou perméat, tandis que la fraction retenue par le filtre est nommé résidu. Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purification des fluides cryogéniques 28 UHB Chlef Dr. Baraka Oussama II.3.5. Centrifugation : La centrifugation est un procédé de séparation des composés d'un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force centrifuge. Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides, soit de particules solides en suspension dans un fluide. II.3.6. Le raffinage : Le raffinage est un ensemble d'opérations et de traitements (mécaniques ou chimiques) qui permet d'améliorer les caractéristiques d'un produit et de fabriquer, à partir d'un produit brut, un produit commercial. il est utilisé dans l'industrie pétrolière permet la séparation des liquides volatils grâce aux différences de points de condensation (ce qui crée diverses étapes dans le processus). II.3.7. L'absorption : Appelée filtration en profondeur. Ce mécanisme consiste à retenir à l'intérieur du réseau poreux du filtre des particules dont la taille peut être inférieure au diamètre des pores. II.3.8. L'osmose inverse : L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression. Elle est utilisée pour le traitement de l'eau, notamment la désalinisation de l'eau de mer et la production d'eau purifiée, et dans l'industrie agroalimentaire. II.3.9. Cristallisation : La cristallisation est une opération unitaire du génie chimique consistant à isoler un produit sous forme de cristaux. L’objectif de la cristallisation peut être : isoler un produit pour le récupérer sous forme solide, c'est en quelque sorte l'inverse d'une distillation, ou purifier un produit : lors de la cristallisation, les impuretés sont rejetées dans la phase liquide; conférer au produit la bonne forme cristalline (morphologie, taille de particules, structure cristalline…). II.3.10. Sublimation : Quelques solides passent directement par chauffage à l'état gazeux sans passer par la phase liquide. Cette sorte de solide peut être séparée d'un mélange en chauffant ce dernier au-delà du point de sublimation et en fournissant une surface froide pour la sublimation (condensation) inverse. II.3.11. L'adsorption : L'adsorption est l'accumulation de substances à partir de gaz ou de liquide sur la surface d'un solide. Ceci permet d'éliminer des impuretés. Figure II.1 : Différence entre l'absorption et adsorption. Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purification des fluides cryogéniques 29 UHB Chlef Dr. Baraka Oussama L’adsorption, à ne pas confondre avec l’absorption, est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou de liquides (adsorbats) se fixent sur une surface solide (adsorbant) selon divers processus plus ou moins intenses comme les interactions de Van der Waals ou les interactions dipolaires. Le phénomène inverse, par lequel les molécules adsorbées sur une surface s’en détachent, notamment sous l’action de l’élévation de la température, ou de la baisse de pression, se nomme la désorption. Les adsorbants sont généralement utilisés sous forme de granulés sphériques ou de tiges. Ils doivent avoir une bonne résistance à l'abrasion et à la température et avoir des pores de faibles diamètres, ce qui résulte en une surface spécifique élevée. Les adsorbants industriels les plus connus peuvent être classés en trois familles : Classe Exemples Adsorbants carboné Charbon actif et graphite Adsorbants oxygénés Alumine activée, gel de silice et zéolithes Adsorbants polymères souvent des polymères styréniques réticulés Selon la nature des interactions qui retiennent l'adsorbat sur la surface de l'adsorbant, l'adsorption peut être classée en deux familles : l’adsorption physique ou physisorption met en jeu des liaisons faibles, du type forces de van der Waals ; l'adsorption chimique ou chimisorption met en jeu des énergies de liaison importantes, du type liaisons covalentes, ioniques ou métalliques entre les espèces chimiques adsorbées et l’adsorbant. II.4. Procédés de séparation – Rectification : II.4.1. La distillation : La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Sous l'effet de la chaleur ou d'une faible pression (loi des gaz parfaits), les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée pour donner le distillat. La distillation peut être effectuée de plusieurs manières : discontinue, continue, sous vide. - Distillation discontinue : Une distillation discontinue est une distillation où le mélange à séparer est chargé une fois dans l'installation et d'où les composants sont distillés les uns après les autres. Ceci implique un changement permanent de la composition du mélange initial et des profils de température. - Distillation continue : Une distillation continue est une distillation où l'installation de distillation est continuellement alimentée avec le mélange à séparer. Ce type d'installation permet de travailler sans modification des profils de composition ainsi que de température. - Distillation sous vide : Certains produits sont trop peu volatils à pression ambiante ou se décomposent avant de s'évaporer du fait de leur haut point d'ébullition. Dans ce cas, la pression de l'installation est réduite à l'aide d'une pompe à vide afin de réduire le point d'ébullition. Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purification des fluides cryogéniques 30 UHB Chlef Dr. Baraka Oussama II.4.2. La rectification : La distillation fractionnée, aussi appelée rectification, est un procédé de séparation par fractionnement. Son but est de séparer les différents constituants d’un mélange de liquides miscibles, possédant des températures d’ébullition différentes. Pour cela, elle exploite le même principe que la distillation classique mais se distingue par l'utilisation d'une colonne de séparation, qui permet une meilleure discrimination des constituants du mélange. Figure II.2 : Colonne à plateaux et agrandissement d’une partie de deux plateaux. II.4.3. différents types de distillation : Distillation simple : La distillation simple était autrefois appelée simplement distillation. L’opération peut être menée dans un appareil tel que celui de la figure II.3. L’alimentation liquide I passe dans un échangeur W où elle est partiellement évaporée. Le mélange biphasique entre dans un séparateur S qui assure une bonne séparation du liquide et de la vapeur. La phase vapeur est condensée dans un condenseur C et constitue le distillat D. La phase liquide est recueillie au fond du ballon séparateur et constitue le résidu E. Figure II.3 : Schéma de distillation simple. Distillation moléculaire : La distillation moléculaire (en anglais molecular ou short path distillation) est une distillation simple qui permet la purification de produits de masse molaire élevée et particulièrement thermosensibles. Procédés Cryogéniques Procédés de séparation et Génie des procédés de purification uploads/Industriel/ cryogenique-chap-ii.pdf