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Introduction aux opérations unitaires INTRODUCTION AUX OPÉRATIONS UNITAIRES I.1

Introduction aux opérations unitaires INTRODUCTION AUX OPÉRATIONS UNITAIRES I.1.Introduction Le génie chimique, ou génie des procédés, désigne l'application de la chimie ou d'autres industries (agro-alimentaires, biotechnologies) à l'échelle industrielle. Elle a pour but la transformation de la matière dans un cadre industriel et consiste en la conception, le dimensionnement et le fonctionnement d'un procédé comportant une ou plusieurs transformations chimiques et/ou physiques. Les méthodes utilisées dans un laboratoire ne sont souvent pas adaptées à la production industrielle d'un point de vue économique et technique. Le génie chimique permet ainsi le passage d'une synthèse de laboratoire à un procédé industriel de même que son fonctionnement dans le respect des contraintes économiques, techniques, environnementales et de sécurité. Le génie chimique se situe à la convergence de plusieurs disciplines et étudie les transformations, les transports et les transferts de la matière, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour établir des lois et des corrélations utilisables lors de la transposition ou de l'extrapolation à l'échelle industrielle. Le génie chimique, génie des procédés, est une spécialité à part entière qui s'applique à des domaines beaucoup plus larges que la chimie (industrie, environnement, etc...). Les principaux phénomènes et techniques impliqués dans le Génie des Procédés qui constituent la base de l'enseignement sont les suivants : - le transfert des fluides et des solides, - l'énergétique et les échanges thermiques, - les réacteurs biologiques et enzymologiques, - les opérations unitaires, - l'automatisme et la régulation, - le contrôle des procédés et sa schématisation. I.2.Notion Fondamental ; I.2.1.Procédés industriels Un procédé industriel est un procédé de nature mécanique ou chimique destiné à produire des objets ou à synthétiser des produits chimiques, en grande quantité et dans des conditions techniquement et économiquement acceptables. Ils sont notamment essentiels aux industries dites lourdes (par exemple, fabrication d'automobiles ou synthèse de l'essence). Les procédés industriels permettent d'obtenir en grande quantité des produits qui autrement seraient relativement difficiles ou coûteux à obtenir. Ces produits peuvent alors être considérés comme des « commodités », c'est-à-dire des produits d'usage banal et disponibles en très grandes quantités. En rendant les produits fabriqués nettement moins chers, les procédés industriels permettent en effet de les consommer à grande échelle, par exemple l'acier, issu d'un procédé industriel, est lui-même utilisé pour la fabrication de machines. La fabrication d'un produit peut nécessiter l'utilisation de plusieurs procédés. Opération Unitaire De la matière première au conditionnement du produit fini, toute production chimique fait appel, quelle que soit l’échelle, à une suite coordonnée d’opérations fondamentales distinctes et indépendantes du procédé lui-même que l’on appelle opérations unitaires. Tout procédé peut se ramener à une combinaison d’un nombre restreint d’opérations unitaires 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 quantité de mouvement qui ont lieu durant la chaîne de transformation, ainsi que la séparation des constituants du mélange résultant. Les opérations unitaires représentent donc un concept utilisé par les ingénieurs chimistes afin de permettre de façon optimale la transformation des substances brutes déterminées en un ou plusieurs produits (naturels ou artificiels) commercialisables ou en produits de base destinés à une autre usine chimique. Le choix d’une opération unitaire dépend de différentes considérations : – la possibilité effective de séparation sur des bases thermodynamiques; – la possibilité offerte par la cinétique physique d’avoir un transfert plus ou moins rapide selon la nature des phases en présence; – la volonté d’utiliser préférentiellement certaines sources d’énergie (par exemple l’énergie électrique); – le souhait d’économiser de l’énergie ou de diminuer les frais de fonctionnement ainsi que celui d’abaisser les coûts d’investissement. 2.2 Classification des opérations unitaires Une classification universelle et exhaustive satisfaisante est difficile. Cependant, malgré l’appareillage très varié nécessaire pour la production industrielle, il est possible de classifier les opérations unitaires de plusieurs manières. 2.2.1 Classification selon les phénomènes physiques mis en œuvre Les principales opérations mettant essentiellement en jeu des processus physiques, on peut ainsi les rattacher aux deux grandes familles suivantes. ■ 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, 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, cyclonage, centrifugation), d’autre part les opérations modifiant la granulométrie de solides (broyage, frittage). ■ 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, séchage des liquides (pour un transfert de masse entre phases fluides); • cristallisation, lyophilisation, cryoconcentration (pour phases fluidessolides); – les opérations mixtes qui ont lieu de manière isotherme ou non, selon les concentrations considérées et qui intéressent surtout les épurations en présence d’une phase gazeuse inerte en excès : • absorption, désorption (phases fluides); • adsorption en phase vapeur, chromatographie en phase gazeuse, séchage des solides. Remarque Il est évident que certaines opérations mettent en oeuvre des phénomènes thermiques et de matière : elles sont rangées dans le groupe correspondant au phénomène principal mis en jeu. 2.2.2 Classification selon les fonctions des opérations unitaires Pour plus de clarté, on envisage, dans la suite, les opérations unitaires sous l’angle d’une classification à partir de leur fonction telle qu’elle est résumée dans le tableau 2.1. Opérations unitaires Fonctions Opérations fondées sur la mécanique des fluides Manipulation et transport des fluides Stockage et transport des fluides. Contrôle et mesure du débit de gaz, liquide et vapeur. Homogénéisation et agitation Mise en contact des liquides, solides et gaz afin d’obtenir un mélange homogène des fluides ou un contact intime des phases. Filtration et clarification Séparation des particules solides à partir d’un liquide ou gaz Épaississement et sédimentation Concentration des solides à partir de leur mélange avec des liquides. Classification Séparation des particules solides en groupes présentant de propriétés différentes (dimension, masse volumique, composition chimique, etc.). Centrifugation Séparation d’un mélange de deux phases liquides ou d’une phase solide en suspension dans une phase liquide, par l’action de la force centrifuge. Opérations fondées sur le transfert thermique Échange de chaleur et condensation Échauffement, refroidissement et condensation des fluides avec ou sans changement d’état. Fours industriels Évaporation et ébullition Chauffage à haute température des matériaux. Évaporation des liquides, concentration des solutions de solides non volatiles, récupération de l’eau distillée. Séchage Récupération de l’humidité ou d’autres liquides d’un solide par évaporation ou autres moyens. Opérations fondées sur le transfert thermique Tours de refroidissement et réfrigération Refroidissement de l’eau afin de la réutiliser dans les condenseurs ou installations de conditionnement d’air. Opérations fondées sur le transfert de matière Distillation Séparation des liquides miscibles par évaporation. Extraction liquide-liquide Séparation des liquides miscibles par différence de solubilité. Lixiviation Extraction des substances solides dissoutes dans un liquide par un solvant. Absorption et désorption Lavage des gaz solubles d’un mélange ayant un constituant inerte par un liquide. Récupération des gaz dissous dans un liquide. Adsorption Récupération sélective des substances à partir de liquides ou gaz par réaction chimique avec des solides. Échange d’ions Échange réversible avec les ions de même signe des différentes solutions. Adoucissement de l’eau. Diffusion des gaz, humidification et déshumidification Diffusion des gaz, humidification et déshumidification Séparation des mélanges gazeux par différence de température ou par d’autres méthodes spécifiques. Contrôle de l’humidité ou de la vapeur contenue dans un gaz Opérations fondées sur des principes mécaniques Tamisage Triage des particules solides selon leur dimension à l’aide d’un tamis. Stockage et déplacement des solides Transport des solides. Stockage et chargement en quantité contrôlée dans un appareil de fabrication Opérations fondées sur des principes mécaniques Fragmentation et agglomération des solides Réduction des solides en particules plus petites. Compactage des solides en augmentant leur masse volumique. Flottation Séparation des solides par aération sélective. Séparation magnétique ou électromagnétique Séparation des solides d’après leur composition chimique ou des solides à partir de gaz par des méthodes électriques ■ 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. Il faut noter que le fonctionnement en continu permet généralement une régulation automatique uploads/Industriel/ opu-intro.pdf