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Emilian Koller Aide-mémoire Génie chimique 3e édition Du même auteur Machines t

Emilian Koller Aide-mémoire Génie chimique 3e édition Du même auteur Machines thermiques Dunod, 2005. Traitement des pollutions industrielles : eau, air, déchets, sols, boues Dunod, 2004. Transport et stockage des fluides dans l’industrie Dunod, 2002. © Dunod, Paris, 2001, 2005, 2009 ISBN 978-2-10-054845-3 Illustration de couverture : © PhotoPainter – Fotolia.com V © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. TABLE DES MATIÈRES 1 • Introduction aux opérations unitaires 1 1.1 Généralités 1 1.2 Historique 2 1.3 Opérations de génie chimique 3 1.4 Remarques et conclusions 3 2 • Opérations unitaires 7 2.1 Généralités 7 2.2 Classification des opérations unitaires 8 2.3 Modes de mise en contact 14 2.4 Bilans 15 2.5 Étage théorique 16 2.4 Conclusions 17 3 • Transformation de la matière 19 3.1 Réaction chimique 19 3.2 Les grands types de réaction chimique 32 3.3 Les procédés chimiques unitaires 34 4 • Phénomènes de transport 39 4.1 Considérations générales 39 4.2 Types de transport 42 4.3 Transfert thermique 44 4.4 Transfert de matière 53 Table des matières VI 4.5 Transport et manipulation des fluides 59 4.6 Nombres caractéristiques (NC) 68 5 • Sédimentation et décantation 71 5.1 Généralités 71 5.2 Vitesse de sédimentation 73 5.3 Types de décantation 76 5.4 Appareillage et procédure de dimensionnement 81 5.5 Séparation des liquides non miscibles 87 5.6 Flottation 92 5.7 Lavage à contre-courant 93 5.8 Décantation centrifuge 95 6 • Homogénéisation, agitation et mélangeage 99 6.1 Généralités 99 6.2 Mélangeage par barbotage 102 6.3 Mélangeage par circulation forcée du liquide 105 6.4 Mélangeage par dispositifs mécaniques rotatifs 109 7 • Fragmentation des solides 119 7.1 Généralités 119 7.2 Conditions et techniques de broyage 123 7.3 Appareillage 127 7.4 Criblage 137 8 • Agglomération des solides 139 8.1 Généralités 139 8.2 Mécanismes d’agglomération 141 8.3 Agglomération sans compression : la granulation 147 8.4 Agglomération avec compression 152 8.5 Enrobage 159 Table des matières VII © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 9 • Filtration 161 9.1 Généralités 161 9.2 Théorie de la filtration 165 9.3 Choix des filtres 174 9.4 Appareillage 176 9.5 Traitement de post-filtration 186 9.6 Filtration centrifuge (Essorage) 190 10 • Fluidisation 193 10.1 Définitions et généralités 193 10.2 Considérations théoriques 196 10.3 Transfert thermique et de masse 201 10.4 Techniques et appareillage de fluidisation 204 10.5 Techniques de fluidisation et applications 211 11 • Lavage et dépoussiérage des gaz 215 11.1 Généralités 215 11.2 Procédés mécaniques de séparation 219 11.3 Procédés de séparation à tissus filtrants 225 11.4 Procédés de séparation par lavage des gaz 229 11.5 Procédés électrostatiques de séparation 233 11.6 Séparateurs (capteurs) de brouillards 238 11.7 Dépoussiéreur à haute température (HT) 238 12 • Séparation par membranes 241 12.1 Généralités 241 12.2 Membranes et modules 243 12.3 Microfiltration et ultrafiltration 252 12.4 Osmose inverse 253 12.5 Dialyse 257 12.6 Électrodialyse 257 12.7 Perméation gazeuse et pervaporation 259 Table des matières VIII 13 • Évaporation 265 13.1 Généralités 265 13.2 Facteurs principaux influençant l’évaporation 271 13.3 Transfert de chaleur 275 13.4 Étude thermique de l’évaporation 279 13.5 Méthodes diminuant la consommation d’énergie 284 13.6 Dispositifs annexes à l’évaporateur 290 14 • Cristallisation 297 14.1 Généralités 297 14.2 Théorie de la cristallisation 299 14.3 Techniques de cristallisation 303 14.4 Bilan thermique et de matière 309 14.5 Appareillage de la cristallisation 313 15 • Séchage des solides 321 15.1 Généralités 321 15.2 Modes de séchage 330 15.3 Cinétique du séchage 336 15.4 Principes de calcul des sécheurs 339 15.5 Appareillages et applications 344 15.6 Choix du procédé de séchage 345 16 • Absorption 353 16.1 Généralités 353 16.2 Équilibre gaz-liquide 355 16.3 Calcul des colonnes d’absorption 357 16.4 Absorption par réaction chimique 366 16.5 Contacteurs gaz-liquide 368 17 • Sublimation 377 17.1 Généralités 377 17.2 Considérations théoriques 378 17.3 Procédés de sublimation 382 Table des matières IX © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 17.4 Calcul de la sublimation 385 17.5 Appareils et installations de sublimation 390 17.6 Lyophilisation 392 18 • Adsorption 397 18.1 Définition et applications 397 18.2 Considérations théoriques 400 18.3 Cinétique de l’adsorption 404 18.4 Adsorbants 408 18.5 Procédés et appareillage 409 18.6 Procédés de régénération 417 18.7 Cas d’adsorptions particulières 419 19 • Distillation et rectification 425 19.1 Généralités 425 19.2 Équilibres liquide-vapeur 426 19.3 Distillation simple 432 19.4 Rectification (distillation avec reflux) 438 19.5 Appareillage 459 19.6 Distillations particulières 469 20 • Extraction liquide-liquide 473 20.1 Généralités 473 20.2 Considérations théoriques 475 20.3 Procédés d’extraction 480 20.4 Appareillage 492 21 • Biotechnologies 499 21.1 Généralités 499 21.2 Catalyseurs biologiques 502 21.3 Ingénierie biotechnologique 508 21.4 Applications industrielles 531 Table des matières X 22 • Réacteurs 543 22.1 Généralités 543 22.2 Classification des réacteurs 545 22.3 Types de réacteurs 549 22.4 Calcul des réacteurs 560 22.5 Contrôle, régulation et sécurité 565 23 • Conception et développement des procédés 567 23.1 Généralités 567 23.2 Management du projet 569 23.3 Machines et équipements 584 23.4 Installations pilote et extrapolation des résultats 591 23.5 Optimisation des procédés 594 23.6 Contrôle - commande des procédés 596 23.7 Calculs économiques 601 ANNEXE Terminologie et symboles 605 Terminologie 605 Symboles et notations 607 Unités de mesure 611 Bibliographie 613 Index alphabétique 619 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 uploads/Litterature/ aide-memoire-de-genie-chimique.pdf