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DEUG Sciences & Technologie Introduction au Génie des Procédés Didier GEIGER In

DEUG Sciences & Technologie Introduction au Génie des Procédés Didier GEIGER Introduction D.G.- 2 Génie des Procédés Génie des procédés (1) Science de l’ingénieur ayant pour objet: • de concevoir, • de calculer, • de faire fonctionner, à l’échelle industrielle, l’appareillage dans lequel s’effectuent des transformations physiques, chimiques, ou biologiques. D.G.- 3 Génie des Procédés Génie des procédés (2) Ensemble des opérations mettant en œuvre des transformations • physiques, • chimiques, • ou biochimiques, permettant de préparer un (ou des ) produit(s) à partir de matières disponibles… D.G.- 4 Génie des Procédés Génie des procédés (3) Génie des procédés Chimie Biologie Mécanique Physique Energétique Agro-alimentaire Biomédical Chimie Pétrochimie Pharmacie D.G.- 5 Génie des Procédés Génie des procédés (4) • Concevoir le procédé de fabrication et donc définir une suite de diverses opérations unitaires, • choisir le(s) réacteur(s), • optimiser les diverses étapes successives (rendements énergétique, économique…), • envisager son contrôle et sa commande. D.G.- 6 Génie des Procédés Génie des procédés (5) Matières premières Produit principal Opérations unitaires: préparation des réactifs Opérations unitaires: séparation des mélanges REACTEUR Co-produits Matières premières D.G.- 7 Génie des Procédés Les bases scientifiques du génie des procédés • Lois d’équilibre entre phases • Analyse fonctionnelle des procédés • Cinétiques de transfert D.G.- 8 Génie des Procédés Lois d’équilibre entre phases (1) La connaissance des lois d’équilibre entre phases, par une analyse thermodynamique du système ou, plus simplement, par une série d’expériences, est fondamentale pour savoir si une séparation est possible ou non. L’examen des courbes d’équilibre permet d’apprécier à priori si l’opération unitaire envisagée sera plus ou moins difficile à réaliser. D.G.- 9 Génie des Procédés Lois d’équilibre entre phases (2) Les lois d’équilibre entre phases sont tirées des principes de la thermodynamique des solutions, notamment par l’application du deuxième principe, en écrivant, pour les phases en présence, l’égalité des potentiels chimiques de chaque constituant (conditions d’un équilibre stable). D.G.- 10 Génie des Procédés Analyse fonctionnelle des procédés Le génie des procédés s’intéresse principalement aux bilans matière et énergie fondés sur le premier principe de la thermodynamique : Les bilans systématiques sont essentiels pour le calcul des installations, mais aussi pour renseigner l’ingénieur sur la bonne marche d’un appareil (identification d’une fuite, vérification de l’obtention d’un régime permanent...). ( ) ( ) ( ) entrées sorties accumulations transformations − = + ∑ ∑ ∑ D.G.- 11 Génie des Procédés Cinétiques de transfert On distingue fondamentalement deux types de cinétiques : • la cinétique chimique, qui étudie les vitesses de transformation de la matière par voie réactionnelle, • la cinétique physique, qui concerne les transferts par diffusion (moléculaire ou turbulente). D.G.- 12 Génie des Procédés Cinétique chimique • Schéma réactionnel • Cinétique de réaction ... a b c x y z + + + → + + A B C X Y Z [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 1 ... d k x dt α β γ = X A B C D.G.- 13 Génie des Procédés Cinétique physique • Loi de Newton (transferts de quantité de mouvement) • Loi de Fourier (transferts de chaleur) • Loi de Fick (transferts de matière) Ce sont des lois du premier ordre de la forme : , ( ) grandeur dansladirection x potentiel lié à x ∂ Φ =−∆ ∂ q q D.G.- 14 Génie des Procédés Les bases techniques du génie des procédés (1) Le principe fondamental de toute opération de transformation de la matière est toujours le même. Il consiste : • à préparer les courants contenant les produits de base en réalisant un contact intime des phases en présence ; • à permettre que se développent des réactions et des transferts de matière et de chaleur, sous les différences de potentiel adéquates ; • à séparer les phases et les constituants du mélange résultant. D.G.- 15 Génie des Procédés Les bases techniques du génie des procédés (2) Tout procédé se résume ainsi à un ensemble d’opérations unitaires et de réacteurs qui font appel à des technologies différentes pour assurer les échanges. D.G.- 16 Génie des Procédés Opérations unitaires Cristallisation fractionnée Lyophilisation Cryo-concentration Adsorption en phase vapeur Echanges d’ions Chromatographie en phase gazeuse Séchage des solides Asdorption en phase liquide Echanges d’ions Chromatographie en phase liquide Transferts de matière entre phases fluides et phases solides Distillation Rectification Evaporation Séchage des liquides Absorption Entraînement Désorption Interposition d’une membrane: dialyse, ultrafiltration, osmose inverse, perméation gazeuse Contact direct: extraction par liquide non miscible Transferts de matière entre phases fluides Systèmes non isothermes : transferts avec changement d’état Systèmes mixtes : transferts en phase gazeuse Systèmes isothermes : transferts en phase liquide D.G.- 17 Génie des Procédés Le réacteur (1) Les réacteurs sont les appareils qui, au cœur d’une unité de transformation industrielle de la matière, sont destinés à permettre à une réaction chimique ou biochimique de s’accomplir. Ils peuvent être classés: • en fonction du mode ou des techniques de mise en contact de phases utilisés (réacteurs en lit fluidisé, réacteur tubulaire par exemple) • ou de la nature des phases en présence (réacteurs homogènes ou réacteurs hétérogènes). D.G.- 18 Génie des Procédés Le réacteur (2) Il est commode de différencier les appareils suivant le mode d’alimentation : • alimentation par charges discontinues (« batch », « semi- batch »), qui offre l’avantage de permettre un traitement uniforme de la matière, mais qui implique un suivi permanent de l’opération selon un programme préétabli ; ce type d’appareil a la faveur des industriels pour les opérations jugées très délicates (bioréacteurs); • alimentation continue et soutirage correspondant ; cette solution est en général préconisée pour bénéficier des avantages du régime permanent et d’une assistance moindre. D.G.- 19 Génie des Procédés Techniques de mise en contact de phases Mélangeurs de pâtes et de solides, cuves agitées, Système dynamique avec mélange complet entre phases Fluidisation multi-phases,transport pneumatique ou hydraulique Système intermédiaire, avec mélange limité Colonne à dispersion, colonne à parois mouillées Système avec écoulement de phases Colonne à garnissage, à couche fixe, à plateaux Système avec phase statique et phase(s) dynamiques Frittage, agglomération Système statique complet Technologie Descriptif du système D.G.- 20 Génie des Procédés Techniques de transformation de l’énergie Pompes, ventilateurs, compresseurs Énergie mécanique Transferts d’énergie mécanique Évaporateurs, condenseurs Énergie thermique avec changement d’état thermique entre phases Échangeurs de chaleur Énergie thermique sans changement d’état Transferts d’énergie Dispositifs à friction Énergie mécanique énergie thermique Fours électriques et électromagnétiques Énergie électrique source d’énergie en Chaudières, fours à combustion Énergie chimique Dégradation d’une Machines frigorifiques, thermiques, pompes à chaleur Énergie mécanique et thermique Conversion réciproque de diverses formes d’énergie Exemples Nature de l’énergie Dispositifs D.G.- 21 Génie des Procédés Exemple d’étage D.G.- 22 Génie des Procédés Exemples de réacteurs D.G.- 23 Génie des Procédés Exemples de réacteurs D.G.- 24 Génie des Procédés Exemples de réacteurs D.G.- 25 Génie des Procédés Distillateur D.G.- 26 Génie des Procédés Distillateur à compresseur D.G.- 27 Génie des Procédés Colonne à plateaux D.G.- 28 Génie des Procédés Colonne à distillation continue D.G.- 29 Génie des Procédés Osmose inverse D.G.- 30 Génie des Procédés Dessalement par osmose inverse D.G.- 31 Génie des Procédés Principe d’une raffinerie simple D.G.- 32 Génie des Procédés Carbochimie D.G.- 33 Génie des Procédés Rein artificiel uploads/Sante/ genie-des-procedes.pdf