Génie chimique et des procédés
Baccalauréat STL Métropole juin 2000 Chimie de laboratoire et de
CHIMIE INDUSTRIELLE
Conception et implémentation de processeurs dédiés pour des
Design and Analysis of Algorithm
IN101 Algorithmique et programmation
Chapitre 1 : Introduction à l'algorithmique
Algorithmique et Programmation transparents du cours
Bases de données avancées
Bases de Données Avancées

Next PDF List

Support de cours : Génie des procédés industriels1A. Base des génies des procédés industriels - Initiation aux opérations unitaires1. Introduction aux opérations unitaires :1.

1) Procédé industrielUn procĠdĠ industriel est l͛ensemble des opérations nécessaires pour modifier les entrées ensorties en subissant des transformations chimiƋues et physiƋues par Ġchange d͛Ġnergie.1.

2) Génie des procédésOn peut définir le génie des procédés comme "l͛ensemble des connaissances relatiǀes ă laOn peut dire aussi ;Le Génie des Procédés est l͛Ġtude des procĠdĠs de transformation de la matiğre et de l͛Ġnergiecosmétique et de toutes les industries connedžes mettant en ƈuǀre des procĠdĠs.1.

3) Opérations unitairesTout procĠdĠ industriel peut se ramener ă une combinaison logiƋue d͛un nombre restreintsĠchage͙ Ƌue l͛on appelle opérations unitaires.Les opérations unitaires sont donc les opérations élémentaires individuelles mises en ƈuǀre1.

4) Classification des opérations unitairesUne classification universelle et exhaustive satisfaisante est difficile. Cependant, malgrél͛appareillage trğs ǀariĠ nĠcessaire pour la production industrielle, il est possible de classifierles opérations unitaires comme suit :Support de cours : Génie des procédés industriels21.4.

1) Opérations fondées sur la mécanique des fluides1.4.

2) Opérations fondées sur le transfert thermiqueSupport de cours : Génie des procédés industriels31.4.

3) Opérations fondées sur le transfert matière1.4. 4) Opérations fondées sur des principes mécaniques1.

5) BilansLes problèmes de génie des procédés font généralement intervenir les principes deconservation de trois grandeurs physiques : matière (ou masse), énergie et quantité demouvement.

Les bilans systématiques sont essentiels pour le calcul des installations, maisaussi pour renseigner l͛ingĠnieur sur la bonne marche d͛un appareil (identification d͛une fuite,Support de cours : Génie des procédés industriels4ǀĠrification de l͛obtention d͛un rĠgime permanent͙). Les bilans peuǀent concernerglobaux, toute forme de matière étant alors confondue, ou encore relatifs à un produit donné.Pour pouvoir effectuer un bilan, il faut définir les limites du système sur lequel on veuttravailler. Puis on détermine les flux de matière (entrée, sortie) ainsi que les réactions(création, destruction).

La somme de ces différents éléments donne le terme accumulationqui consiste en la variation (qui peut être nulle) de la quantité sur laquelle on effectue le bilandans les limites définies du système (Figure 1).Entrée + Création - Sortie - Destruction = AccumulationLe bilan matiğre permet d͛estimer la productiǀitĠ et le rendement de l͛opĠration, enǀisagerou non des recyclages, dimensionner les appareils à partir des productions souhaitées.Le bilan d͛enthalpie ou bilan thermiƋue permet d͛Ġǀaluer le coƸt ĠnergĠtiƋue de l͛opĠration,1.

6) Schéma de procédéUn schéma de procédé (Process Flow Diagram ou PFD en anglais) est un diagramme utilisé eningénierie (génie chimique, systèmes de transport, etc.) pour décrire les flux de matières etles équipements principaux d'un procédé.

Seuls les équipements en contact direct avec lesproduits chimiques ainsi que les moyens de transport de ceux-ci (pompes, tuyaux,) sontreprésentés.Support de cours : Génie des procédés industriels5Figure-2 : PFD de désulfuration du gaz naturelEn principe, on trouve les éléments suivants sur un schéma de procédé :ƒ Les équipements principaux ;ƒ La dénomination des équipements ;ƒ Les flux entrant et sortant avec leurs débits et dénominations ;ƒ Les caractéristiques opératoires.On peut ajouter également les informations suivantes :ƒ La dénomination et débit des flux internes ;ƒ Les vannes essentielles ;ƒ Les positions et les types de mesure pour le contrôle directement lié auprocédéƒ Les informations particulières sur les conditions opératoires ;ƒ Les caractéristiques des équipements ;ƒ La hauteur des étages et la position verticale relative des équipements.Des informations supplémentaires classeraient ce type de schéma dans la classe desschémas de tuyauterie et instrumentation (Piping and Instrument Diagram P&ID)Support de cours : Génie des procédés industriels62.

Les opérations unitaires principales2.

1) La distillationLa distillation est l͛une des méthodes de séparation les plus importantes dont dispose le géniedes procédés. Cette opĠration permet la sĠparation d͛un ou plusieurs constituants d͛unmélange homogène liquide, en mettant à profit la différence de volatilité des constituants.La distillation est une opĠration double ; aprğs chauffage jusƋu͛ă l͛Ġbullition, la phase ǀapeursurmontant le liquide bouillant et en équilibre avec celui-ci n͛a pas la mġme composition.

Parcondensation de la phase vapeur, on obtient un liquide nommé distillat ou extrait (dit aussiproduit de tête) dont la composition diffère de celle du mélange initial.

La phase liquide nonévaporée constitue le résidu ou le raffinat (appelée également produit de pied ou de fond).La distillation se déroule sous pression lorsque la charge traitée est très volatile.

On fera appelă la distillation sous ǀide lorsƋu͛on aura ă distiller un mĠlange contenant soit des produits fortpeu volatils, soit des produits instables thermiquement.Parmi les applications de la distillation, il faut souligner que cette opération est à la base duraffinage des pétroles bruts.Figure-3 : Schéma de principe de la distillation2.1.1 Équilibres liquide-vapeurLes diffĠrents mĠlanges de liƋuide peuǀent ġtre classĠs, d͛aprğs le nombre de leursconstituants, en mélanges binaires, ternaires͙ Les mĠlanges binaires, Ƌui ont ĠtĠ les plusconstituants :ƒ Les mélanges homogènes comprenant : (i) les mélanges normaux parmi lesquels onrencontre les mélanges idéaux ; (ii) les mélanges anormaux ou azéotropiques ;ƒ Les mélanges hétérogènes.Mélange homogène : les deux constituants (corps) sont misciblesSupport de cours : Génie des procédés industriels7Mélange idéal : un mĠlange caractĠrisĠ comme idĠal lorsƋu͛il satisfaire audž 3 critğressuivantes :(i) Changement de volume nĠgligeable a l͛Ġtat liƋuide (ѐVс0)(ii) L͛effet thermiƋue nĠgligeable a l͛Ġtat liƋuide (ѐHс0)(iii) Vérifie la loi de Raoult et DaltonMélange azéotropique : le liƋuide et la ǀapeur ont la mġme composition et il n͛y a plus deséparation ; il se forme un azéotrope.Mélange hétérogène : les deux constituants (corps) sont partiellement miscibles outotalement immiscibles.2.1.1.

1) Lois fondamentaleso Fractions molaires et pressionsSoit un liquide constitué de nA molécules du corps A et nB molécules du corps B ; les fractionsmolaires sont :Pour une température donnée, la vapeur en équilibre au-dessus de ce liquide est un mélangedes deux corps A et B aux fractions molaires YA et YB et la pression totale est, suivant la loi deDalton relative aux vapeurs parfaites :avec pA et pB, les pressions partielles des constituants A et B, etLa pression partielle du constituant A dans la vapeur en équilibre avec le liquide ayant lafraction molaire XA, à température constante, est donnée par la loi de Raoult:avec PvA et PvB les tensions de vapeur saturante des constituants A (pur) et B à la températured͛Ġbullition du mélange.

On obtient:Un mélange qui vérifie cette loi est dit mélange idéal.o Volatilité relativeLa ǀolatilitĠ relatiǀe edžprime la possibilitĠ de sĠparation d͛un mĠlange.

La volatilité relatived͛un corps A par rapport ă un corps B est dĠfinie par le rapport ͗Support de cours : Génie des procédés industriels8Où : kA et kB sont appelés coefficients d͛ĠƋuilibre2.1.1.

2) Diagrammes de phaseLa reprĠsentation graphiƋue d͛un systğme constituĠ par un mĠlange liƋuide binaire nĠcessitevariables restantes peut être représentée par un diagramme plan.Les différents types de diagramme utilisés sont :ƒ À température constante :- Le diagramme pression - composition (diagramme p - X) ;ƒ À pression constante :- Le diagramme température - composition (diagramme T - X) ;- Le diagramme d͛ĠƋuilibre ǀapeur t liquide (diagramme X - Y).TempĠrature d͛Ġbullition :La tempĠrature d͛Ġbullition d͛un liƋuide (corps pur ou mĠlange) est la tempĠrature ă laƋuelleapparait la première bulle de vapeur lorsƋu͛on augmente la température de ce liquide.Température de rosée :La tempĠrature de rosĠe d͛une ǀapeur (corps pur ou mĠlange) est la tempĠrature ă laƋuelleapparait la première goutte de liquide lorsƋu͛on diminue la température de cette vapeur.Enthalpie :L'enthalpie est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permetd'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare d'un systèmethermodynamique au cours de laquelle celui-ci reçoit ou fournit un travail mécanique.

H = U+p V, où U est l'énergie interne, p la pression et V le volume.Diagramme T - X ou YLes trois régions délimitées par les deux isobares (Figure 5) désignent :ƒ Un mĠlange liƋuide, sous la courbe d͛Ġbullition ;ƒ Un mélange liquide - vapeur, entre les deux courbes ;ƒ Un mĠlange entiğrement ă l͛Ġtat de ǀapeur, au-dessus de la courbe de rosée.Sous la pression p et à la température T, le mélange M donne une phase liquide L à satempĠrature d͛Ġbullition commenĕante et une phase ǀapeur V ă sa tempĠrature de rosée.

Lesphases étant en équilibre, ces deux températures sont égales.Par suite des positions respectiǀes des isobares d͛Ġbullition et de rosĠe, la ǀolatilitĠ relatiǀe ɲSupport de cours : Génie des procédés industriels9Diagramme X -Y ou diagramme d͛ĠƋuilibreCette courbe (Figure 6) est l͛isobare d͛ĠƋuilibre liƋuide t vapeur, ou diagramme X - Y.

On laconstruit en utilisant les valeurs de X et de Y qui se correspondent sur les diagrammesd͛Ġbullition et de rosĠe, pour diffĠrentes ǀaleurs de la tempĠrature.

Si ɲ с 1 la relation ܻquelle que soit la température, la composition de la phase vapeur est, sous pressionconstante, égale à celle de la phase liquide.

On ne peut espérer séparer ces constituants pardistillation. La possibilitĠ de sĠparer les constituants augmentent aǀec ɲ.

Pour de fortesconcentrations, la courbe d͛ĠƋuilibre tend ă se confondre aǀec la droite Y с y.Support de cours : Génie des procédés industriels102.1.

2) Distillation simpleDans le cas d͛une distillation simple, ă partir d͛un mĠlange de deudž liƋuides dont la ǀolatilitĠest différente, un apport de chaleur permet au cours de cette opération de séparer la vapeurproduite dès sa formation ; en la condensant, on recueille directement le liquide obtenu sansle laisser retourner dans le bouilleur.o Distillation simple ă l͛ĠƋuilibre ͚flash͛Dans la distillation flash (Figure. 7), on prolonge le contact entre la vapeur et le liquide pendantun temps suffisant pour Ƌue l͛ĠƋuilibre s͛Ġtablisse entre les deudž phases Ƌue l͛on recueilleséparément, et de façon à maintenir dans le bouilleur le niveau du liquide.On obtient la quantité de liquide vaporisé à partir du bilan matière total :et :où F est le dĠbit d͛alimentation de fraction XF, V le débit vapeur formée de fraction Y* et L ledébit du liquide restant de fraction X.Ces bilans sont écrits pour une unité de temps, le régime étant suppose stationnaire.En explicitant Y, on en déduit :o Distillation simple diffĠrentielle ͚ou distillation en batch͛Elle a pour but la séparation grossière (partielle) du composé le plus volatil contenu dans unmélange liquide.

Elle consiste à introduire une charge du mélange à traiter dans une chaudière(bouilleur) oƶ se produit l͛Ġbullition sous pression constante. La ǀapeur s͛Ġchappant duSupport de cours : Génie des procédés industriels11bouilleur est condensée, le liquide étant ainsi directement recueilli (Fig. 8).

Il est possible derecueillir le distillat en plusieurs fractions ayant chacune une fraction moyenne donnée.Pour un mélange non idéal, où la volatilité n͛est pas constante, la ƋuantitĠ de condensat ăSoient L et X1 la quantité et respectivement la fraction de la charge initiale dans la chaudière ;on suppose, ă un moment ƋuelconƋue durant l͛opĠration, Ƌu͛une ƋuantitĠ dL de liquide estvaporisée, la fraction de ce dernier diminue de dX et il reste dans le bouilleur une quantité (L- dL) de liquide de fraction (X - dX).

La vapeur dV formée est égale à dL, et comme elle est enéquilibre avec le liquide de fraction X sa fraction est Y*.Le bilan matière en constituant le plus volatil sera :d͛oƶ, en nĠgligeant le terme dX dL et en réarrangeant, on obtient :Après intégration entre les limites X1 et X2 :On peut déterminer la fraction moyenne XmD du distillat, en écrivant le bilan matière enconstituant le plus volatil :Support de cours : Génie des procédés industriels12d͛oƶ ͗2.1.

3) Distillation avec rectificationLa distillation avec rectification est assimilée à une distillation répétée et concerne lesmélanges à séparer dont les différences de volatilité sont faibles.

Par comparaison à unesimple distillation, dans la distillation avec rectification on ne prélève pas la totalité du distillat,car aprğs condensation, une partie retourne dans l͛appareil effectuant l͛opĠration.Du point de ǀue de sa mĠthode d͛edžĠcution, la distillation avec rectification peut être réaliséeen continu ou en discontinu.o Distillation avec rectification en discontinu (en batch)Cette opération consiste à charger dans le bouilleur (Figure. 9), surmontĠ d͛une colonne ădistiller, le mélange dont on veut séparer un ou plusieurs constituants et ensuite à vaporiserceux-ci successivement par ordre de volatilité décroissante.

En tête de colonne, les vapeurspassent dans un condenseur ; le condensat est en partie renvoyé dans la partie supérieure dela colonne par l͛intermĠdiaire d͛un siphon, le soutirage du distillat de mġme Ƌue le dĠbit dereflux étant contrôlé par un organe de réglage.Support de cours : Génie des procédés industriels13Grâce au déplacement à contre-courant de la vapeur ascendante et du liquide descendant,une série de vaporisations et de condensations permettent un échange de matière entreliquide et vapeur.On détermine la fraction XW du mélange à rectifier contenu dans le bouilleur en fonction de lafraction XD du distillat avec la relation :La fraction moyenne du distillat résulte du bilan matière :d͛oƶ ͗où XF et XW sont les deux limites entre lesquelles se considère le fractionnement.o Distillation avec rectification en continuLes débits du mélange à traiter (alimentation) du distillat et du résidu sont alors constants.La charge est introduite en un certain point de la colonne appelé plateau d͛alimentation, devolatil est concentré en tête de colonne et éliminé dans le condensat.

Les parties les moinsvolatiles peuvent être soutirées de la base de la colonne ou du rebouilleur (Figure 10).On appelle concentration la zone au-dessus de l͛alimentation et Ġpuisement celle Ƌui est au-dessous.

Les constituants lourds sont extraits du soubassement sous le nom assez improprede rĠsidus, par l͛intermĠdiaire d͛un siphon ou d͛un rĠgulateur de niveau.Pour établir le bilan matière en concentration entre le condenseur et un plateau de rang n(compté à partir de la tête), on note : V le débit molaire de vapeur ; L le débit molaire deliquide en reflux ; D le débit molaire de distillat de titre YD (rapporté au constituant léger).D͛aprğs les conditions posĠes, on a V et L constants le long de la colonne de concentration.

Lebilan global s͛Ġcrit ͗et pour le plateau n :ouSupport de cours : Génie des procédés industriels14d͛oƶ ͗et en substituant par R = L/D, on a :En opĠrant un bilan semblable en Ġpuisement et en notant Ƌue l͛alimentation F = D + W avecW le débit molaire du résidu de titre XW, on a la droite opĠratoire d͛Ġpuisement ͗Support de cours : Génie des procédés industriels152.2 EvaporationLe changement d͛Ġtat d͛un corps (matiğre), Ƌui passe de la phase liquide à la phase gazeuse(ǀapeur) dĠfinit l͛Ġǀaporation.GĠnĠralement, on utilise le terme ǀaporisation Ƌuand le but de l͛opĠration est la rĠcupĠrationconcentration.Il edžiste deudž utilisations principales de l͛Ġǀaporation.

La premiğre a pour objet la sĠparationLe solǀant ǀaporisĠ est le plus souǀent de l͛eau, ce Ƌui edžpliƋue Ƌue, par la suite, on parleraFigure. 11 ͗ SchĠma simplifiĠ d͛ĠǀaporationElle est utilisée dans :ƒ La concentration du chlore obtenu par électrolyse ;ƒ La fabrication des engrais (nitrates) ;ƒ L͛Ġlimination de l͛eau dans la production de fibres artificielles ;ƒ La concentration des jus de fruits et du lait ;pure ;ƒ La cristallisation du sucre ;ƒ La fabrication de la pâte à papier ;ƒ La dépollution des eaux résiduaires ;ƒ La concentration des acides : sulfuriques, phosphorique, etc. ;ƒ La concentration des bioproduits ;ƒ L͛industrie de l͛alumine et hydromĠtallurgie.2.2.

1) Classification et modes d͛opĠration des ĠǀaporateursLes évaporateurs pour installations de concentration peuvent être classés en deux grandescatégories, les évaporateurs à chauffage direct et les évaporateurs à chauffage indirect, selonSupport de cours : Génie des procédés industriels16que la source de chaleur se trouve ou non au contact de la solution Ƌue l͛on ǀeut concentrer.Dans le deuxième cas, la transmission est faite par l͛intermĠdiaire d͛une paroi conductrice ălaquelle la chaleur est fournie par une flamme, une résistance électrique, un fluide caloporteuret souǀent par la ǀapeur d͛eau.La circulation naturelle dans le rebouilleur est obtenue par vaporisation partielle du mélangealimentant l͛Ġchangeur.

La baisse de densité moyenne provoque une diminution de la chargehydrostatique, et une mise en circulation du mĠlange dans l͛Ġchangeur.

Ce système constituece que l͛on appelle un rebouilleur thermosiphon.Dans le cas où la circulation naturelle est insuffisante, on a recours à la circulation forcée aumoyen d͛une pompe centrifuge, qui est particulièrement indiquée dans le cas des solutionsentartrantes et visqueuses ou lorsque la chute de température trop faible ne permet pas àl͛Ġǀaporateur de fonctionner avec une capacité suffisante.2.2.

2) Bilan de matière et thermiƋue de l͛Ġǀaporationo Bilan de matièreL͛ĠƋuation du bilan de matiğre (en masse) pour un Ġǀaporateur est relatiǀement simple ăSupport de cours : Génie des procédés industriels17ou, en considérant uniquement le solide dissous :On aboutit à :Ƌui est l͛edžpression du dĠbit massiƋue de solǀant ă Ġǀaporer pour Ġleǀer la fraction massiƋuede C1 à C2, et dans laquelle F est le dĠbit d͛alimentation de la solution (en kg ͬs), W est le débitmasse d͛eau (solǀant) ă Ġliminer par évaporation; C la concentration (% en masse).o Bilan thermiqueUn bilan thermique offre la possibilité de calculer la quantité de chaleur nécessaire poureffectuer une évaporation donnée.La chaleur introduite dans l͛Ġǀaporateur est composĠe de celle qui est apportée par la solutionà traiter et par la vapeur de chauffage ; la chaleur évacuée comprend celle qui est emportéerespectiǀement par la ǀapeu