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Principes fondamentaux du génie des procédés et de la technologie chimique :aspects théoriques et pratiques
Bases fondamentales. Introduction. Opérations à membranes poreuses : NF - UF - MF. Procédés utilisant des membranes denses. Procédés de séparation par chromatographie liquide et procédés intégrés. Connaissances des fluides, des procédés et de leur fonctionnement. Applications. Dimensionnement, otpimisation et consommation énergétique d'une installation d'ultrafiltration. Nettoyage et désinfection. Industrie laitière. Protéines végétales et animales. Bière. Vin et produits dérivés de la transformation du raisin. Industrie des jus de fruits, légumes et jus sucrés. Polysaccharides (alginates, agar, carraghénanes, pectines, xanthane, ...). Bioréacteurs à membranes. Liste des équipementiers. Index.
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henri fauduet (auteur)
Génie chimique - Chimie
tec-et-doc
Microbiologie alimentaire: Techniques de laboratoire
Enzymes en agroalimentaire (collection STAA)
La conserve appertisée. Aspects scientifiques, techniques & économiques (Coll. S.T.A.A.)
Principe s fondamentaux d u géni e de s procédé s e t d e la technologi e chimique Henr i Fauduet Aspects théoriques Retour lavoisier condensais et pratiques TEC UDO Ç r PRINCIPE S FONDAMENTAU X D U GÉNIE DES PROCÉDÉS E T DE LA TECHNOLOGIE CHIMIQU E r PRINCIPE S FONDAMENTAU X D U GÉNI E DE S PROCÉDÉS E T D E L A TECHNOLOGIE CHIMIQU E ASPECT S THÉORIQUES ET PRATIQUES Henr i FAUDUET Maîtr e de conférences à l'Institut Universitaire de Technologi e - Université d'Orléans m — LONDRES H353 NEW YORK PARIS 11, rue Lavoisier F 75384 Paris Cedex 08 Chez le mêm e éditeur Collection Génie des procédés de l'École de Nancy e• Éléments de génie électrochimique, 2 tirage 1993 Cœuret F., Storck A. • Commande des procédés, 1996 Corriou J.-F. e• Mécanique et rhéologie des fluides en génie chimique, 3 tirage 1993 Midoux N. • Pervaporation, 1997 Néel J. • Cinétique et catalyse, 1996 Scacchi G., Bouchy M., Foucaut J.-F., Zahraa O. • Génie de la réaction chimique : conception et fonctionnement des réacteurs, 2« éd., 2^ tirage 1995 Villermaux J. Hors collection • Génie des procédés Storck A., Grevillot G. DANGER ) PHOTOCOPILLAGE TUE LE LIVRE TECHNIQUE & DOCUMENTATION, 1997 ISBN : 2-7430-0227-1 Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans autorisation de l'éditeur ou du Centre Fronçais d'Exploitation du droit de copie (3, rue Hauteteuille, 75 006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont outorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées (Loi du \" juillet 1992 - art. 40 et 41 et Code Pénal art. 425). A la métnoire de André ETIENNE Professeur titulaire de la cfiaire de Chimie industrielle du Conservatoire National des Arts et Métiers de 1955 à 1980 Collaborateur s de l'ouvrage Stéphan e Bostyn Alai n Delacroix Bernar d Gourgousse Catherin e Porte PRÉFAC E Comme dans d'autres domaines, ce sont les découvertes faites depuis deux siècles par des médecins, des chimistes, des ingénieurs, des physiciens, qui ont permis le développement de la Chimie, à la fois comme science exacte et comme activité industrielle. On a ainsi construit des ateliers, des usines, puis des plateformes regroupant sur un même site des filières d'ateliers de production. Lorsque la chimie prend ainsi un caractère utilitaire on lui donne le nom de Chimie Industrielle. Henry Le Chatelier, au début de ce siècle, définissait ainsi le mot "industrie" : "Son objet essentiel est la transformation des objets et des énergies naturelles pour les amener à un état mieux adapté à nos besoins." On peut reprendre cette définition en la transposant, et écrire : "La Chimie Industrielle a pour objet la fabrication, dans des conditions économiquement et socialement satisfaisantes, des produits chimiques qui répondent aux besoins de l'homme". Il s'agit en effet d'une industrie de transformation. Le terme de "produit chimique" indique que l'on modifie non seulement la forme (c'est le cas de l'industrie mécanique) mais la nature même des corps par réaction chimique ; c'est d'ailleurs la principale activité capable de produire des matériaux non disponibles dans la nature. La définition souligne que nous nous intéressons aux problèmes de fabrication : conception, calcul, technologie des appareils, construction et fonctionnement des unités. C'est le domaine du Génie Chimique. Enfin le caractère économique et social rattache la Chimie Industrielle aux sciences humaines : citons l'impératif du prix de revient - qui aiguillonne la concurrence -, mais aussi les problèmes d'hygiène, de sécurité, d'environnement. On voit que la Chimie Industrielle couvre un champ de connaissances très vaste. De cet ensemble, fort varié voire hétéroclite, ce qui relève de la fabrication : conception, calcul, technologie des appareils, constructions et fonctionnement des unités, nous semble d'une importance capitale. Ayant remarqué que l'on trouvait, dans des fabrications diverses, les mêmes procédés de séparation, les chimistes ont créé, au début de ce siècle, le concept d'opération unitaire et développé une nouvelle discipline : le Génie Chimique, qui leur permet de définir, d'extrapoler, de dimensionner les appareils puis l'ensemble des procédés chimiques. Depuis quelques années, il est apparu que les problèmes rencontrés dans les auucs industries de transformation : problèmes de séparation, de modélisation, de conduite, de transfert ... pouvaient-être traités par les méthodes du Génie Chimique. v m Génie des procédés et technologie chimique C'est ainsi que nous assistons à la naissance du "Génie des Procédés" qui serait constitué de "l'ensemble des connaissances relatives à la conception et à la mise en œuvre des procédés industriels de transformation de la matière". On voit l'importance qu'il convient d'accorder au Génie Chimique et à son extension au Génie des Procédés. C'est donc fort judicieusement que Monsieur Fauduet nous propose un ouvrage intitulé "Principes Fondamentaux du Génie des Procédés et de la Technologie Chimique". Très logiquement la première partie de l'ouvrage, après un court chapitre dédié aux conversions d'unités (véritable "pont aux ânes" pour beaucoup de chimistes) est un rappel des notions essentielles concernant les bilans de matière et d'énergie. La seconde partie est une somme de problèmes, application directe de sujets traités précédemment. Les solutions proposées sont très détaillées et rédigées avec beaucoup de soin. Enfin la troisième partie traite des expérimentations menées sur des pilotes et constitue la véritable originalité du livre. Pour chaque expérimentation, l'auteur donne les expressions mathématiques des bilans, une description du matériel utilisé et ensuite les résultats moyens de mesures et leur interprétation. On trouve dans les annexes : les symboles graphiques utilisés, les principaux facteurs de conversion, les constantes physiques de quelques composés et de mélanges. Les exposés sont facilement compréhensibles et l'ensemble représente un bel effort de synthèse. Tel qu'il est conçu cet ouvrage doit rendre de grands services aux techniciens chimistes qu'ils soient en cours d'études ou en activité. La partie traitant des expérimentations, la plus élaborée, est directement exploitable par des enseignants ou des chimistes travaillant sur des pilotes. On ne pouvait penser à une personne mieux qualifiée que Mr Fauduet pour rédiger un tel livre. Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers, Docteur-Ingénieur, ingénieur dans l'industrie privée puis ingénieur au Centre de Documentation de l'Armement, Monsieur Fauduet a été nommé Maître de Conférences à l'Université d'Orléans où il a organisé et développé la halle de Génie Chimique de l'Institut Universitaire de Technologie. Il dirige aujourd'hui l'enseignement technologique de Productique Chimique dans cet Institut. Fruit d'une longue expérience, on peut prédire que cet ouvrage sera bien accueilli par les étudiants, les professeurs et les enseignants ayant à traiter des problèmes de Chimie Industrielle et de Génie des Procédés. B. LEFRANÇOIS Professeur Titulaire de la Chaire de Chimie Industrielle du Conservatoire National des Arts et Métiers AVANT-PROPO S Cet ouvrage répond à la volonté d'offrir un document de base pour les futurs chimistes qui se destinent aux carrières technologiques et particulièrement aux niveaux 3 (IUT, STS). Il s'adresse également aux chimistes en activité sans pour autant leur pennettre de satisfaire totalement leurs besoins. L'étude des opérations unitaires de l'industrie chimique exige la connaissance de certains principes fondamentaux de physique, de mécanique et de chimie qui sont à la base du génie des procédés et de la technologie chimique. Bien que cette science, née de la chimie pétrolière, se soit considérablement élargie aux autres industries de transformation, les principes généraux restent les mêmes. L'objectif de cet ouvrage est de pennettre d'acquérir la maîtrise des calculs relatifs aux bilans massiques et énergétiques qui sont à la base de tous les problèmes rencontrés, tant en génie des procédés qu'en chimie industrielle. Avant d'étudier ces notions fondamentales, il est indispensable de replacer le génie des procédés et la technologie chimique dans son contexte industriel en définissant la stratégie à utiliser pour développer un procédé ou une molécule ainsi que les divers opérations et matériels nécessaires à la mise en œuvre de la fabrication (préparation des réactifs, production de la molécule, séparation et purification des produits finis). Il a été jugé utile de rappeler les diverses grandeurs physicochimiques utilisées en génie des procédés (définitions, équations aux dimensions, unités) avant d'étudier les bilans-matière et les bilans énergétiques. Une partie des aspects théoriques réactualise l'ouvrage d'André Etienne sur les procédés fondamentaux de chimie industrielle publié en 1963. Il a semblé également indispensable d'illustrer le cours, toujours trop abstrait, par des exercices d'application mais aussi par des problèmes de synthèse pour que l'étudiant puisse s'initier à la méthodologie et s'assurer de savoir formuler et résoudre simplement un problème relatif au génie des procédés et/ou à la chimie industrielle. Le génie des procédés est, comme toutes les autres disciplines chimiques, une science expérimentale, c'est-à-dire une science qui ne progresse qu'après vérification des hypothèses par des mesures réalisées en grandeur significative. C'est pourquoi, il était important de terminer cet ouvrage par une partie expérimentale. Les résultats, obtenus par les étudiants dans le cadre de travaux pratiques, ne pennettent pas toujours de conoborer, aussi parfaitement que le souhaiterait le lecteur, les deux lois fondamentales à la base du génie des procédés (conservation de la masse et conservation de l'énergie). Ces écarts viennent des erreurs expérimentales (erreurs régulières, périodiques, organisées et aléatoires) inévitables, surtout avec des opérateurs successifs non familiarisés avec ces techniques. Toutefois, il est bien connu que même les méthodes modernes de mesure ne peuvent pas éliminer X Génie des procédés et technologie chimique totalement ces erreurs et que certains résultats expérimentaux ne permettent pas de conclure une étude de façon satisfaisante parce que l'influence de certains paramètres n'a pas pu être totalement maîtrisée. Ce dernier propos est relativement encourageant puisque l'intervention humaine reste primordiale dans l'avancement de la mémode et de la technique et ce sont préciséinment les étudianls d'aujourd'hui qui seront chargés de faire évoluer la technologie de demain. Il aurait été présomptueux de vouloir rédiger seul cet ouvrage. Il était donc naturel de vouloir y associer mes collègues qui ont accepté de me faire bénéficier de leurs connaissances et notamment : - Stéphane Bostyn, Maître de Conférences à l'IUT d'Orléans ; - Alain Delacroix, Professeur des Universités, chaire de chimie industrielle du Cnam de Paris ; - Bernard Gourgousse, Professeur certifié au Centre de Ressources de Génie Chimique de l'Académie d'Orléans-Tours ; - CaUierine Porte, Maître de Conférences, chaire de chimie industrielle du Cnam de Paris. Tous ces collaborateurs, issus d'horizons divers et enseignant le génie des procédés à des niveaux différents, ont participé activement à celte rédaction en apportant leur savoir et leur expérience pour proposer des modifications pertinentes dans le cours et les problèmes, et une interprétation plus fine des résultats expérimentaux. Qu'ils en soient tous chaleureusement remerciés. Monsieur Bernard Lefrançois, Professeur titulaire de la chaire de chimie industrielle du Conservatoire National des Arts et Métiers, m'a fait l'honneur de bien vouloir préfacer cet ouvrage et je tiens à lui adresser mes plus vifs remerciements. Le Professeur Alain Delacroix est à l'origine de la rédaction de ce manuel. Je tiens à le remercier chaleureusement pour ses précieux conseils et ses nombreux encouragements. Enfin, je ne saurais oublier Jean-Pierre Coïc, Directeur de l'IUT d'Orléans qui m'a accueilli dans son établissement. Je lui suis infiniment reconnaissant de tous les efforts qu'il consacre au développement de l'enseignement et de la recherche technologique et l'assure de mon amitié. Henri Fauduet SOMMAIR E Préambul e Premièr e partie - Cours I- Industrialisation des procédés chimiques 1- Diverses phases d'industrialisation d'un produit 3 2- Divers types d'opérations chimiques 8 3- Opérations unitaires du génie des procédés 10 II- Principales grandeurs physicochimiques utilisées en génie des procédés 1- Notions générales sur les grandeurs physicochimiques9 2- Étude de quelques grandeurs 28 III- Bilans-matière 1-Introduction 52-Caractéristiques d'une production 62 3- Établissement des bilans-matière dans les procédés industriels 70 IV- Bilans énergétiques 1 - Introduction 81 2- Principales formes d'énergie5 3- Effets thermiques en relation avec l'enthalpie 88 4- Établissement des bilans thermiques dans les procédés industriels 12Deuxièm e partie - Problèmes I- Grandeurs moléculaires 13II- Mélanges binaires et ternaires 149 III- B ilans-matière dans les opérations de transfert 161 IV- Bilans-matière dans les neutralisations 185 V-e dans les productions chimiques 197 VI- Bilans thermiques 23Troisièm e partie - Expérimentation I- Bilans massique et tliennique dans les distillations discontinue et continue 275 II-se et thermique dans une evaporation continue 307 III- Bilans massique et tliennique dans une cristallisation discontinue 32IV- Bilane dans les extractions liquide-liquidee et continue 345 V- Bilan tliennique sur les échangeurs de chaleurs 36VI- Bilan massique de la synthèse de la glycine 381 VII- Bilane de lae de l'hydroxyde de potassium 393 VIII- Bilan massique de la synthèse du sulfate de dipotassium 40IX- Bilan massique de lae et de l'hydrolyse du borate de tributyle 41XII Génie des procédés et technologie chimique Annexe s 1- Principaux symboles utilisés en génie des procédés 429 2- Facteurs de conversion des unités non usuelles des grandeurs mécaniques dans le système international 445 3- Caractéristiques physiques de quelques solides minéraux 444-ss dess organiques 451 5- Caractéristiques physiques de quelques liquides3 6-s des gaz 457 7- Constantes des capacités thermiques molaires à pression constante 459 8- Enthalpies standard de formation de quelques composés minéraux 461 9- Entlialpiesd den et de combustion de quelques composés organiques 4610- Entlialpies molaires de dissoluùon et de dilution de quelques composés ioniques11- EntJialpies molaires de dissolution de quelques composés minéraux dans l'eau 471 12- Entlialpies molaires de dissolution de quelques composés organiques dans l'eau5 13- Titres massiques de quelques solutions basiques en fonction de la masse volumique7 14- Titres massiques de quelques solutions acides en fonction de la masse volumique 4815- Composition des mélanges éUianol-eau en fonction de la densité 489 16- Titres massiques et masses volumiques des solutions de saccharose en fonction de l'indice de réfraction 493 17- Températures de solubilité et de sursaturation de la glycine en fonction de la concentration18- Clialeur totale de vaporisation de l'eau en fonction de la pression absolue et de la température de vaporisation7 19- Masses atomiques des principaux éléments9 Bibiographi e Inde x Index des sujets 503 Index des produits 515 PRÉAMBUL E Avant de commencer l'élude des principes fondamentaux, il est d'abord nécessaire de définir certains termes et d'aborder la finalité de l'enseignement de cette discipline dans son contexte industriel. 1- Introduction sur le génie des procédés et la technologie chimiqu e Le génie des procédés et la technologie chimique (GPTC) est une dicipline qui se définit par ses quatre composants. Génie (engineering) vient de ingénierie, lui-même issu du vieux français "engeigneur" et du latin populaire "ingeniare" qui désignait, jadis, celui qui faisait preuve d'intelligence, d'habilité et de ruse dans l'art d'imaginer des engins de guerre pour tromper l'ennemi. C'est maintenant l'acte de création industrielle dans lequel l'ingénieur intervient en concevant, bâtissant ou utilisant un appareil pour y fabriquer des produits utilisables dans la société. Procédé (process) vient du latin "procedere" (aller de l'avant) qui indique la méthode à suivre pour obtenir un produit, c'est-à-dire transposer un mode opératoire de laboratoire en tennes industriels. C'est donc, pour la chimie, l'ensemble des moyens et des méthodes mis en œuvre pour fabriquer et/ou séparer les composés chimiques. Technologie (technology) est un amalgame des deux tennes grecs "tekhné" (art, métier) et "logos" (discours). La technologie est donc la science des arts industriels qui étudie la construction des outils et des machines utilisés dans les diverses branches de l'industrie. Chimie (chemistry), issu du latin médiéval "chimia", est la science qui étudie la constitution atomique et moléculaire des corps ainsi que leurs interactions, c'est-à-dire les propriétés physicochimiques des composés et leurs transformations quand ils sont mis en contact. Le génie des procédés et la technologie chimique, que l'on appelle encore génie chimique (chemical engineering) est donc la spécialité de l'art de l'ingénieur chimiste, qui s'occupe de la conception, de la construction, de Xinstallation et du fonctionnement des appareils utilisés par les ingénieurs et dans lesquels la matière subit un changement d'état et/ou de composition. C'est en réalité une extension de la méthodologie du génie chimique à l'ensemble des procédés industriels de transfonnation. Cette science couvre, par conséquent, un domaine très important de l'industrie puisqu'elle regroupe toutes les activités de production des divers produits, chimiques et apparentés, destinés à être vendus et utilisés dans la société. Dans la chaîne qui conduit de l'exploitation des ressources naturelles à la satisfaction des besoins sociaux, l'activité industrielle apporte en France 30 % de la VAT (valeur ajoutée XVI Génie des procédés et technologie chimique totale) et la moitié de cette richesse est créée par les industries qui mettent en œuvre des procédés de transformation de la matière. L'autre moitié provient des industries manufacturières utilisant les matériaux et les produits intermédiaires fabriqués par les premières. Le génie des procédés et la technologie chimique est une science relativement récente qui a été initiée en Angleterre en 1887 par Georges E. Davis. Celui-ci a lancé le premier l'idée de créer une catégorie de professionnels de l'industrie chimique qui remplirait à la fois les fonctions de chimiste, d'ingénieur mécanicien et thermicien, c'est-à-dire des spécialistes pouvant se charger à la fois de la réalisation et du fonctionnement des usines chimiques. Davis a écrit, en 1901, un ouvrage intitulé "A Handbook of Chemical Engineering" mais son idée n'a pas été suivie en Angleterre. Par contre, elle a été reprise aux USA, sous une forme légèrement différente, en 1915 par Arthur D. Little qui a fait apparaître le concept d'opération unitaire dans un rapport au président du MIT (Massachusetts Institute of Technology) de Boston. Cette étude avait été demandée pour essayer de résoudre les problèmes rencontrés, notamment avec le développement de la pétrochimie, dans le transfert des méthodes de laboratoire au milieu industriel. En effet, avec l'évolution scientifique, on s'est vite aperçu que les opérations de laboratoire n'étaient pas directement transposables au inonde industriel. La création du génie des procédés est donc une conséquence de la demande extérieure du monde industriel, confronté à de nouveaux problèmes (productivité, environnement, énergie, sécurité, qualité) et de la dynamique propre du monde de la recherche, forgeant sans cesse des concepts nouveaux et créant des produits de plus en plus sophistiqués. À la suite du rapport de Little, un groupe d'universitaires américains, convaincu de cette évolution inéluctable de la chimie, a établi que tout procédé industriel pouvait se ramener à une combinaison logique d'un nombre restreint d'unités d'opérations physiques (unit operations) tels que broyage, filtration, distillation, absorption, séchage, etc que l'on retrouve dans tous les domaines chimiques. Cette nouvelle présentation de l'industrie chimique fut publiée en 1923 dans un ouvrage intitulé "Principles of Chemical Engineering" par Walker, Lewis et Me Adams. Le premier ouvrage en langue française ne fut publié qu'en 1937 par le Professeur J. Danze (Université de Liège) sous le titre de "Opérations unitaires". Par contre, les procédés unitaires où intervenaient les transformations chimiques ne faisaient pas l'objet d'études théoriques particulières et continuaient d'être transposés empiriquement du laboratoire à l'échelle industrielle en discontinu. L'intérêt du mode continu s'est amplifié quand on s'est rendu compte qu'il pouvait permettre d'atteindre de grosses capacités de production, tout en diminuant les besoins en main-d'œuvre. Ces efforts d'augmentation de la productivité ont conduit R. Bird, W. E. Stewart et E. N. Lightyloolt à publier "Transport Phenomena" en 1960. Cet ouvrage traite, sur une base analytique, des phénomènes de transport appliqués à la matière, à la chaleur et à la quantité de mouvement dans les opérations unitaires. Le génie des réactions chimiques (chemical reaction engineering) est venu compléter les bases analytiques des phénomènes de transport, au début des années Préambule XVII 1960, en s'intéressant plus particulièrement aux modes de fonctionnement des appareils dans lesquels la matière subit une modification chimique et en mettant en exergue la cinétique et la catalyse. Le réacteur (appareil dans lequel est effectuée la transformation chimique) est maintenant considéré comme le "cœur" du procédé puisque son dimensionnemenl et son type de fonctionnement peuvent influencer la nature, la qualité et la quantité des produits formés et donc modifier les étapes des séparations en aval (opérations unitaires) qui restent généralement les plus coûteuses à mettre en oeuvre. Le génie des procédés s'affirme maintenant comme une science. Sa méthodologie s'est révélée indispensable pour améliorer la productivité industrielle, en dépassant le stade purement chimique et en s'étendant à tous les procédés de transformation. Le génie des procédés n'a été introduit que tardivement en France (1950) et son développement est toujours insuffisant. Dans un rapport du Minisire de la Recherche et de le Technologie (1991) il est même spécifié que le retard pris par notre pays dans ce domaine devient préoccupant. * 2- Elaboration d'un produit Afin de définir plus précisément les domaines d'application du génie des procédés et le rôle joué par le chimiste, il est nécessaire de situer préalablement cette activité dans la chaîne d'élaboration d'un produit. Le but d'une entreprise chimique est, comme dans les autres secteurs d'activités, de réaliser des bénéfices en vendant les produits qu'elle fabrique. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de passer par plusieurs stades. • Découvrir des nouveaux produits susceptibles d'améliorer le bien-être de l'homme. C'est la mission dont sont chargés les chercheurs des laboratoires de recherche (docteurs) puisqu'ils ont pour objectif de synthétiser les nouvelles molécules dont l'intérêt et l'efficacité seront ensuite testés dans des laboratoires spécialisés : toxicologie et pharmacologie (produits pharmaceutiques), mécanique (polymères, matériaux, alliages spéciaux), dermatologie (cosmétiques), etc. • Analyser la pureté et déterminer la structure des matières premières, des intermédiaires de synthèse et des produits finis. Cette activité se situe au niveau de la recherche fondamentale, de la production, de la séparation et de la mise en forme de la spécialité. C'est la mission dont sont chargés les analystes qui peuvent, avec les moyens actuels, déterminer la structure de n'importe quel composé et sa composition dans un mélange. Il est maintenant possible de détecter des traces d'impuretés généralement inférieures au ppm* et souvent voisines du ppb*. 6* ppm = partie par million (1 g pour 10 g) 1 2ppb = partie par billion (1 g pour 10 g) XVIII Génie des procédés et technologie chimique • Produire les composés en quantité importante et dans les conditions économiques les plus favorables pour être compétitif. Cette production nécessite de nombreuses recherches préalables de mise au point du procédé industriel. Ces études font appel à des connaissances en chimie et en génie des procédés, mais aussi en mécanique, en électronique, en informatique, etc. C'est la mission dont sont chargés les ingénieurs de développement et de production. • Vendre les produits avec la marge bénéficiaire optimale. C'est évidemment la mission du tecfmico-commercial. Pour mieux fixer le rôle du chimiste dans la production, il est d'abord nécessaire de préciser quelques définitions se rapportant à la production industrielle des composés chimiques. 3 - Génie des procédés, technologie chimique et chimie industriell e Pour bien souligner la nuance entre le génie des procédés, la technologie chimique et la chimie industrielle, considérons l'exemple de deux procédés apparemment aussi différents que la fabrication du carbonate de disodium et d'un e antibiotique à très haute valeur ajoutée. La production du carbonate de disodium, 11produit mondial au niveau du tonnage qui se compte en milliers de tonnes par jour, (par exemple à partir du procédé Solvay, par double décomposition de l'hydrogénocarbonate d'ammonium avec le chlorure de sodium suivi d'une décomposition thermique de riiydrogénocarbonate de sodium) est relativement simple sur le plan chimique. 2 NH4HCO3 + 2 NaCl • 2 NaHC0 + 2 NH4CI 3Na C0 + C0 + H 0 2 3 2 2Par contre, la synthèse de l'antibiotique nécessite de nombreuses étapes et le principe actif est utilisé à faible dose. Une production journalière de quelques kilogrammes est parfois suffisante pour couvrir les besoins. Le schéma réactionnel est évidemment totalement différent mais, dans les deux procédés, on utilise des méthodes et des techniques semblables : cristallisation, filtration, séchage des solides, evaporation des solvants, absorption des gaz, etc. De plus, ces opérations peuvent être réalisées dans des appareils de conception voisine même si les tailles sont très différentes. • Le génie des procédés (méthodologie) regroupe l'étude et la mise en œuvre des appareils (réacteurs, filtres, séchoirs, évaporateurs, colonnes, etc) du point de vue de leur principe, de leur conception, de leur fonctionnement dans des conditions Préambule XIX optimales et de leur intégration dans une cliaîne de production. Il nécessite de connaître toutes les notions de la physicochimie des opérations unitaires utilisées dans l'industrie chimique (répertoriées dans le paragraphe 3 du chapitre 1). • La technologie chimique concerne la réalisation de ces appareils, de leur structure mécanique et des matériaux de construction. Le spécialiste en technologie est un expert en mécanique appliquée et en calcul d'appareils. Il est chargé de la réalisation des installations définies par le concepteur. • La chimie industrielle se réfère à la nature des réactions chimiques et des procédés dans lesquels la matière subit un changement de nature et/ou de composition. Dans cette discipline, on utilise les techniques du génie des procédés et les appareils construits par le technologue chimiste. Cette branche de la chimie a pour objet la recherche et l'utilisation des moyens mis en œuvre pour fabriquer, dans les conditions économiques et sociales les meilleures, tous les produits chimiques utilisés dans la société. Cette définition souligne, à côté de son aspect technique (production optimale, qualité, stabilité), ses aspects économique (prix de revient) et social (hygiène, sécurité, nuisances). Elle regroupe donc l'ensemble des secteurs industriels concernés par la fabrication des matières premières et des produits finis, faisant appel à des procédés de transformation de la matière, utilisés dans notre société : textiles, combustibles, matériaux de construction, produits pharmaceutiques, cosmétiques, détergents, produits métallurgiques, matières plastiques, produits photographiques, produils agroalimentaires, biomolécules, etc. • Rôle du chimiste dans l'industrie. Le spécialiste en génie des procédés exerce une activité intermédiaire ou coordinalrice entre le chercheur (laboratoires de recherche ou de développement) et le concepteur (ou le constructeur) d'appareils utilisés dans l'industrie chimique. Il doit être en mesure, à partir d'un mode opératoire de laboratoire, de déterminer les diverses opérations industrielles à mettre en œuvre pour transposer le protocole à l'échelon industriel, de choisir les appareils les mieux adaptés au procédé et de chiffrer le coût de fabrication du produit. Il doit donc dominer à la fois plusieurs disciplines : - la chimie organique et/ou minérale pour maîtriser les diverses transformations chimiques de la matière susceptibles d'intervenir dans cliaque appareil. Il devra en particulier être en mesure de refaire complètement le protocole d'une synthèse originale effectuée au laboratoire pour l'adapter à la production, c'est-à-dire utiliser des réactifs et des solvants mieux adaptés au inonde industriel (pour des raisons de sécurité, de prix ou de disponibilité) et parfois de modifier totalement le schéma réactionnel ; - le génie de la réaction chimique pour augmenter la productivité en tenant compte des contraintes imposées par la sécurité et la préservation de Tenvironnement. Ce chimiste devra être en mesure d'optimiser les divers facteurs qui influencent le rendement et la sélectivité d'une réaction. L'utilisation d'outils mathématiques et informatiques lui permettra de modéliser les données et d'extrapoler les résultats à l'échelle industrielle ou à un autre type de réacteur. Cette activité se déroule au laboratoire de développement puis au pilote (atelier comportant des appareils de taille intermédiaire entre le laboratoire et la production) ; XX Génie des procédés et technologie chimique - la physicochimie des procédés pour transposer les diverses opérations de laboratoire à la fabrication pilote puis industrielle (la plupart de cess élémentaires est effectuée d'une manière très empirique par les chercheurs) et pour savoir conduire les appareils industriels nécessaires à la production des molécules et à leur purification. Cette activité se déroule dans le pilote puis dans l'atelier de production ; - la physique pure et la mécanique appliquée pour choisir l'appareil le mieux adapié au produit à traiter et, parfois, intervenir auprès du constructeur pour modifier un appareil existant ou imaginer un appareil spécifique d'une opération particulière ; - l'assurance qualité (qualitologie, bonnes pratiques de fabrication). Ce concept repose sur des notions de maîtrise du procédé, d'anticipation des besoins, des relations producteur-consommateur et d'innovation. Elle prouve que les moyens techniques, organisationnels et humains ont été mis en œuvre et éprouvés dans l'entreprise pour s'assurer que l'on retrouvera, à l'échelle industrielle, la qualité des produits obtenus au laboratoire et pour garantir un niveau constant du produit dans le temps. Il doit, par ailleurs, avoir des connaissances de plus en plus approfondies dans des disciplines telles que l'automatisation, la régulation, l'informatique appliquée et la robotique puisque l'industrie chimique fait de plus en plus appel à ces techniques récentes pour des questions de sécurité, de salubrité, de prix de revient et pour mieux satisfaire les besoins des utilisateurs. C'est donc une mission scientifique très diversifiée et dynamique qui attend ce chimiste et qui nécessite par ailleurs des qualités physiques, humaines, relationnelles, de commandement et d'organisation. C'est un secteur souvent négligé par les chimistes et celte désaffection a pour conséquence de laisser parfois vacant un certain nombre de postes présentant de bons profils de carrière dans plusieurs secteurs. En : • procédé. Ce chimiste est chargé de la recherche du meilleur procédé (équipements et conditions de fonctionnement) permettant d'optimiser le rendement d'une réaction en fonction des spécifications du produit imposées par le client (pureté, aspect, couleur, granulomélrie, etc) : 'production. Ce chimiste est responsable des aspects chimique, mécanique et énergétique d'une unité de production pour que celle-ci fonctionne avec un rendement maximal et dans des conditions satisfaisantes ; »projet. Ce chimiste est chargé de la planification, de l'organisation, de l'exécution et du suivi ingéniérique d'une étude. Son objectif est donc de faire aboutir un projet dans le temps prévu, avec un budget fixé et en respectant le cahier des charges fourni par le client. La finalité du génie des procédés et de la technologie chimique, dans un établissement donnant un enseignement pluridisciplinaire en chimie, n'est pas de XXI Préambule préparer à la conception et à la réalisation des appareils utilisés pour les synthèses chimiques ou les séparations physicochimiques. Il doit, par contre, permettre aux chimistes de savoir choisir cl utiliser les appareillages existants les mieux adaptés aux besoins. Il sera donc nécessaire d'acquérir le langage et les connaissances de base de l'art pour dialoguer avec les spécialistes de la technologie chimique (constructeur) qui conseilleront dans les choix ou réaliseront l'appareil adapté aux besoins réels. Il est donc indispensable d'avoir des notions de génie des procédés et de connaître le fonctionnement des principaux appareils destinés à être mis en œuvre en fabrication industrielle. Première partie COURS Chapitr e 1 INDUSTRIALISATIO N DES PROCÉDÉS CHIMIQUE S 1- Diverses phases d'industrialisation d'un produit La conception et le dimensionnemenl d'une unité de production chimique nécessitent de transposer les données obtenues au laboratoire. Or, le passage d'une échelle réduite à une échelle réelle bouleverse totalement les concepts de base ainsi que les médiodes de travail. Elle ne peut se dérouler en une seule étape, même si les principes fondamentaux (conservation de la masse, de la quantité de mouvement et d'énergie) ne dépendent pas de la quantité de matière mise en jeu. Le processus d'industrialisation d'un procédé ou d'un produit chimique doit nécessairement se faire en plusieurs phases, en utilisant les résultats obtenus de l'étape précédente dans le stade suivant. 1.1- Recherche exploratoire (exploratory research) Cette étape se déroule au laboratoire de recherche et consiste à imaginer de : • nouveaux produits (molécules) nécessaires à l'amélioration des besoins sociaux et présentant un intérêt industriel ; • nouvelles méthodes de synthèse permettant d'accéder, dans de meilleures conditions économiques ou sanitaires, à des produits dont les propriétés et les applications sont déjà reconnues. Une étude de marché préliminaire (prix, débouchés et risque de concurrence) est déjà nécessaire à ce niveau. Elle permet de juger de l'intérêt de se lancer dans une élude plus approfondie. Il est donc nécessaire que le chercheur ait une idée assez précise sur ce qui est réalisable tant sur le plan technique qu'économique. Cette première phase est motivée par la découverte d'une nouvelle molécule d'intérêt industriel, d'un catalyseur augmentant le rendement d'une réaction, une nouvelle méthode de synthèse permettant d'accéder à une molécule connue dans de meilleures conditions, un changement géopolitique modifiant le prix des matières premières, une nouvelle réglementation qui limite le rejet de produits polluants ou encore, la démonstration qu'une substance utilisée provoque des troubles graves et qu'il faut la remplacer par une molécule moins toxique. 1.2- Recherche du procédé en laboratoire (semi-industrial research) Si la molécule synthétisée présente un intérêt industriel ou si le procédé est concurrentiel, il est nécessaire de poursuivre l'étude précédente au laboratoire de développement. Cette étape comprend plusieurs types d'étude. 4 Génie des procédés et technologie chimique 1.2.1- Étude chimique préliminaire Cette phase est principalement axée sur la recherche de : • matières premières et solvants bon marché et non dangereux (non inflammables et non toxiques) ; • modes opératoires simples et économiques ; • bons rendement et sélectivité ; • produits possédant une pureté satisfaisante. Elle est automatisée au maximum de façon à utiliser les résultats des mesures données, en temps réel, par les capteurs pour établir des conditions de marche aussi proches que possible de celles obtenues en grandeur industrielle. 1.2.2- Étude chimique approfondie Cette seconde étude, plus approfondie que la précédente, permet d'optimiser la réaction tant du point de vue du rendement que du point de vue de la simplicité opératoire. Elle donne des indications sur : • la thermodynamique (relation entre les phénomènes mécaniques et thermiques), la cinétique (calcul des vitesses de réaction permettant de déterminer les temps de séjour dans les réacteurs) et la catalyse (augmentation du rendement ou de la sélectivité par addition d'un tiers produit retrouvé inchangé à la fin de la réaction) ; • la température, la pression, la composition du mélange réactionnel ; • le taux de conversion, la sélectivité et le rendement ; • la pureté du produit, la composition des réactifs et des produits ; • les propriétés physiques des composés et des mélanges (masses volumiques, solubilités, viscosités, volatilités, propriétés thermodynamiques, etc) ; • la corrosion ; • les méthodes de suivi analytique : • le dimensionnement des unités situées en amont et en aval du réacteur. Après modélisation éventuelle et optimisation des divers paramètres influents à l'aide de diverses techniques mathématiques, cette étude doit conduire à l'élaboration d'un protocole expérimental qui est testé et amélioré sur des petites unités de laboratoire fonctionnant en continu ou en discontinu (maquettes) ou directement sur des unités pilotes. 1.2.3- Etudes économique et commerciale Ces études prennent en compte les dépenses en : • énergies et consommables : carburant et électricité, fluides (vapeur, eau froide, air comprimé, vide), etc ; • matériel existant ou à acheter ; • main-d'œuvre ; • matières premières ; • dépollution éventuelle. Tous ces éléments permettent d'établir un projet sommaire du procédé et donnent des indications sur le prix de revient prévisible du produit qui doit être le plus bas possible et d'avoir une idée sur les parts de marché susceptibles d'être gagnées par le 5 Industrialisation des procédés produit ou le procédé. 11 est également nécessaire de prendre en considération dans cette analyse la toxicité à long terme du produit, sa pollution ainsi que l'éventuelle évolution de la réglementation en vigueur. 1.3- Développement du procédé et avant-projet industriel Lorsque la faisabilité technique et économique semble acquise, il est nécessaire de poursuivre le développement de l'étude en atelier pilote. Cette partie se déroule en plusieurs étapes. 1.3.1- Construction ou utilisation d'une installation pilote (pilot plant) Il est souvent impossible d'extrapoler directement les résultats de laboratoire à la fabrication en grandeur réelle. Il est généralement nécessaire de passer par un stade intermédiaire. Dans la plupart des cas, les entreprises possèdent un atelier pilote comportant des appareils polyvalents dans lesquels peuvent être réalisées la plupart des synthèses. Cess sont analogues aux appareils industriels mais de tailles plus réduites (réacteurs de 20 à 500 L avec les appareils connexes adaptés). Si le procédé, ou la synthèse, ne peut être testé sur des appareils de ce type dans l'entreprise (opérations continues), il est nécessaire de construire une installation pilote. Elle permet de vérifier et compléter les résultats obtenus dans le stade précédent mais aussi d'entraîner le personnel à ces nouvelles opérations. Le pilote permet également d'améliorer le procédé en attendant que l'atelier de production soit opérationnel. Le passage par le stade pilote permet aussi de préparer le produit en quantités plus importantes pour le soumettre à la clientèle potentielle ou pour effectuer des études ou des essais complémentaires. L'inconvénient de cette procédure est de présenter un coût supplémentaire et un retard dans la production. C'est, par contre, une assurance contre l'échec industriel puisque la plupart des produits ou des procédés, subissant avec succès toutes les épreuves de ce stade, sont réellement industrialisés. Cependant, le passage par le stade pilote n'est pas toujours nécessaire lorsque l'opération ne présente pas de difficultés majeures. Dans ce cas, elle est étudiée sur des appareils similaires de laboratoire mais fortement automatisés. 1.3.2- Rédaction du projet industriel préliminaire ou avant-projet (preliminary design) Le projet est rédigé par l'ingénieur du bureau d'études dont la tâche est maintenant facilitée par les logiciels de dimensionnement d'installations. Il comprend : • le schéma global du procédé (flow sheet) dans lequel figure l'ensemble des appareils par des dessins simples, le sens de circulation des matières et la nature des divers appareils (voir les principaux symboles graphiques dans l'annexe 1) ; • le bilan-matière de l'ensemble du procédé et de chacune de ces parties. Il permet de déterminer la quantité et la composition des divers flux entrant et sortant de chaque appareil ainsi que le rendement et la pureté du produit ; • le bilan énergétique de l'ensemble du procédé et de chacune de ces parties. Il fournit l'état des quantités d'énergie mises en oeuvre dans chaque partie de l'installation ; 6 Génie des procédés et technologie chimique • les caractéristiques des réacteurs (type, contenance, nature du matériau de construction, type d'agitation, etc) et des différents appareils nécessaires à la réaction (ballons de chargement, trémis à solide, échangeurs thermiques, capteurs de température et de pression, etc) ; • les caractéristiques de marche des différents appareils nécessaires aux opérations fondamentales pour séparer les produits et véhiculer les fluides (colonnes, pompes, ventilateurs, filtres, échangeurs thermiques, etc) ; • les dépenses énergétiques (vapeur, électricité, combustible, refroidissement, etc) telles qu'elles découlent du bilan énergétique ; • le coût des investissements de la fabrication ainsi que les frais généraux à introduire dans la détermination du prix de revient du produit ; • les analyses économique et juridique détaillées, les études publicitaires, etc. Cet avant-projet doit eue clair et précis pour chiffrer le coût total de l'opération et permettre de prendre une décision concernant la continuation ou l'arrêt de l'étude. Il donne également l'occasion d'apporter des retouches pour améliorer le procédé. Cette possibilité doit d'abord être vérifiée au laboratoire. 1.3.3- Le projet industriel complet (complete project) Ce document volumineux détaille tous les éléments nécessaires au travail des constructeurs (mécaniciens, électriciens et électroniciens, etc) et des spécialistes en génie civil. Il tient compte aussi des impératifs de sécurité et de dépollution et permet de préparer les appels d'offres. 1.3.4- Le projet d'installation et de construction (installation and construction project) Ce projet tient compte en particulier des problèmes annexes : lieu d'implantation, raccordements, approvisionnement en eau, dépollution, évacuation des résidus, salubrité et sécurité de l'installation. Ce projet permet la construction et le montage des unités et doit donc comporter un planning de commandes des divers matériaux et matériels ainsi qu'un plan détaillé concernant les intervendons des divers corps de métier. 1.4-Construction et mise en route de l'atelier de production (construction and starting up) L'atelier de production est construit d'après les études et le planning précédents. Avant de fonctionner en régime routinier, il est généralement nécessaire d'apporter des modifications sur les appareillages et les conditions d'exploitation pour améliorer le procédé. Par ailleurs, les conditions peuvent être parfois modifiées pour augmenter le rendement et la pureté, diminuer la consommation de solvant ou d'énergie et ainsi augmenter la productivité de l'unité. Ces améliorations successives s'étalent parfois sur plusieurs mois, voire plusieurs années, et aboutissent souvent à des résultats nettement supérieurs à ceux escomptés à l'origine. L'algoriUime des diverses phases d'industrialisation d'une molécule ou d'un procédé est présenté dans la figure 1.1. 7 Industrialisation des procédés Recherche exploratrice 'STOP* PiodjiTv. Non ^àctil ou meilleure^ jmétho Oui Études chimiques du procédé (laboratoire) Analyses économique et commerciale préliminaires Faisabilité^V^ Non Non technique et éco^, «jiomiqu^ Oui Développement du procédé (pilote) Non Validation Oui Projet industriel (schéma, caractéristiques, analyses économique, juridique, publicitaire, etc) Non Décision finale tOui Construction et mise en route Figure 1.1. Algorithme des diverses phases d'industrialisation d'une molécule ou d'un procédé 8 Génie des procédés et technologie chimique 2- Divers types d'opérations chimiques 2.1- Caractéristiques de l'industrie chimique L'industrie chimique se distingue des autres secteurs de production par plusieurs caractéristiques • • son évolution est constante du fait des changements géopolitiques qui modifient le prix des matières premières et du développement intense de la recherche qui permet la découverte de molécules et de méthodes séparatives de plus en plus élaborées. Cette évolution rapide implique la nécessité de prévoir un amortissement rapide des installations lorsque les appareils ne sont pas polyvalents ; • elle nécessite généralement un besoin faible en personnel d'exploitation par rapport à son chiffre d'affaires. En revanche ce personnel doit être hautement qualifié pour conduire des opérations de plus en plus sophistiquées. De plus, l'industrie chimique utilise et synthétise des produits dangereux (corrosifs, toxiques, inflammables, explosifs, etc) de haute valeur ajoutée imposant d'utiliser des unités de plus en plus automatisées pour réduire les risques et augmenter la productivité ; • elle est une grosse consommatrice d'énergie et de matières premières. Cette caractéristique explique les concentrations des unités de chimie de base au voisinage de bassins disposant de ces ressources. Cependant, son évolution vers la chimie fine permet maintenant sa décentralisation vers les centres disposant d'une main-d'œuvre hautement qualifiée : • elle conduit parfois à la formation de sous-produits (produits secondaires formés concurremment avec le produit recherché) qu'il faut essayer de rentabiliser par vente, recyclage dans d'autres opérations ou retransfonnauon. De plus, l'industrie chimique est génératrice de déchets aqueux et organiques qui doivent être détruits ou traités en station d'épuration pour les détoxifier avant rejet dans le milieu naturel. Le budget concernant le traitement des déchets devient de plus en plus important, compte tenu de la réglementation, et influe notablement sur le prix des produits finis. La transposition des opérations de laboratoire (réalisées dans des petits appareils en verre, sur des quantités réduites de matière pour lesquels les phénomènes Uiermiques sont facilement maîtrisables) aux productions industrielles (effectuées sur des masses importantes) posent d'importants problèmes de transfert de matière et de transmission Uiermique. L'appareillage est généralement constitué de matériaux métalliques (comportant souvent des accessoires en verre ou en polymères), de bonne résistance mécanique, de faible prix et de conductibilité Uiermique élevée. Par contre, ces matériaux sont sensibles à la corrosion et leur utilisation devra être convenablement étudiée ainsi que leur résistance à la pression. Selon la quantité de matière mise en œuvre, la nature des espèces chimiques en présence et sa finalité, l'opération peut se dérouler en discontinu, en continu ou en semi-continu. 2.2- Opération discontinue : système fermé (batch process) On opère sur un lot de réactifs que l'on traite de façon discontinue en faisant succéder chronologiquement les diverses étapes prévues, à une cadence déterminée par la nature du procédé et le type d'appareillage. Il faut s'efforcer de faire suivre Industrialisation des procédés 9 l'ensemble des productions à l'intérieur d'une journée si le travail posté n'est pas en vigueur dans l'entreprise. Ce type d'opération découle directement des opérations de laboratoire et convient surtout à de petites fabrications et à l'élaboration ou la séparation de produits à forte valeur ajoutée. Ces opérations sont surtout utilisées en chimie fine. Les appareils sont constitués généralement par des cuves permettant de réaliser un bon mélangeage pour des température et pression uniformes. Le réacteur de type Grignard et les autoclaves sont les appareils les plus couramment rencontrés en production. Des appareils similaires aux précédents peuvent être équipés pour des opérations unitaires spécifiques : distillation, cristallisation, extraction solide -liquide etc. L'opération discontinue présente l'avantage : • d'utiliser un appareillage polyvalent et de travailler sur des charges relativement faibles ; • d'éviter les problèmes de circulation de certaines matières (pâtes obstruant les tuyauteries) ; • de donner parfois des rendements plus élevés (surtout pour les réactions biologiques). Elle a l'inconvénient de présenter : • un coût énergétique élevé (chauffage et refroidissement pour chaque charge) ; • des temps morts (remplissage, soutirage, préchauffage, refroidissement, etc) ; • un besoin élevé en personnel (manutention, surveillance, etc) ; • une quantité et une qualité de produit formé pouvant évoluer dans le temps ; • un prix de production plus élevé. 2.3- Opération continue : système à courants (flow process) Dans cette opération, les réactifs (influents ou entrants) sont introduits en continu dans l'appareil avec un débit déterminé. De même, les produits (effluents ou sortants) sont récupérés en continu, de telle sorte que l'appareil contienne toujours la même masse réactionnelle. Elle se caractérise donc par un débit constant dans le temps, tant pour les influents que pour les effluents. Les valeurs des différents paramètres en un même point de l'appareil sont constants (température, pression, concentrations, etc). Dans ce cas, on dit que le régime stationnaire (permanent ou établi) est atteint. Cette opération utilise souvent des appareils spécifiques et possède une régulation poussée. Elle est mise en œuvre surtout pour des productions ou séparations importantes (supérieures à 100 t7an) et à des débouchés constants. Ces opérations sont surtout utilisées en chimie de base (production et séparation des gros intermédiaires de synthèse, séparation de produits naturels, etc). L'opération continue présente l'avantage : «de nécessiter un besoin réduit en personnel ; • de produire une qualité constante en produit(s) ; • d'améliorer les conditions sanitaires (isolement de l'installation et pilotage en conduite déportée) et d'offrir une plus grande sécurité du fait de l'automatisation ; • de produire à un coût inférieur à celui d'une opération discontinue. Elle a l'inconvénient de : • présenter un coût élevé des équipements et notamment en ce qui concerne les 10 Génie des procédés et technologie chimique mesures, le contrôle et la régulation (ils peuvent atteindre 25 % de l'investissement). Il est donc avantageux de construire de grandes unités ; • nécessiter une régularité dans la qualité des matières premières (composition chimique, état physique, etc) ; • ne pas pouvoir réutiliser la majorité de l'appareillage lorsque la fabrication est arrêtée définitivement. 2.4- Opération semi-continue : système ouvert (semi-batch process) L'opération semi-conlinue est intermédiaire entre les deux précédentes. Elle se caractérise par l'introduction continue d'un ou de plusieurs réactifs sur une charge de matière fixe et/ou par l'élimination continue d'un ou de plusieurs produits (hydrogénation ou chloration catalytiques, adsorption d'un soluté sur un lit de charbon actif, etc). Il est aussi possible d'effectuer la réaction avec une seule charge de réactifs introduits en début d'opération et d'éliminer un produit au cours de sa formation (distillation azéotropique de l'eau formée au cours d'une estérification). Les appareils utilisés en fabrication semi-continue sont du même type que ceux utilisés pour les réactions discontinues. Il est toutefois nécessaire de prévoir en plus une arrivée continue de réactif cl/ou une sortie continue de produit. L'opération semi-continue présente souvent l'avantage de mieux contrôler l'exotliennie d'une réaction par introduction discontinue d'un réactif. 3- Opération s unitaires du génie des procédés L'industrialisation d'un procédé nécessite de connaître les diverses phases de transformation chimique mais aussi toutes les opérations élémentaires individuelles mises en œuvre dans ce traitement pour séparer les composants ainsi que les lois et les méthodes de calcul qui régissent toutes ces opérations unitaires (unit operations). Toute production chimique fait appel, quelle que soit l'échelle, à une suite coordonnée d'opérations fondamentales distinctes et indépendantes du procédé lui-même : • préparation et conditionnement des matières premières (réactifs) ; • transformation chimique des réactifs en produits avec intervention énergétique (chauffage ou refroidissement) ; • séparation et purification des produits ; • conditionnement des produits finis. Tous ces procédés sont réalisés avec des solides, des liquides ou des gaz (ou des mélanges de composés sous ces divers états) et les opérations unitaires, mises en œuvre dans cette chaîne de traitement, sont communes à toute l'industrie chimique. L'étude de l'ensemble des opérations physicochimiques qui interviennent dans tout procédé industriel a permis de les classer par groupes selon qu'elles se rapportent à des transferts de matière, à des modifications physiques de la matière et/ou à des transformations thermiques. On distingue quatre grandes catégories d'opérations selon qu'elles font appel à des solides, à des liquides, à des gaz ou qu'elles se réfèrent à des transferts de matière et/ou d'énergie de composés en équilibre sous ces divers états. Industrialisation des procédés 11 3.1- Opérations mécaniques sur les fluides La mécanique des fluides comporte la mécanique des gaz (fluides compressibles) et des liquides (fluides incompressibles). Elle comprend l'élude des fluides au repos ou en mouvement et la mécanique des machines hydrauliques correspondante. • La statique des fluides (fluid statics) est l'étude des fluides au repos. Elle trouve des applications technologiques dans le domaine du stockage et de la mesure des pressions. • La dynamique des fluides incompressibles (flow of incompressible fluids) est l'étude de l'écoulement d'un liquide. Les fluides réels incompressibles sont classés en plusieurs catégories selon leurs propriétés rhéologiques (liées à la viscosité). Leurs caractéristiques sont très différentes selon que l'on utilise des liquides purs ou des solutions (fluides newtoniens) ou des liquides visqueux (fluides non newtoniens) tels que les verres, les plastiques, les métaux fondus, les gels, les mousses ou encore les suspensions. La technologie qui se rapporte à ce domaine concerne la mesure des débits, l'étude des canalisations et des pompes de circulation. • La dynamique des fluides compressibles (flow of compressible fluids) est l'étude de l'écoulement et des modifications de volume et de pression des gaz. La technologie correspondante concerne esseniielleineni l'élude des compresseurs et des pompes à vide. L'écoulement des fluides est également à la base des transferts thermiques entre deux fluides à des températures différentes (cf. échangeurs thermiques, paragraphe 3.4.2). 3.2- Opérations mécaniques sur les solides Ces opérations concernent les solides seuls ou les mélanges diphasiques solide-fluide. 3.2.1- Fragmentation (size reduction, comminution) La fragmentation (concassage, broyage) est la réduction des solides en particules ou fragments plus petits après passage dans des concasseurs ou broyeurs. Cette opération est utilisée pour conditionner le solide avant la vente (broyage des minerais, du charbon ou de diverses substances minérales) ou pour augmenter la surface spécifique (surface de contact du solide) avant une transformation chimique. 3.2.2- Manutention (handling) Les solides peuvent être manipulés en l'état ou à l'aide de fluides intermédiaires. • Manutention en l'état : déplacement des solides à l'aide de divers transporteurs et convoyeurs. • Fluiclisation (fluidizaiion) : production d'une suspension de fines particules solides dans un fluide de manière à obtenir un système solide-fluide ayant les 12 Génie des procédés et technologie chimique propriétés d'un fluide. Elle peut être considérée comme une opération intermédiaire entre le transport des solides par un fluide et le mouvement d'un fluide à travers un lit de particules au repos. • Transport pneumatique ou hydraulique : mise en suspension de particules solides dans un courant d'air ou d'eau permettant son déplacement dans une conduite. 3.2.3- Séparations solide-solide Ces séparations permettent de trier les solides selon leurs tailles ou leurs natures. • Tamisage ou criblage (screening or grizzling). C'est un classement mécanique des particules solides d'après leurs grosseurs par passage sur un tamis (ou un crible) possédant des orifices de dimensions adaptées à leur séparation. Un tamis est un appareil industriel ou de laboratoire fonné de toiles (mailles carrées) ou de passoires (trous circulaires). Un crible est un appareil industriel, formé de grilles, de disques ou de cylindres, utilisé pour séparer des fragments relativement gros. • Séparation magnétique ou électrique (magneùc or electric separation). C'est un classement des particules solides selon leur nature magnétique ou conductrice d'électricité. 3.2.4- Séparations solide-fluide Ces opérations peuvent être des méthodes de classement ou de séparation des solides. • Sédimentation ou décantation (sedimentation). C'est le classement des solides d'après leur densité par dépôt a partir de suspensions de particules solides dans un liquide. Elle peut être gravimétrique ou centrifuge. • Dépoussiérage (dust removal). C'est la séparation des particules solides en suspension dans un gaz (généralement de l'air) sous l'influence de leur poids, de la force centrifuge, de leur nature magnétique ou électrique ou par barbottage dans un liquide. • Filtration ou essorage (filtration). C'est la séparation des particules solides en suspension dans un liquide par passage à travers un milieu filtrant chargé d'arrêter les particules. La filtration peut être gravimétrique, sous pression ou sous vide. • Centrifugation (centrifugation, cenlrifuging). C'est l'opération qui consiste à utiliser la force centrifuge pour accélérer la séparation de deux liquides non miscibles (décantation centrifuge) ou d'une suspension d'un solide dans un liquide (sédimentation centrifuge). Celte technique est utilisée, pour diminuer le temps de séparation, lorsque les deux espèces en présence ont des masses volumiques voisines. • Flottation (flotation). C'est une méthode de concentration et de séparation hydraulique de corps solides, de natures différentes, par diminution physicochimique de leur densité apparente permettant à certains solides de flotter. Industrialisation des procédés 13 3.2.5- Agitation et mélangeage (agitation and mixing) C'est l'homogénéisation d'un système homogène pour favoriser les contacts et les transferts thermiques. C'est aussi le brassage d'un système hétérogène de plusieurs constituants diphasiques (solides, liquides ou gazeux), par agitation ou malaxage avec des dispositifs adaptés à la viscosité du milieu, pour favoriser la dissolution, l'absorption, l'extraction, la réaction ou les transferts thermiques. 3.3- Opérations de transfert de matière et/ou de chaleur entre phases Ces opérations sont effectuées à partir des systèmes en équilibre entre deux phases et peuvent être discontinues ou continues. 3.3.1- Phases vapeur-liquide Ces opérations sont essentiellement rencontrées dans le traitement et/ou la purification des produits finis. • Distillation ou rectification (distillation). C'est une opération de séparation de plusieurs liquides volatils, de mélanges simples ou complexes, par une succession de vaporisations et de condensations. Elle permet de séparer plusieurs liquides s'ils possèdent des points d'ébullition suffisamment différents. Dans une distillation discontinue, les composés sont séparés dans l'ordre croissant de leurs points d'ébullition. La distillation continue permet de séparer le mélange en deux coupes : une coupe volatile qui est la fraction vaporisée puis condensée en tête de colonne et le résidu, c'est-à-dire le liquide extrait en pied de colonne. • Evaporation (evaporation). C'est une méthode de concentration d'une solution contenant un soluté solide ou liquide par vaporisation du solvant à la pression atmosphérique ou sous vide. Le solvant doit posséder un point d'ébullition inférieur au soluté. L'évaporation obéit aux mêmes lois physicochimiques que la distillation. Dans la distillation, c'est le distillât qui est le produit intéressant (méthode de purification) alors que dans l'évaporation c'est le résidu qui est le produit recherché (élimination du solvant précédant une purification du résidu). • Absorption (gas absorption). C'est un transfert d'un ou plusieurs constituants gazeux (soluté et diluant) dans un liquide dans lequel le soluté est soluble en vue de le séparer du diluant. Celte opération présente notamment un intérêt dans la dépollution des rejets gazeux. • Humidification (humidification). C'est un transfert de matière entre une phase liquide et un gaz fixe partiellement insoluble au liquide (humidification de l'air par l'eau). 3.3.2- Phases liquide-solide Ces opérations sont rencontrées soit dans la préparation des matières premières soit dans les .séparation et purification des produits. 14 Génie des procédés et technologie chimique • Cristallisation (crystallization). C'est la formation de cristaux d'un (ou plusieurs) soluté(s) à partir de leur solution dans un liquide. Cette opération est généralement effectuée par abaissement de la température de la solution, par concentration d'une solution suivie d'un refroidissement ou encore par formation de cristaux par addition d'un cosolvant dans une solution dans laquelle le soluté est moins soluble que dans le solvant d'origine. Dans ce cas, le cosolvant doit être miscible au solvant d'origine. • Dissolution (dissolution). C'est l'absorption d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz (soluté) dans un liquide utilisé en quantité plus importante (solvant) pour donner une solution. C'est l'opération inverse de la cristallisation dans le cas des solides. • Fusion (fusion, melting). C'est le passage de l'état solide à l'état liquide sous l'action de la chaleur. L'opération inverse est la solidification. Cette opération est aussi une méthode de contrôle rapide de la pureté d'un composé solide. • Extraction solide-liquide (leaching). C'est une opération de séparation par dissolution dans un liquide (solvant) d'un ou plusieurs composant(s), solide(s) ou liquide(s) (soluté) mélangé(s) dans un solide inerte (non soluble). La percolation est une variante de l'extraction solide-liquide et se traduit par une pénétration lente d'un solvant dans un système solide partiellement soluble. • Lavage (washing, scrubbing). C'est l'élimination d'impuretés présentes dans un solide avec un solvant dans lequel seules ces impuretés sont solubles. C'est une opération consécutive à la filtration (solide) ou une opération de dépollution (gaz). • Adsorption (adsorption). C'est une méthode de séparation d'un certain nombre de composants dissous dans un liquide par passage sur une surface adsorbante solide chargée de retenir, sélectivement, certaines espèces chimiques. Cette technique trouve notamment des applications en chromatographic en phase liquide. • Échange d'ions (ion-exchange). C'est une réaction de double décomposition réversible entre deux réactifs ionisés présents dans deux phases différentes. Généralement, cet échange consiste en un déplacement, ou une redistribution, des ions entre un liquide (electrolyte) et un solide (résine échangeuse d'ions) capable de fixer certains ions. 3.3.3- Phases vapeur-solide • Sublimation (sublimation). C'est la purification d'un mélange par passage direct d'un composé de l'état solide à l'état gazeux sous l'action de la chaleur. • Lyophilisation (freeze-drying). C'est une méthode de séchage d'un produit par sublimation, sous l'action d'un vide poussé, d'un solvant préalablement congelé. Cette technique est utilisée notamment pour déshydrater des produits thermosensibles (industries alimentaire et pharmaceutique). • Adsorption (adsorption). C'est la même opération que pour les liquides mais appliquée aux gaz. Industrialisation des paKédés 15 • Séchage (drying). C'est l'élimination d'un solvant présent dans un solide par evaporation (sous vide ou courant d'air), éventuellement en chauffant l'ensemble solide-liquide pour augmenter la tension de vapeur du solvant. 3.3.4- Phases liquide-liquide Ces opérations sont rencontrées dans la séparation de liquides non miscibles. • Décantation (décantation). C'est la séparation d'une emulsion composée de deux liquides non miscibles (généralement une phase aqueuse et une phase organique) par leur différence de masse volumique. Rlle peut être gravimétrique ou centrifuge. • Extraction liquide-liquide, (liquid extraction). Celte opération permet d'éliminer un (ou plusieurs) constituantes) (soluté) d'une solution (soluté dissous dans un diluant) par transfert sélectif dans un solvant non miscible au diluant. 3.4- Opérations de transformation chimique et de transfert thermique 3.4.1-Réacteurs Les réacteurs chimiques peuvent être classés de deux façons. D'après le type : • de milieu réactionnel. Dans ce cas, on distingue les réacteurs homogènes (réactions monophasiques) et hétérogènes (réactions diphasiques dans des réacteurs catalyliques à lit fixe ou lluidisé) ; • d'opération effectuée. Dans ce cas on distingue les réacteurs fermés (fonctionnant en discontinu en régime non établi), les réacteurs ouverts (fonctionnant en continu en régime établi), les réacteurs semi-fermés, agités, pistons. La première classification sera adoptée et la conception des réacteurs (Grignard, autoclave, four, tour, etc) varie selon le type du milieu avec lequel on opère. • Réacteurs pour mélanges homogènes liquide ou gaz. Les réacteurs de type Grignard (ou les autoclaves) sont les plus courants. • Réacteurs pour mélanges hétérogènes liquide-solide. Les mélangeurs de type Grignard, avec un système d'agitation efficace (pales et contre-pales), sont utilisés pour les températures moyennes (entre -20 et 200 °C). Pour les températures plus élevées, on utilise divers types de fours. • Réacteurs pour mélanges liquide-gaz. Pour les températures moyennes on peut utiliser des autoclaves (hydrogénaleurs) et des tours d'absorption ou de fabrication. Pour des températures plus élevées, on utilise des fours à brûleurs. • Réacteurs pour gaz seuls. L'appareillage est constitué par des chambres ou des tours (températures moyennes) ou des brûleurs ou des fours pour les températures plus élevées. 16 Génie des procédés et technologie chimique 'Réacteurs pour gaz et solides. On utilise des fours rotatifs, à moufles, mécaniques (procédés non catalyliques), à lit fixe ou à lit fluidisé (procédés catalyliques). Le choix d'un matériau de construction est important en chimie. Si le verre est inerte vis-à-vis de tous les produits chimiques (sauf l'acide fluorhydrique et, à un degré moindre, les solutions alcalines chaudes), il n'en est pas de même pour les métaux et les matières plastiques. D'une façon générale, une opération en milieu basique est réalisée dans un réacteur en inox traditionnel (316L) et une réaction en milieu acide peut être effectuée dans un réacteur en acier vitrifié, fonte émaillée ou inox Uranus. Les réactions en milieu neutre se réalisent invariablement dans les matériaux précédents. Certains appareils peuvent également être revêtus de polymère compatible avec le solvant utilisé. Seul le téflon (PTFE) est inerte vis-à-vis de tous les produits chimiques mais son utilisation est limitée par la température (inférieure à 150 °C) et par son prix. 3.4.2- Échangeurs thermiques Les échangeurs thermiques sont des appareils dans lesquels la chaleur est transmise d'un fluide à un autre à cocourant, à contre-courant ou à courants croisés. Ils servent à refroidir un liquide chaud par un liquide froid (fonctionnement en refroidissement) ou à condenser une vapeur par une froidt en condensation). On peut utiliser des échangeurs inonolubulaires, multilubulaires, à serpentins, à plaques, etc. Ils servent aussi à réchauffer (ou à vaporiser) un liquide pur, une solution ou une suspension pour effectuer une réaction ou une opération de séparation. Dans ces cas, la double enveloppe d'un réacteur ou le serpentin d'un bouilleur sont considérés comme des échangeurs thermiques. 3.4.3- Production de chaleur et de froid Ces opérations sont courantes dans l'industrie chimique et sont importantes sur le coût de fabrication. L'énergie diennique est généralement apportée par : • la vapeur d'eau sous pression. L'énergie libérée dépend de la pression de travail et de la quantité de vapeur échangée. C'est le mode de chauffage le plus courant dans l'industrie chimique pour ses aspects pratique (souple d'utilisation, mise en régime rapide, endialpie de vaporisation élevée de l'eau) et sécurisant (ne produit pas d'étincelles) ; • un système monofluide. Le fluide caloporteur (eau glycolée, huiles diverses, etc) est porté à la température désirée dans un thermostat situé à proximité de l'installation ; • l'énergie électrique. L'énergie électrique est peu utilisée en chimie à cause des risques. De plus, les appareils antidéflagrants (pouvant contenir une explosion interne et garantir qu'une inflammation ne puisse se transmettre à l'aunosphère environnante) sont chers ; Industrialisation des procédés 17 • la combustion d'un composé (solide, liquide ou gazeux). Ce type de chauffage est peu utilisé sauf dans la production de vapeur d'eau et quelques applications de la chimie minérale. La chaleur est éliminée par : • l'air ambiant, malgré sa faible capacité thermique ; • l'eau de ville pour refroidir à 10-20 °C (selon la saison) ; • l'eau glycolée refroidie dans un cryostat. Elle permet d'atteindre des températures de l'ordre de -15 à -20 °C ; • les machines frigorifiques fonctionnant par absorption ou compression de fluides frigorigènes (fréon 12 par exemple). Ces machines permettent de descendre jusqu'à -30, -40 °C ; • les saumures (solutions aqueuses salines à bas point de congélation telles que le chlorure de calcium ou le chlorure de magnésium permettant d'atteindre -30 à -50 °C), ou encore la carboglace (-75 °C environ en mélangeant avec certains solvants organiques) et l'azote liquide (-196 °C). Ces agents cryogènes sont surtout uùlisés au laboratoire. Avant d'envisager l'étude des opérations fondamen laies, il est nécessaire de connaître les divers types de calculs et, notamment, de savoir établir un bilan-matière et un bilan énergétique. L'étude de ces bilans nécessite de maîtriser les diverses grandeurs physicochimiques utilisées en génie des procédés. Chapitr e 2 PRINCIPALE S GRANDEURS PHYSICOCHIMIQUE S UTILISÉES E N GÉNIE DES PROCÉDÉS L'étude des opérations élémentaires met en jeu les lois de base de la physicochimie. Une loi est une proposition générale énonçant des rapports nécessaires entre des phénomènes physiques ou entre les constituants d'un ensemble. La loi des gaz parfaits (pV = nRT) indique que si la pression (p), la quantité de matière (n) et la température absolue (T) sont connues, la relation permet de calculer le volume (V) en connaissant la valeur de la constante des gaz parfaits (R). Les lois ont d'abord été mises en évidence expérimentalement mais, très vite, se sont construites des théories permettant d'en trouver les raisons, de relier ces lois entre elles et d'en déduire d'autres. Les lois scientifiques, d'abord qualitatives, ont ensuite pris une forme quantitative. Cette évolution a nécessité de définir des unités de mesure, d'emploi généralisé, affectées aux grandeurs physicochimiques. Les grandeurs physiques utilisées en génie des procédés sont les mêmes que celles utilisées en mécanique, en physique ou en chimie. Cependant, la question des unités revêt ici une importance particulière du fait de l'utilisation, par certains spécialistes du génie des procédés, de systèmes d'unités de mesure obsolètes, irrationnels et illégaux (système anglo-saxon par exemple). L'ignorance des moyens pour savoir passer des unités anglaises aux unités métriques et vice versa, ne permet pas d'accéder facilement à l'abondante littérature anglo-saxonne du génie chimique. Nous n'utiliserons, dans ce cours, que le système international (SI), imposé en France depuis 1960. Nous donnerons toutefois des précisions sur les autres systèmes et indiquerons une méthode pratique pour convertir facilement les unités. 1- Notions générales sur les grandeurs physicochimiques Le mot grandeur a deux significations. La première correspond à l'importance d'un objet ou d'un phénomène : grandeur d'une personne, d'une énergie, etc (notion qualitative). La seconde, utilisée en sciences, correspond à une caractéristique mesurable de cet objet ou de ce phénomène : diamètre d'un cercle, masse volumique d'un composé, vitesse de rotation d'un moteur, etc (notion quantitative). La métrologie est la science de la mesure. Elle étudie tous les aspects théoriques et pratiques se rapportant aux mesurages (ensemble des opérations permettant de déterminer la valeur d'une grandeur). 20 Génie des procédés et technologie chimique 1.1- Définition d'une grandeur (Norme NFX 02-001 publiée par l'Afnor) On appelle grandeur la caractéristique profonde d'un phénomène, d'un corps ou d'une substance, susceptible d'être distinguée qualitativement et mesurée. Il y a donc un très grand nombre de grandeurs qui peuvent être rassemblées en familles caractérisées par des dimensions semblables (longueur d'une canalisation, diamètre d'une colonne, hauteur d'un plafond, longueur d'onde). Une grandeur physicochimique se définit en fonction de certains critères expérimentaux de base et en fonction d'autres grandeurs préalablement définies. La valeur d'une grandeur est l'expression quantitative de deux facteurs dont l'un, est une grandeur physique de même nature prise comme repère (unité) et dont l'autre, est le nombre de fois que l'unité est contenue dans la grandeur (valeur numérique). Le symbole d'une grandeur physique est donc équivalent au produit de sa valeur numérique (un nombre mesuré expérimentalement) par son unité. Ces grandeurs sont liées entre elles par des équations exprimant les lois physiques. Certaines grandeurs peuvent être considérées comme indépendantes les unes des autres el permettent de définir d'autres grandeurs au moyen d'équations. Un système de grandeurs est un ensemble de grandeurs entre lesquelles il existe des relations définies et auquel correspond un système d'unités déterminé. Les grandeurs sont constituées de : • grandeurs de base (ou grandeurs fondamentales) qui sont des grandeurs admises par convention et totalement indépendantes les unes des autres ; • grandeurs dérivées qui sont fonction des grandeurs de base précédentes. Les grandeurs de base de la nonne ISO 31 (NFX 02-200) sont au nombre de 7 : longueur (L), temps (T), masse (M), température (0), quantité de matière (N), intensité de courant électrique (I) et intensité lumineuse (J). Dans le domaine du génie des procédés, on utilise uniquement un système de grandeurs et d'équations fondé sur les cinq premières grandeurs de base. Ces grandeurs sont répertoriées dans la figure 1.2. Les grandeurs dérivées sont définies, dans un système de grandeurs, par une équation en fonction des grandeurs de base (la vitesse est une grandeur dérivée comme étant le rapport d'une longueur par le temps). Certaines grandeurs dérivées possèdent des unités avec un nom spécial. Les principales unités dérivées possédant un nom spécial et utilisées en génie des procédés sont répertoriées dans la figure 1.3. Les grandeurs peuvent être : • extensives lorsqu'elles dépendent de la quantité de produit (masse, quantité de matière, volume, etc). La valeur d'une propriété extensive considérée, pour un système quelconque, est la somme des valeurs de cette propriété pour les différentes parties du système (les grandeurs extensives sont additives. Par exemple, 1 kg d'eau + 1 kg d'eau = 2 kg d'eau) ; Grandeurs physicochimiques 21 • intensives lorsqu'elles sont indépendantes des quantités de produit et c'est une caractéristique des substances présentes (pression, température, masse volumique, etc). Elles n'obéissent pas à la règle d'additivité (par exemple, 1 kg d'eau à 20 °C + 1 kg d'eau à 30 °C = 2 kg d'eau à 25 °C et non à 50 °C). Grandeurs Longueur Temps Masse Température Quantité de Intensité Intensité de base matière électrique lumineuse Symbole L T M 6 NI J Unité SI mètre seconde kilogramme kelvin mole ampère candela Exemple SI 1 m 1 s 1 kg 273 K (0 °C) 1 kmol Équivalent 102 cm 1 s 103 g 273 K (0 °C) 103 mol CGS Équivalent 3,28 ft 1 s 2,20 lb 491 °R (32 °F) 2,20 lb.mol anglo-saxon Figure 1.2- Grandeurs de base Unités SI dérivées Grandeurs dérivées Noms Symboles Expressions en fonction des unités de base Angle plan Radian rad 1 rad = 1 m.m 1 = 1 -Fréquence Hertz Hz 1 Hz= 1 s ' 2 Force Newton N 1 N = 1 kg.in.s~Pression Pascal Pa 1 Pa= 1 N.m-2= 1 kg.irrl.s-2 Joule J 1 J = 1 N.m = 1 kg.m2.s-2 Énergie 1Puissance Watt W 1 W = 1 J.s" = 13 _ _Viscosité dynamique Poiseuilled) PI 1 PI = 1 Pa.s = 1 N.s.m-2 = 1 kg.m l.s l Température celsius Degré celsius °C 1 °C = 1 K(2) (1) Le Poiseuille est parfois rencontré dans des ouvrages anciens. Il doit maintenant être remplacé par le Pa.s, unité équivalente. (2) Les unités de différence (ou d'intervalle) de température en degré Celsius ou en kelvin sont équivalentes. Figure 1.3- Unités dérivées à nom spécial utilisées en génie des procédés 22 Génie des procédés et technologie chimique 1.2- Équation aux dimensions 1.2.1- EioauiÉ Les formules de définition peuvent conduire, de proche en proche, à exprimer une grandeur en fonction de plusieurs grandeurs de base, au moyen de l'équation aux dimensions. Une équation aux dimensions ne contient aucun coefficient numérique mais caractérise seulement la nature de la grandeur en fonction des grandeurs de base, affectées d'un exposant positif ou négatif, entier ou fractionnaire. L'utilité des équations aux dimensions est de déterminer l'homogénéité des expressions de grandeurs de même nature ou de nature différente et de donner une relation symbolique qui lie une grandeur aux grandeurs fondamentales. Deux grandeurs (A et B) sont dites homogènes lorsqu'il existe un réel, a, tel que A = a B. On dit que ces grandeurs ont mêmes dimensions. La dimension d'une unité dérivée s'exprime par un produit des puissances des _ 1 - 2 2 - 2dimensions de base : LT (vitesse), MLT (force), ML T (énergie), etc. Une grandeur sans dimension est une grandeur dont l'expression dimensionnelle, en fonction des dimensions des grandeurs de base du système, est unitaire. 1.2.2- Exercices d'application Exercice d'application n °1 La viscosité dynamique d'un fluide est exprùnée par la formule de Newton : Dans cette expression, F représente la force de glissement, S la surface de glissement, u la vitesse de glissement et z la distance entre deux couches de fluide. Déterminer les dimensions de la viscosité et son unité dans le système légal. L'équation aux dimensions de cette expression peut s'exprimer en établissant d'abord les dimensions de chaque composante en fonction des grandeurs de base. 2 • Force : F = m a (cf. paragraphe 2.2.4) => MLT~2 2 • Surface : S = I => L• Distance : z> L 1 -1 • Vitesse : u 1 r (cf. paragraphe 220.127.116.11) => LPChaque symbole de l'expression est ensuite remplacé par les dimensions correspondantes de chaque grandeur, puis l'expression est simplifiée. 23 Grandeurs physicochimiques Dans le système international, la viscosité dynamique devrait donc s'exprimer en -1kg.irr'.s . En réalité, elle s'exprime dans une unité équivalente, le Pa.s (ou PI) (cf. figure 1.3 et paragraphe 220.127.116.11 de ce chapitre). Exercice d'application n °2 L'équation de la perte de charge linéaire, due aux frottements d'un fluide dans une canalisation, est donnée par l'équation de Darcy : Dans cette expression, Ap représente la perte de charge du fluide (perte de pression), u la vitesse du fluide, 1 la longueur de la canalisation, D le diamètre de la canalisation, X le coefficient de friction et p la masse volumique du fluide. Déterminer les dimensions du coefficient de friction et son unité dans le système légal. Après avoir isolé la coefficient de friction (A.), les dimensions sont déterminées en adoptant la technique utilisée dans l'exemple précédent. => ML-lT-2 • Perte de charge : Ap = F / S = m a / S (cf. paragraphe 2.2.5) => L • Diamètre : D => ML-3 • Masse volumique : p = m/V (cf. paragraphe 220.127.116.11) 1 => LTl • Vitesse : u = I r (cf. paragraphe 220.127.116.11) => L • Longueur : 1 • 2 est une grandeur numérique et n'a donc pas de dimension. Le coefficient de friction, X, est un nombre sans dimension et n'a donc pas d'unité. 1.3- Les systèmes d'unités Un système d'unités est l'ensemble des unités correspondant aux dimensions d'un système donné de grandeurs (sytèmes SI, CGS, anglo-saxon). Cet ensemble ordonné 24 Genie des procédés et technologie chimique est cohérent lorsque les relations entre les unités et les relations entre les grandeurs correspondantes présentent les mêmes facteurs de proportionnalité. Le système 1métrique décimal est obligatoire dans tous les pays depuis 1960 mais n'est pas toujours utilisé. Les systèmes à base métrique les plus courants sont les systèmes SI et CGS. Le système anglo-saxon est d'emploi courant dans la littérature de langue anglaise malgré son illégalité. Pour un système particulier de grandeurs et d'équations, on obtient un système cohérent d'unités en définissant : • l'unité de base, c'est-à-dire l'unité de mesure correspondant à la grandeur de base dans un système donné de grandeurs (cf. figure 1.2) : • l'unité dérivée, c'est-à-dire l'unité de mesure d'une grandeur dérivée dans un système donné de grandeurs (cf. ligure 1.3) : • l'unité composée, c'est-à-dire une unité dérivée qui n'a pas de nom spécial et qui - 1 est constituée par des relations algébriques entre l'unité de base ou dérivée (m.s- 3pour la vitesse, kg.m pour la masse volumique, Pa.s pour la viscosité dynamique, - 1kg.s pour le débit massique, etc). Certaines unités de mesure n'appartiennent pas à un système donné. On dit qu'elles sont hors système (jour, heure, tour, etc). 1.3.1- Le système international (SI) e Le système international est un système cohérent d'unités adopté par la 11Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) en 1960. Ce système comprend : • les unités de base : mètre, kilogramme, seconde, ampère, mole, kelvin et candela. • les unités dérivées exprimées par des relations algébriques entre les unités de base. La figure 1.4 répertorie les unités des principales grandeurs d'espace, de temps et mécaniques utilisées en génie des procédés. eLes divers multiples et sous multiples, adoptés depuis la 11 CGPM (1960), sont formés au moyen des préfixes indiqués dans la ligure 1.5. e1 Le système métrique est né en France à la fin du 18 siècle. Sur une proposition de Talleyrand, l'assemblée constituante adopte un projet d'unification des unités de mesure à base métrique (loi du 18 germinal de l'an III). Ce système est réellement e rdevenu obligatoire en France le 1 janvier 1840. Grandeurs physicochimiques 25 Symboles Unités SI Grandeurs Équations aux Unités CGS Unités dimensions anglo-saxonnes Longueur L L m cm yd Masse M m lb kg g T s Temps t s s Température e K K °R 9 L2 m2 cm2 yd2 Surface s L3 m3 cm3 Volume V yd3 _ 1 Vitesse u m.s~l yd.s~i LT-1 cm.s- 2 - 2 Accélération LT-2 a m.s~2 cm.s yd.s- 3 ML-3 lb.in-3 Masse kg.m~3 g.cmP volumique MLT-2 Force F N dyn pdl 1 - 1Pression ML" T-2 Pa (N.m-2) dyn.cm - psi P ML2T-2 Travail E(W) J erg ft-pdl ML2T-2 Chaleur J erg (cal) Btu Q - 1 Puissance ML2T-3 p W erg.s ft-pdl.s-l Viscosité ML^T- l Pa.s P* ib.ri.s-i n dynamique * Poise Figure 1.4- Principales grandeurs physiques utilisées en génie des procédés Multiples 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 102 103 FacteurFacteurs s 10 Préfixes déca hecto kilo méga giga téra peta exa zetta yotta Symboles da h k M G T P E Z Y Sous-multiples 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 FacteurFacteurs s io-i Préfixes déci centi milli micro nano pico femto atto zepto yocto Symboles d c m H n p f a z y Figure 1.5- Multiples et sous-multiples légaux des unités SI 26 Génie des procédés et technologie chimique 1.3.2-Le système CfiS eLes découvertes scientifiques du XIX siècle, notamment dans le domaine de l'électricité, ont engendré le besoin d'unités nouvelles. En 1873, un comité, composé de Kelvin, Maxwell et Siemens, a proposé un système possédant pour unités fondamentales le centimètre, le gramme et la seconde auxquels on a ajouté, plus tard, le kelvin et la mole. Ce système, adopté en 1881 par les physiciens et les chimistes du monde entier, n'a jamais été réellement utilisé dans l'industrie chimique car les unités étaient trop petites. 1.3.3- Le système anglo-saxon Bien qu'illégal, ce système est toujours utilisé dans les pays de langue anglaise. Il est maintenant imposé aux scientifiques de publier les articles, dans les revues anglo-saxonnes, dans le système SI. Mais les ingénieurs sont restés fidèles, par tradition mais aussi par facilité, à ce système empirique et illégal qui rappelle celui eutilisé en Europe Continentale avant le XIX siècle. Les unités de ce système sont indiquées lors de l'étude des grandeurs physicochimiques et les facteurs de conversion sont répertoriés dans l'annexe 2. 1.3.4- Autres systèmes Plusieurs autres systèmes ont été proposés mais ne sont plus utilisés. • Le système MKpS, adopté par les mécaniciens de l'industrie et basé sur la définition de l'unité de force : le kilogramme-poids (kilogramme-force) est la force avec laquelle une masse de 1 kg est attirée par la terre. Les unités de travail (kgf.m) de -1puissance (cheval vapeur : 75 kgf.m.s ) ont été déduites de cette unité. Ce système est abandonné parce que le kilogramme-poids et l'accélération de la pesanteur changent de valeur avec le lieu et le système d'unités mécaniques est incohérent. • Le système MTS, imposé par le développement de l'industrie et du commerce, a été défini, en France, par la loi du 2 avril 1919. Les unités de base étaient le mètre, la tonne et la seconde. Ce système était cohérent mais ne correspondait pas aux unités électriques. • Le système. MKSA a été adopté, à la suite des travaux de Giorgi, en définissant une unité électrique de base (ampère). Ce système est cohérent pour toutes les unités géométriques, mécaniques et éleclriques et constitue la base de l'actuel système international par adjonction des trois dernières unités de base (kelvin, mole et candela). 1.3.5- Exercices d'application sur les conversions d'unités Exercice d'application n °3 La pression d'un fluide à la sortie d'une tuyauterie est de 3,525 bar. Exprimer cetten en : a-Pa Grandeurs physicochimiques 27 2 b- kgf.cmc- psi (pound per square inch) sachant que 1 pound (lb) = 0,4536 kg et 1 inch (in) = 0,0254 m. 5 5a- Le bar est le multiple légal du pascal (1 bar = 10 Pa). Donc p = 3,525.10 Pa (cf. paragraphe 2.2.5 de ce chapitre). b- La technique proposée pour convertir les unités consiste à transformer, de proche en proche, les unités puis les valeurs numériques. Pour ce faire, il convient de -2multiplier ou diviser chaque grandeur par sa valeur équivalente : 1 Pa = 1 N.m , 2 2I kgf = 9,81 N, 1 m = 104 cm . Pour aboutir au résultat, il est préconisé d'adopter la méthode suivante qui permet de vérifier si la transfonnation est cohérente. _2 Le résultat est donc obtenu en kgf. cm II suffit ensuite de convertir la valeur numérique selon la même méthode. c- La conversion dans les unités anglo-saxonnes se fait selon la même technique : Le résultat est donc obtenu en psi (pounds per square inch). La valeur numérique est de : Exercice d'application n °4 1 _1 1Le coefficient de conductivité thermique du laiton est de 900 cal.cm~ .h .°C~ . Calculer sa valeur dans le système international. La technique proposée nécessite de convertir les calories en joules (1 cal = 4,18 J), les centimètres en mètres (1 cm = 0,01 m), les heures en secondes (1 h = 3 600 s) et les degrés Celsius en kelvin (1 °C = 1 K en unités d'intervalle). 28 Génie des procédés et technologie chimique 1 _1 - 1Le résultat est donc obtenu en J.s Km KK ou encore en W.m .K puisque -11 W = 1 J.s . La valeur numérique est de : 1 104,5 W.in-'.K"2- Etude de quelques grandeurs physicochimiques (Norme NFX 02-201 publiée par l'Afiior) Les facteurs de conversion des unités non usuelles sont répertoriées dans l'annexe 2. 2.1- Grandeurs générales d'espace et de temps 2.1.1- Grandeurs géométriques d'espace 220.127.116.11- Longueur : (linear measure) Elle définit la distance entre deux points : longueur (1, L) (lenght), largeur (b) (breaddi), hauteur (h) (height), rayon (r, R) (radius), épaisseur (8, d) (depth), diamètre (d, D) (diameter) ainsi que le chemin curviligne parcouru par un mobile quelconque (s) (path). Le mètre se définit maintenant comme la longueur du trajet parcouru dans le vide e epar la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde (17 CGPM de 1983)2. Le mètre est l'unité fondamentale de longueur des systèmes métriques et les 3unités dérivées utilisées sont : le kilomètre (1 km = 10 m), le centimètre (1 cm = 2 3 - 610~ m), le millimètre (1 mm = 10~ m), le micromètre (1 Jim = 10 m), le - 9 1 0nanometre (1 niti = 10 m). L'angstrœm (1À = 10~ m) n'est plus légal. L'unité fondamentale anglo-saxonne est le yard : 1 yd = 3 ft (foot) = 36 in (inch) = 0,9144 m. Le multiple du yard est le mile (1 mile = 1 760 yd = 1 609,34 m). 2 Le mètre a d'abord été défini en 1791, par une commission comportant d'éminents scientifiques (Borda, Condorcet, Lagrange, Laplace, Lavoisier, Monge et Tillet), comme l'unité de longueur de la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. En 1799 (le 4 messidor de l'an VII de la République Française), la loi adopte un i eétalon prototype pour cette grandeur. La l CGPM, réunie en 1889, a organisé la edistribution du prototype international en platine iridié. La 1 I CGPM (1960) donne une nouvelle définition du mètre qui correspond à 1 650 763,73 longueurs d'onde 1 0 5 dans le vide de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux 2p et 5dde l'atome de krypton 86. Grandeurs physicochimiques 29 220.127.116.11- Surface : S, A (area) La surface (superficie ou section ou aire) est une étendue, pas forcément plane, qui s'exprime par le carré d'une longueur (ou le produit de deux termes dérivés). 2 Formules de définition : carré: Irectangle : 1 b cercle : triangle : (h est la hauteur correspondant au côté a). 2Équation aux dimensions : L . 2 2L'unité principale est le m (SI) et le an (CGS) et éventuellement toutes les 2 2 4 2unités de longueur élevées au carré. L'arc (I a = 10 m ) et l'hectare (1 ha = 10 m ) sont utilisées pour exprimer des superficies agraires. L'unité principale anglo-saxonne 2est le square yard (1 sq-yd = 9 sq-ft = 1 2 % sq-in = 0,83613 m ) et l'acre est l'unité 2agraire correspondante (1 acre = 4 046,9 m = 0,4047 ha). 220.127.116.11- Volume : V (volume) Le volume est une portion d'espace à 3 dimensions qui s'exprime par le cube d'une longueur (ou par le produit de 3 termes dérivés). J Formules de définition : cube: aparallélépipède rectangle : abc sphère : pyramide : (b est la section plane de la pyramide et h sa hauteur). 3Équation aux dimensions : L . 1L'unité principale est le m? (SI) ou le cm (CGS) et, éventuellement, toutes les unités de longueur élevées au cube. Le litre (L ou I) et le millilitre (mL ou ml) sont 3 3 3équivalents respectivement au dm et au cm . Le stère (1 si = l m ) est utilisé dans le commerce du bois. _. Les unités anglo-saxonnes de volume sont le cubic yard (cu-yd), le cubic foot (cu-ft), le cubic inch (cu-in), le gallon britannique (imp-gal), le gallon américain (US-3gal) et le baril américain (US-bbl) : 1 cu-yd = 27 cu-fl = 0,76455m : 1 cu-ft = 3 31 728 cu-in = 28,317 dm ; 1 cu-in = 16,387 cm : 1 imp-gal = 4,546 L; 1 US-gal = 3,7854 L; 1 US-bbl = 42 US-nal = 158.987 L. 30 Génie des procédés et technologie chimique 220.127.116.11- Angles : a, p, etc (angle) L'angle plan, compris enue deux demi-droites issues du même point, est défini comme le rapport de la longueur de l'arc découpé sur un cercle, ayant son centre en ce point, à celle du rayon du cercle. Les angles plans se mesurent par l'arc de circonférence centré sur le sommet dont le rayon est arbitraire. L'unité de base, le radian, est l'angle compris entre deux rayons qui interceptent, sur un cercle, un arc de longueur égale à celle du rayon. Un angle exprimé en radians n'a pas de dimension (1 rad = 1 m/m = 1 ). Le degré (°), le tour (tr), parfois la minute ('), la seconde (") ou le grade (gon) peuvent être utilisés. 2 D 1 rad = (D = angle droit) K 1° = Tt/180 rad: 1 gon = TC/200 rad: 1 tr = 2JI rad: V = l°/60 = ji/10 800 rad; 1" = 1760 = 7t/648 000 rad. L'angle solide d'un cône (Q ou eu) est défini comme le rapport de l'aire découpée sur une sphère, ayant son centre au sommet du cône, au carré du rayon de la sphère. 2 2Il s'exprime en stéradian (1 sr = 1 m /m = 1). 2.1.2- Grandeur de temps : l (time) La définition de cette grandeur de base relève maintenant de la physique. La seconde est la durée de 9 192 631 770 péricxles de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfms de l'état fondamental de l'atome de césium 133 (13^CGPM, 1967). L'unité fondamentale dans les systèmes SI, CGS et anglo-saxon est la seconde (s). On utilise aussi la minute (1 min = 60 s), l'heure (1 h = 60 min = 3 600 s) et le jourd d= 1 j = 24h = 86 400 s). La période (period) (T) est la durée d'un cycle et s'exprime en seconde. La fréquence (frequency) (f ou v), est définie par l'inverse de la période. Le herz (Hz) est -1la fréquence d'un phénomène périodique dont la période est de 1 s (1 Hz = 1 s ) -2.1.3- Grandeurs mécaniques d'espace et de temps 220.127.116.11- Vitesse linéaire : u, v, w, c (space velocity) La vitesse linéaire est égale au quotient de l'espace parcouru (dl) dans le temps (dt). Formule de définition : u = — (1) dt -1Equation aux dimensions : LT . - 1 - 1 - 1L'unité légale est le m.s mais elle s'exprime parfois en cm.s (1 cm.s = -1 - 1 - 1 -10,01 m.s ) ou en km.h (1 kin.li = 0,27778 m. ). Les anglo-saxons utilisent les unités correspondantes de longueur rapportées au temps. L'extrait de cette publication vous a plu ? Ajoutez-la votre panier pour la lire dans son intégralité !