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génie des procédés

Mise au point des procédés destinés à produire une substance chimique donnée de façon économique et avec un impact minimal pour l'environnement.

CHIMIE

Historique

En à peu près un siècle les ingénieurs ont bâti les infrastructures technologiques de la plupart des sociétés modernes. Sans la contribution du génie des procédés des industries aussi diverses que la pharmacie, le raffinage du pétrole, la pétrochimie, l'agroalimentaire et la chimie n'existeraient pas, du moins sous la forme que nous connaissons aujourd'hui.

Cette discipline scientifique, depuis sa naissance à la fin du siècle dernier, a profondément évolué. Au départ issue de la chimie, elle décrivait les procédés industriels produit par produit. Chaque procédé étant par nature différent, les limites de cette démarche s'imposèrent rapidement.

En 1915 Arthur D. Little proposa le concept d'opérations unitaires en réponse à la demande croissante en produits de base bon marché. Le concept d'opération unitaire suppose que tous les procédés de fabrication peuvent être décomposés en une suite d'opérations élémentaires comme le séchage, la cristallisation, la filtration, la vaporisation, la distillation, l'électrolyse, etc. La première application à large échelle de ce concept eut lieu vers 1920 aux États-Unis, quand il fallut faire face à la première pénurie en carburant due à la forte croissance du nombre des automobiles et aux quantités limitées d'essence disponible sur champs. La maîtrise par les ingénieurs des opérations unitaires, au premier rang desquelles on peut citer la distillation, permit la construction rationnelle des premières raffineries modernes.

Durant cette période de développement intensif du concept d'opérations unitaires, d'autres outils classiques du génie des procédés furent introduits ou généralisés. Parmi ceux-ci on peut citer l'écriture des bilans matière et thermiques ainsi que la thermodynamique des systèmes à plusieurs composants.

Les ingénieurs en génie des procédés jouèrent un rôle de premier plan en aidant les Alliés à gagner la Seconde Guerre mondiale. En effet ils permirent la production de caoutchouc synthétique pour suppléer à la perte des zones de production de caoutchouc naturel tenues par les Japonais depuis le début de la guerre. Ils permirent également la production d'uranium 235 nécessaire à la première bombe atomique en permettant l'extrapolation du procédé de fabrication de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle.

La démarche du génie des procédés

La mise au point d'un procédé de fabrication d'une substance chimique est initiée généralement par une « idée » qui concerne le produit ou le procédé. Le développement s'appuie sur les données existantes dans la littérature et sur des résultats préliminaires obtenus au laboratoire ; à ce stade, un premier schéma de l'unité industrielle peut déjà être envisagé et une évaluation économique préliminaire de l'idée peut être réalisé. Si les perspectives apparaissent prometteuses, le travail de développement proprement dit peut commencer.

Les expérimentations au laboratoire

Le développement comprend des expérimentations complémentaires au laboratoire où est étudiée l'influence des conditions opératoires (pression, température, débits de charge, volume de catalyseur) sur les vitesses de réaction et où l'on teste différents catalyseurs de la réaction chimique. À ce stade une représentation des phénomènes mis en œuvre sous la forme de modèles mathématiques est possible et l'on s'attache à identifier les points clefs du procédé pour lesquels les premières expérimentations sur maquette froide (simulation de l'hydrodynamique d'un système en faisant abstraction des réactions chimiques et des transferts thermiques) peuvent être conduites.

Les unités pilotes

L'étape suivante met en œuvre des moyens expérimentaux coûteux : les unités pilote et des maquettes froides de plus grandes tailles. L'objectif est de prouver l'extrapolation et la viabilité du procédé et de remplir les exigences techniques et économiques établies au lancement du projet. Les unités pilote sont des unités à échelle réduite dont le fonctionnement est représentatif de l'unité industrielle, c'est-à-dire identique ou bien transposable à l'aide de règles préétablies. À ce stade on établit les plages de variation des principaux paramètres du procédé, on valide l'influence des impuretés et on produit des quantités substantielles du ou des produits finaux pour les caractériser analytiquement et aider à quantifier de manière plus précise leurs marchés et leurs qualités d'usage.

Les outils du génie des procédés

La thermodynamique

La mise en œuvre des procédés de séparation requiert une connaissance préalable des équilibres entre phases. Ainsi la séparation par distillation d'un mélange binaire nécessite la connaissance du diagramme d'équilibre liquide vapeur de ce mélange.

Soit par exemple un récipient contenant un mélange de deux constituants i et j se séparant en une phase vapeur et une phase liquide. Si l'on se fixe la pression et la température et si les deux phases sont bien mélangées au bout d'un temps suffisamment long la composition de chaque phase est fixée :
Ki=yi/xi avec Ki constante d'équilibre ; yi fraction molaire de i dans la phase vapeur ; xi fraction molaire de i dans la phase liquide.

Les procédés mettant en œuvre une réaction chimique sont limités le plus souvent par des équilibres réactionnels.

Les tables thermodynamiques permettent d'accéder à la constante d'équilibre d'une réaction donnée. Ceci permet d'obtenir la conversion maximale d'un réactif donné que l'on peut obtenir en même temps que l'influence de la composition de la charge de la pression et de la température sur cette conversion maximale. De plus la thermodynamique permet de déterminer la chaleur libérée par une réaction donnée et donc de quantifier les effets thermiques dans les réacteurs chimiques.

La cinétique chimique et la cinétique physique

Les transformations chimiques se réalisent avec une certaine vitesse, vitesse qui est d'autant plus élevée que le système chimique est plus éloigné de son état d'équilibre chimique.

La vitesse d'une réaction chimique est définie comme la quantité de matière transformée par unité de temps et par unité de volume réactionnel. Par exemple dans le cas de la réaction : A − B ; la vitesse de la réaction est mesurée par le nombre de moles de A qui disparaissent de l'unité de volume dans l'unité de temps du fait de la réaction chimique.

Cette vitesse s'exprime en fonction de la composition locale et instantanée en mélange réactionnel ainsi que de la température et de la pression. La détermination de cette loi pour une réaction donnée constitue une étape importante dans le développement d'un procédé.

La cinétique physique est relative aux transferts et aux transports. Par exemple, dans le cas d'une réaction activée par un solide catalytique, les réactifs doivent pouvoir accéder au catalyseur puis diffuser dans les pores et s'adsorber chimiquement. La réaction proprement dite s'effectue ensuite entre molécules adsorbées. Les produits se désorbent, diffusent vers l'extérieur du solide, puis dans l'ensemble des réactifs et produits. Le mécanisme global apparaît extrêmement complexe. Fort heureusement, dans la majorité des cas un nombre restreint d'étapes sont limitatives et sont donc à prendre en compte.

Bilans de matière et d'énergie

Soit un réacteur chimique siège d'une transformation chimique et échangeant de la matière avec l'extérieur. Faisons le choix d'un constituant chimique A. La conservation de la matière exige que la relation suivante soit à chaque instant vérifiée :
quantité de A entrante + quantité de A produite = quantité de A sortante + quantité de A accumulée.

La conservation de l'énergie repose sur l'application du premier principe de la thermodynamique. Le bilan exprime que la quantité d'énergie interne entrant dans le réacteur (énergie transportée par le mélange, énergie transférée de l'extérieur et travail des forces de pression) est égale à la quantité d'énergie sortante augmentée de la quantité d'énergie interne s'accumulant dans le réacteur.

La résolution des bilans matière, d'énergie et de quantité de mouvement liée à l'écoulement des phases dans le réacteur permet de connaître les variables d'état physiques (pression et température) et de prévoir ainsi l'avancement de la réaction chimique.

Les différents types de réacteurs chimiques

Ils peuvent être caractérisés par un fonctionnement continu ou bien discontinu. Dans un réacteur discontinu on charge une quantité donnée de matière qu'on laisse ensuite évoluer en fonction du temps.

Par opposition, un appareillage continu est doté d'une ou plusieurs entrées pour introduire les réactifs et d'une ou plusieurs sorties par lesquelles les produits de la réaction sont évacués en continu. L'écoulement des phases fluides entre l'entrée et la sortie du réacteur peut prendre différentes forme suivant la nature de l'appareillage. Dans le réacteur tubulaires l'écoulement est de type piston, tel que celui qu'on obtient en faisant circuler à grande vitesse un fluide peu visqueux dans un tube. Dans un réacteur agité, l'écoulement est parfaitement mélangé. Les réacteurs industriels se classent par rapport à leur écart soit au réacteur tubulaire soit au réacteur agité.

On distingue également les réacteurs monophasiques, où le milieu réactionnel est constitué par une phase gazeuse ou une phase liquide, et les réacteurs polyphasiques, où plusieurs phases peuvent être en présence. Le solide mis en jeu peut être un catalyseur servant à activer la réaction chimique.

Les effets thermiques liés à la transformation chimique ont une influence décisive sur la structure du réacteur en nécessitant par exemple l'insertion de surfaces d'échange thermique capable de transférer ou d'évacuer la chaleur. On distingue les réacteurs isothermes, où la température est maintenue constante, et les réacteurs adiabatiques n'échangeant pas de chaleur avec l'extérieur, où la température dépend des réactions et des débits des constituants. Dans la pratique, les réacteurs de laboratoire et pilote sont souvent isothermes tandis que les réacteurs industriels sont considérés comme adiabatiques.