Principes fondamentaux du génie des procédés et de la technologie chimique :aspects théoriques et pratiques

180 lecture(s)

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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Principe s fondamentaux
d u géni e de s procédé s
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technologi e chimique
Henr i Fauduet
Aspects théoriques
Retour
lavoisier condensais et pratiques TEC
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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 5
2-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 12
Deuxièm e partie - Problèmes
I- Grandeurs moléculaires 13
II- 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 23
Troisièm 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 32
IV- Bilane dans les extractions liquide-liquidee
et continue 345
V- Bilan tliennique sur les échangeurs de chaleurs 36
VI- 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 40
IX- 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 44
4-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 46
10- Entlialpies molaires de dissoluùon et de dilution de quelques composés
ioniques
11- 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 48
15- 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 concentration
18- 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, 11
produit 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 3
Na C0 + C0 + H 0 2 3 2 2
Par 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
1
Puissance 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 - 2
dimensions 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 2.1.3.1) => LP
Chaque 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 2.2.9.1 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 2.2.2.1)
1 => LTl • Vitesse : u = I r (cf. paragraphe 2.1.3.1)
=> 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
1
métrique 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 11
Conférence 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
e
Les 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
e
utilisé 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.cm
c- 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
-2
multiplier ou diviser chaque grandeur par sa valeur équivalente : 1 Pa = 1 N.m ,
2 2
I 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 1
Le 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
-1
1 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
2.1.1.1- 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 e
par 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 0
nanometre (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 5d
de l'atome de krypton 86. Grandeurs physicochimiques 29
2.1.1.2- 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: I
rectangle : 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).
2.1.1.3- 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: a
parallélépipède 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
2.1.1.4- 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 2
Il 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
2.1.3.1- 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 - 1
L'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.

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