Phénomènes de transfert en génie des procédés

Alain Liné, Christophe Gourdon, Jean-Pierre Couderc

Description

Cet ouvrage explore les applications pratiques des phénomènes de transfert en génie des procédés. Sa première partie, consacrée à la présentation des lois fondamentales, prend en compte les besoins les plus actuels du génie des procédés, y compris ceux rarement abordés jusqu'à présent (turbulence, milieux diphasiques et polyphasiques, systèmes multiconstituants?). L'intérêt pratique des théories de transfert étant souvent mal perçu par les néophytes, la seconde partie du livre est consacrée à leurs applications en génie des procédés, regroupées par rubrique professionnelle. Chaque chapitre décrit la nature du problème industriel traité, analyse les phénomènes mis en jeu en insistant sur les transferts, précise les lois devant être exploitées, les hypothèses traditionnellement admises et, enfin, décrit puis commente quelques résultats. Les deux parties ont été organisées par ordre de difficulté croissant afin de ne pas mobiliser de connaissances théoriques inutilement poussées, et de nombreux exemples détaillés jalonnent les développements. Phénomènes de transfert en génie des procédés combine ainsi une approche très progressive, une analyse théorique approfondie et cohérente, couvrant la plupart des besoins du génie des procédés contemporain, et une solide initiation professionnelle. Sa présentation le rend accessible à des étudiants de niveaux très variables (des filières courtes jusqu'au troisième cycle) et sa seconde partie en fait un outil particulièrement adapté aux professionnels souhaitant disposer d'un solide socle de connaissances actualisées.
Présentation des concepts et des lois. Thème 1. Analyse globale. Chapitre 1. Un premier contact avec les phénomènes de transfert. Chapitre 2. Diffusion de la quantité de mouvement. Viscosité et paramètres rhéologiques de fluides non newtoniens. Chapitre 3. Bilans globaux dans le cas de systèmes isothermes et à composition constante. Chapitre 4. Facteur de friction et coefficient de traînée. Chapitre 5. Conduction de la chaleur. Chapitre 6. Bilans globaux dans le cas de systèmes à température variable mais à composition constante. Chapitre 7. Coefficients d'échange de chaleur. Chapitre 8. Diffusion d'une espèce dans un mélange. Chapitre 9. Bilans globaux pour des systèmes multiconstitutants. Chapitre 10. Coefficients de transfert de matière. Thème 2. Analyse locale. Chapitre 11. Quelques compléments sur les phénomènes de diffusion et de conduction. Chapitre 12. Les équations de bilan à l'échelle locale. Chapitre 13. Analyse dimensionnelle des équations de changement. Théorie des maquettes. Chapitre 14. Phénomènes de transfert en régime turbulent. Chapitre 15. Du local au global : démonstrations et compléments. Chapitre 16. Hydrodynamique des systèmes polyphasiques. Chapitre 17. Compléments sur les phénomènes de diffusion dans les systèmes multiconstituants. Utilisations en génie des procédès. Chapitre 18. Bilans matière et énergie en régime permanent. Chapitre 19. Bilans matière et énergie en régime transitoire. Chapitre 20. Puissance nécessaire pour mettre un fluide en mouvement. Chapitre 21. Organes de mise en mouvement des fluides. Chapitre 22. Mesure des pressions, des débits et des vitesses. Chapitre 23. Conduction de la chaleur dans les solides - calorifugeage. Chapitre 24. Premières informations sur les échanges et les échangeurs de chaleur. Chapitre 25. Agitation et mélange : approches semi-empiriques. Chapitre 26. Principes généraux du génie des séparations. Chapitre 27. Phénomènes de transfert dans des tubes. Cas de fluides newtoniens en régime laminaire. Chapitre 28. Écoulements liquides en films : vers l'étude des colonnes à garnissage. Chapitre 29. Phénomènes de transfert dans des tubes en régime turbulent. Chapitre 30. Transport de fluides non newtoniens en régime laminaire. Chapitre 31. La convection naturelle. Chapitre 32. Analyse des écoulements dans les cuves agitées. Chapitre 33. Diffusion en milieu stagnant - La théorie du film. Chapitre 34. Théorie de la couche limite. Chapitre 35. Introduction aux théories de renouvellement de surface. Chapitre 36. Mesures des diffusivités ou conductivités. Chapitre 37. Condensation d'une vapeur pure. Chapitre 38. Phénomènes de transfert autour d'une sphère solide. Chapitre 39. Les couches fixes : structure, écoulement, transferts, réactions. Chapitre 40. La filtration par gâteau. Chapitre 41. Fluidisation. Chapitre 42. Agitation des milieux diphasiques. Chapitre 43. Analyse et modélisation du fonctionnement des air-lifts. Nomenclature. Index.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Sciences et techniques
• Sciences fondamentales

Informations

• Publié par: TEC & DOC
• Date de parution: 01 février 2008
• Nombre de lectures: 179
• EAN13: 9782743018511
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 24 Mo

Extrait

Collection « Traité de génie des procédés »

Phénomènes de transfert en génie des procédés

J.-P. Couderc C. Gourdon A. Liné

11, rue Lavoisier F75008 Paris

Chez le même éditeur

Modélisation rhéologique structurelle – Dispersions concentrées et fluides complexes D. Quémada, 2006

Les latex synthétiques – Élaboration – Propriétés – Applications J.-C. Daniel, C. Pichot, coord., 2006

Chimie analytique et équilibre ionique J.-L. Burgot, 2006

Chimie analytique en solution – Principes et applications J.-L. Brisset, A. Addou, M. Draoui, D. Moussa, F. Abdelmalek, 2005

Commande des procédés Collection « Génie des procédés » de l’École de Nancy J.-P. Corriou, 2003

Sécurité des procédés chimiques – Connaissances de base et méthodes d’analyse de risques A. Laurent, 2003

© LAVOISIER, 2008 ISBN : 978-2-7430-1006-5 ISSN : 1626-5751 Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées dans le caractère scientifique ou d’information er de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (loi du 1 juillet 1992 – art. L. 122-4 et L. 122-5 et Code pénal art. 425).

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Dans son histoire, l’homme a appris à transformer et à perfectionner les ali- ments, matériaux, produits qu’il trouvait dans son environnement. Ces activités, à l’origine très artisanales, se sont en permanence développées et ont donné nais- sance à plusieurs branches de l’industrie actuelle, l’agroalimentaire, la produc- tion de matériaux, la pharmacie et la chimie, pour ne citer que les plus importantes.

1 Pour l’essentiel, les transformations que cette première catégorie de secteurs industriels fait subir à la matière sont de natures physique (par exemple, solidifier de l’eau pour fabriquer de la glace), chimique (par exemple, réduire l’oxyde de fer en fer dans un haut-fourneau) ou biochimique (par exemple, organiser la fermen- tation de jus de raisin pour fabriquer du vin). La spécialité scientifique qui conçoit, fait fabriquer puis exploite les appareils, unités de production et usines nécessaires pour réaliser toutes ces opérations industrielles s’appelle le génie des procédés – avec diverses sous-spécialités : le génie chimique, le génie agroalimentaire, le génie biochimique, le génie de l’élaboration de matériaux, etc.

Fabriquer un produit nouveau – matériau, médicament, aliment, engrais, pein- ture, etc. – demande, généralement, de mettre en œuvre une série plus ou moins complexe d’opérations différentes. Quelle que soit la nature de cette série et quel 2 que soit le mode de production retenu – continu ou discontinu –, les procédés mis en œuvre imposent inévitablement, de manipuler des quantités importantes de matière : réceptionner et stocker les matières premières, les transporter vers le premier appareil de l’unité puis amener les courants de sortie du premier appareil vers le second et ainsi de suite jusqu’au dernier, stocker puis évacuer les produits finis ou les déchets, etc. Le spécialiste de génie des procédés doit connaître les procédures de transport que nous venons d’évoquer. Lorsque la matière est en état fluide, gaz ou liquide, la base scientifique qu’il doit étudier est la mécanique des fluides.

Les matières premières ne sont presque jamais stockées à la température correcte pour entrer dans le premier appareil de l’unité. La température de sortie d’un appareil correspond rarement à celle d’entrée dans l’appareil suivant. En conséquence, les unités industrielles comprennent généralement un grand

1. Il existe une deuxième catégorie d’activités industrielles, de nature davantage mécanique, dont le rôle est de mettre en forme puis d’assembler diverses pièces pour fabriquer les objets comple- xes que le monde moderne utilise. On peut citer les industries aéronautiques, automobiles, nava- les, électroniques, électroménagères, etc. 2. Quelques informations générales sur ces deux modes de production industrielle seront fournies tout au long de ce livre et, en particulier, dans les chapitres 18 et 19. © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

IV

Phénomènes de transfert en génie des procédés

nombre de dispositifs dont le rôle est de modifier la température des courants. Le spécialiste de génie des procédés doit correctement maîtriser les lois des trans- ferts de chaleur. Enfin, rappelons que l’objectif du génie des procédés est de fabriquer des pro- duits nouveaux. Comme les réactions chimiques ou biochimiques qu’il met en œuvre ne sont jamais ni parfaitement sélectives ni totales, les courants qui sortent des réacteurs sont des mélanges complexes des produits recherchés, de sous-pro- duits et de réactifs non transformés. Ces mélanges doivent alors être séparés en chacun de leurs constituants, puis chaque constituant doit être purifié jusqu’à obtention de la composition nécessaire pour son utilisation ultérieure. Le spécia- liste de génie des procédés doit correctement maîtriser les lois de comportement d’une espèce dans un mélange dont la composition change dans l’espace et le temps, autrement dit les lois du transfert de matière. Pour des raisons qui apparaîtront progressivement à la lecture de ce livre, il est d’usage de réunir les trois thèmes que nous venons d’évoquer, la mécanique des fluides qu’on appelle aussi transfert de quantité de mouvement, le transfert de chaleur et le transfert de matière sous le titre général de phénomènes de transfert ; ce livre en présente les lois générales ainsi qu’un grand nombre d’exemples de mise en œuvre en génie des procédés. Depuis la parution, en 1960, de l’ouvrage pionnier de R.B. Bird, W.E. Stewart et E.N. Lightfoot,Transport Phenomena, auquel nous ferons souvent référence, de nombreux autres manuels ont été consacrés à l’analyse des phénomènes de transfert. Pourquoi alors encore un nouveau livre ? La première raison, très générale, est que l’ensemble des connaissances scien- tifiques et techniques, de même que les performances des outils de calcul, ne cessent de progresser. Ces progrès permettent aux spécialistes de génie des pro- cédés de remplacer progressivement les méthodes empiriques ou semi-empiri- ques, longues et coûteuses, auxquelles ils ont dû faire appel faute de mieux, par des combinaisons d’analyses théoriques et de traitements numériques, plus rapides, plus précis et plus économiques, réduisant ainsi le recours à l’empirisme. Cette évolution des pratiques professionnelles oblige naturellement les orga- nismes de formation à ajuster le contenu de leurs programmes. Ce livre, dont les auteurs et coordonnateurs sont deux professeurs de l’École nationale supérieure d’ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET) de l’Institut national polytechnique de Toulouse (INPT) et un professeur du département Génie des procédés et de l’environnement de l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA), propose une analyse des phénomènes de trans- fert adaptée aux besoins actuels de la profession et qui s’efforce d’anticiper sur les évolutions à court ou moyen terme. D’autres raisons vont également apparaître dans la suite de cette introduction. Cet ouvrage est organisé en deux grandes parties. La première partie présente les lois générales des phénomènes de transfert. Les spécialistes savent que ces lois peuvent être exprimées et utilisées à deux échelles différentes, soit à celle d’une unité, d’un appareil ou d’une portion d’appareil – on dit que l’analyse est globale – soit à celle d’un élément de volume

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Avant-propos

V

au sein du fluide – on dit que l’analyse est locale. La plupart des ouvrages anté- rieurs débutent par la présentation de l’analyse locale et n’abordent les lois glo- bales qu’après. L’avantage d’une telle organisation tient en sa cohérence scientifique puisque les lois globales sont obtenues par intégration des lois locales. L’inconvénient de cette manière de procéder est qu’elle oblige à aller du compliqué, le local, vers le simple, le global.

Une des options importantes adoptées pour rédiger ce livre a été d’inverser cette organisation traditionnelle et, donc, de commencer par l’étude des lois glo- bales et de finir par l’analyse locale. Cette procédure permet de familiariser les lecteurs avec le sujet en limitant les premières présentations à des questions rela- tivement simples, et de n’aborder les thèmes plus délicats que dans une deuxième phase d’étude, avec l’acquis d’un niveau de compréhension déjà solide. En outre, cette manière de procéder correspond bien à la pratique du métier, dans laquelle l’ingénieur commence toujours par de premières investigations de nature globale et n’entreprend qu’ensuite, et uniquement si elles s’avèrent nécessaires, un certain nombre d’études à l’échelle locale. L’inconvénient de ce plan est qu’un certain nombre des lois ou équations globales présentées au début ne peuvent pas être démontrées et doivent être admises. Plusieurs années de pratique nous per- mettent cependant d’affirmer que les avantages de cette nouvelle organisation l’emportent très largement sur ses inconvénients.

Mise à part l’innovation pédagogique importante que nous venons de décrire, le programme que nous avons retenu pour la première partie du livre reste rela- tivement classique.

Cependant, pour tenir compte des évolutions des pratiques professionnelles, que nous avons évoquées, nous avons tenu à renforcer la présentation de certains thèmes d’analyse locale, la turbulence, par exemple, puis à aborder deux sujets, rarement traités à ce niveau, la diffusion multiconstituant et les milieux diphasi- ques. Enfin, nous avons rédigé un chapitre intitulé « Du local au global », qui reprend,a posteriori, toutes les démonstrations des lois globales qui n’ont pas pu être développées lors de leur présentation compte tenu du choix d’organisation pédagogique effectué. Cela permettra au lecteur, soucieux de rigueur scienti- fique, de comprendre l’origine de l’établissement de ces lois, et de les réviser au passage.

Si étudier les phénomènes de transfert constitue un prérequis indispensable à la formation d’un spécialiste de génie des procédés, il est évident que ce n’est pas suffisant. En effet, la résolution des problèmes que l’on rencontre industrielle- ment exige de savoir combiner ces concepts avec d’autres, plus spécifiques, et de résoudre toutes les équations correspondantes dans des géométries complexes et des conditions particulières. Or, bien souvent, les exemples d’application des lois de transfert dans nombre de manuels se limitent à des cas, certes d’intérêt didac- tique, mais finalement de portée pratique moindre. Nous avons souhaité inverser cette tendance.

En conséquence, nous avons voulu donner une certaine importance à la pré- sentation des applications, en y consacrant toute la seconde partie de notre livre et nous avons choisi de l’organiser sous forme de rubriques professionnelles.

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VI

Phénomènes de transfert en génie des procédés

Chacun des chapitres correspondants précise la nature du problème examiné, indique la ou les solutions que le génie des procédés utilise et, enfin et surtout, détaille les modalités de traitement des phénomènes de transfert mis en jeu. Le développement de chaque sujet a été poussé de manière très variable. Sans que nous n’ayons jamais prétendu à l’exhaustivité dans un livre de nature généraliste comme celui-ci, certains thèmes ont été traités de manière assez détaillée ; c’est, par exemple, le cas de tous les sujets qui concernent la mise en mouvement des fluides. D’autres rubriques ont fait l’objet d’une présentation beaucoup plus limitée comme, par exemple, celle relative aux échanges et échan- geurs de chaleur ; dans la plupart des cursus universitaires, cette question fait l’objet d’un cours spécialisé, dit de génie thermique, et nous avons choisi de nous limiter à une première présentation de problèmes qui sont approfondis ailleurs. Enfin, certaines rubriques sont si importantes pour le génie des procédés et sont tellement traitées en détail par ailleurs dans les programmes universitaires que nous les avons à peine évoquées ici, parfois sans même leur consacrer un chapitre 3 spécial ; c’est le cas, par exemple, du génie des réacteurs . Bref, nous avons tenté d’organiser cette seconde partie, d’abord pour familia- riser le lecteur avec l’utilisation des lois des phénomènes de transfert, ce qui constitue notre but principal, mais ensuite pour lui fournir un premier ensemble d’informations sur l’organisation du génie des procédés et les procédures et tech- niques principales que cette spécialité utilise, ensemble qu’il enrichira progressi- vement tout au long de son apprentissage. Un mot, pour terminer, sur le mode d’emploi que nous suggérons. Le plan que nous avons adopté, qui sépare l’exposé des lois et le développe- ment des exemples d’utilisation, ne permet pas toujours de percevoir parfaite- ment le lien entre les deux parties de ce livre ; nous devons ajouter que certaines applications de la seconde partie exploitent, simultanément, des méthodes ou équations tirées de plusieurs chapitres différents de la première partie. C’est pour atténuer cet inconvénient que nous avons décidé de terminer chaque chapitre de la première partie par un paragraphe intitulé « À propos des applications », qui renvoie aux chapitres pertinents de la seconde partie, puis de commencer chaque chapitre de la seconde partie par un paragraphe intitulé « Position du problème et cadre théorique » qui indique quelles méthodes, lois ou équations de la première partie vont être utilisées et rappelle dans quels cha- pitres elles ont été présentées. Ce double quadrillage devrait permettre aux lecteurs d’organiser leur consul- tation au mieux de leurs besoins. Ce livre a été conçu, essentiellement, pour l’enseignement à des néophytes. Pour ce public, nous suggérons de commencer par la lecture de la première partie. Ce n’est qu’après avoir étudié les quatre premiers chapitres, qui traitent de l’analyse globale des systèmes isothermes et à composition constante, que le va- et-vient avec les applications de la seconde partie pourra valablement commencer. Il va, ensuite, devoir être poursuivi jusqu’à la fin de l’étude. Nous

3.Génie de la réaction chimique, de D. Schweich, Éditions Tec & Doc, Lavoisier, 2001.

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Avant-propos

VII

pouvons préciser, ici, qu’à notre avis, la matière développée dans la première partie doit plutôt faire l’objet d’une présentation en cours, alors que celle qui a été rassemblée dans la seconde partie correspond davantage aux caractéristiques de séances de travaux dirigés, au cours desquelles l’enseignant présenterait rapi- dement la nature du problème et les caractéristiques des méthodes ou techniques qui permettent de le résoudre, avant de proposer aux étudiants le ou les exercices nécessaires pour les rendre opérationnels.

Ce livre a été conçu afin de donner la formation en phénomènes de transfert la plus solide qu’il soit raisonnable d’envisager, à notre avis, pour un spécialiste en génie des procédés.

Cependant, parce que les besoins industriels sont variés, beaucoup d’univer- sités inscrivent à leur programme plusieurs cursus différents, certains mettant davantage l’accent sur la connaissance chimique, d’autres sur la gestion, d’autres sur la sécurité, etc. En fonction des choix de programmes correspondants, ce livre permet, à loisir, de limiter la formation à l’analyse globale, ou bien d’y ajouter une simple initiation à l’analyse locale ou, enfin, de la traiter de manière plus détaillée.

Face à des ambitions pédagogiques aussi variées, le recours à un seul et même ouvrage offre, à nos yeux, un certain nombre d’avantages. En effet, l’étudiant auquel on dispense une formation courte peut ainsi acquérir une perception réa- liste de l’étendue du domaine ; à tout moment de son cursus universitaire, il pourra compléter sa formation en reprenant la lecture de cet ouvrage à l’endroit où il l’a laissée, avec l’assurance d’une continuité dans la progression ; le prati- cien, quant à lui, saura à quel moment il lui faudra sous-traiter une question et faire appel à un collègue plus spécialisé. Enfin, et bien qu’il n’ait pas été priori- tairement conçu dans ce but, ce livre, nous l’espérons, pourra être également utile aux professionnels déjà expérimentés. Pour ce public particulier, nous suggérons le mode d’emploi suivant : commencer par l’étude du ou des chapitres de la seconde partie qui l’intéresse, puis, en fonction des difficultés rencontrées, revenir à l’étude des chapitres correspondants de la première partie.

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