GÉNIE CHIMIQUE

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Procédure de traitement d'un problème de génie chimique

Avant de préparer un produit à partir d'une matière disponible, il faut avant tout concevoir le procédé de fabrication et donc définir les diverses opérations unitaires, choisir le réacteur, optimiser le procédé et enfin envisager son contrôle et sa commande. Toute une panoplie d'ordinateurs est utilisée à ces différentes étapes, depuis l'ordinateur très puissant pour les calculs d'appareillage et la simulation des procédés jusqu'aux micro-ordinateurs pour la commande d'un appareil. La principale préoccupation des industriels est de choisir, en prenant le minimum de risque, le procédé et les équipements. Les exigences de la compétition industrielle (coûts de production, qualité des produits, flexibilité, environnement...) imposent de concevoir, de réaliser et d'exploiter des systèmes de production qui soient de plus en plus performants et, par conséquent, souvent très compliqués.

Dimensionnement de l'appareillage

Le premier appareil à dimensionner est le réacteur, car ses performances ont une incidence sur le reste de l'installation. En effet, si les performances du réacteur sont médiocres (sélectivité, rendement, etc.), il faudra mieux préparer les courants entrants et envisager vraisemblablement des recyclages de produits n'ayant pas réagi. En outre, on obtiendra, en sortie du réacteur, des mélanges dont il faudra séparer les divers constituants si l'on veut obtenir le produit principal avec la pureté souhaitée.

Ayant dimensionné le réacteur et défini ses performances, l'étape suivante consiste à déterminer les appareils dans lesquels s'effectuent les opérations unitaires.

Méthodes de détermination basées sur le concept d'étage théorique

Les méthodes de détermination se fondent essentiellement sur les bilans et sur les lois d'équilibres entre phases et visent à calculer le nombre d'étages théoriques Nt nécessaires pour réaliser une séparation donnée. Partant de ce résultat, on calculera le nombre d'étages réels et les dimensions de l'appareil en introduisant les notions d'efficacité et de hauteur équivalente à un étage ou plateau théorique (H.E.T.P.). Ces grandeurs, efficacité et H.E.T.P., sont accessibles par l'expérience. La hauteur de colonne s'écrit : h = Nt × H.E.T.P.

La détermination de Nt peut être faite soit par voie graphique, en traduisant les équations de bilans par des courbes et/ou des droites (méthodes de MacCabe et Thiele, méthode de Ponchon-Savarit...), soit par calcul numérique en écrivant toutes les équations pour chaque plateau et en les résolvant.

Méthodes « cinétiques » (fig. 5)

Elles impliquent une connaissance approfondie des coefficients d'échange ou de transfert entre phases. À la suite des travaux de Chilton et Colburn (cf. biblio, R. Perry), on peut utiliser la notion d'unité de transfert (N.U.T.), grandeur « statique » adimensionnelle qui traduit la difficulté de séparation du mélange considéré, et celle de hauteur d'unité de transfert (H.U.T.), grandeur « dynamique » qui dépend de l'appareil utilisé et qui peut être évaluée expérimentalement ou calculée au moyen de bilans différentiels. La longueur et/ou la hauteur totale s'écrit : h = N.U.T. × H.U.T.

Procédure cinétique

Diaporama : Procédure cinétique

Méthodes de calcul d'une opération unitaire suivant la « procédure cinétique ». 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Installations pilotes et extrapolation des résultats

Il y a des cas où l'analyse théorique ne permet pas de définir complètement une unité de transformation industrielle à partir de résultats de laboratoire. On se réfère alors à une étude faite sur une installation pilote, qui doit être considérée comme une réduction de l'unité finale de production et non pas comme une extrapolation de l'équipement de laboratoire. Nul n'est besoin de reproduire à échelle réduite toute l'unité ; ce qui est nécessaire, c'est de simuler la partie de l'appareillage qui réalise les transformations ou les séparations les plus délicates. Les objectifs d'une installation pilote peuvent être par exemple l'acquisition de données cinétiques physique ou chimique, nécessaires aux calculs du projet industriel, la vérification des hypothèses, la résolution des problèmes d'extrapolation, la démonstration de la faisabilité d'une opération, la mise à l'épreuve des matériaux de construction, l'obtention de produits finis de qualité spécifique, la mise au point des méthodes et des systèmes d'analyse, la formation du personnel... Et, bien sûr, l'installation pilote donne la possibilité de faire des erreurs, dont les conséquences financières ne sont pas catastrophiques, et de les corriger.

Cependant, le prix est assez élevé puisqu'il atteint normalement jusqu'à 10 p. 100 du prix de l'installation industrielle. Cela peut sembler beaucoup ; en réalité, c'est peu comparé aux pertes de produits et de temps qu'entraîneraient les problèmes et erreurs de démarrage de l'installation industrielle. Les principales raisons du prix de revient « élevé » du pilote sont le coût de l'appareillage, son instrumentation, la nécessité d'avoir un personnel spécialisé, l'approvisionnement en matières premières et le coût de traitement des produits obtenus.

Mais à quelle échelle doit-on travailler ? Il est difficile de répondre à cette question ; on cite souvent des facteurs d'extrapolations compris entre 5 et 15, mais des facteurs 100 ne sont pas inconnus ! Très souvent, c'est le matériel dont on dispose qui fixe les dimensions de l'installation pilote.

D'autres questions se posent encore : fera-t-on fonctionner l'installation pilote en continu ? Si l'on opte pour un fonctionnement discontinu, il faudra être très vigilant sur la durée de l'opération. Comment procéder aux prélèvements d'échantillons et à l'acquisition des données ? Comment faire un choix judicieux entre les valeurs des différentes variables de façon à minimiser le nombre d'expériences (en utilisant le plan d'expériences, le carré latin, le plan factoriel, etc.) ?

Une étape délicate consiste ensuite à extrapoler les résultats obtenus sur l'installation pilote pour construire l'installation à l'échelle industrielle.

Informatique et génie chimique

D'immenses progrès ont été faits à toutes les phases de la conception d'un procédé grâce à l'informatique. Les diverses étapes nécessaires pour obtenir le produit principal s'effectueront dans des réacteurs et des contacteurs et mettront en jeu certaines opérations unitaires. Il convient d'étudier les interconnexions entre les appareils et de conduire l'analyse du procédé. Cette analyse s'effectue en résolvant les systèmes d'équations qui traduisent les bilans matière et énergie en tout point de l'installation. On peut ainsi évaluer le procédé en se fixant des critères et envisager son optimisation, qui pourra se faire soit dans le cadre d'une structure figée, par exemple en jouant sur des paramètres physico-chimiques, soit au contraire en modifiant la structure elle-même. Enfin, la dernière phase est la mise au point du système de contrôle du procédé.

Simulation

Depuis longtemps, on utilise l'ordinateur dans la conception de l'ensemble du procédé pour la simulation, c'est-à-dire pour représenter artificiel [...]

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Chaîne de transformation

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Étages en distillation : calcul

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Opérations unitaires

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Écrit par :

  • : directeur de l'École nationale supérieure d'ingénieurs de génie chimique, Toulouse
  • : professeur à l'Institut national agronomique, Paris-Grignon, chef du département équipement des industries agro-alimentaires du Cemagref
  • : conseil en politique scientifique

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Pour citer l’article

Henri ANGELINO, Henri GIBERT, Pierre PIGANIOL, « GÉNIE CHIMIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/genie-chimique/