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

Sommaire et contenu du livre "Principes fondamentaux du génie des procédés et de la technologie chimique - Aspects théoriques et pratiques"

Table des matières Préface de la première édition. ................................. V Avant-propos de la première édition. ........................... VII Avant-propos de la seconde édition. ............................ IX Symboles et abréviations ...................................... XI Préambule 1. Introduction sur le génie des procédés et la technologie chimique 1 1.1. Définitions............................................... 1 1.2. Historique ............................................... 2 1.3. Perspectives.............................................. 3 2. Élaborationd'unproduit ....................................... 4 3. Génie des procédés, technologie chimique et chimie industrielle. . . . . . . 5 3.1. Terminologie............................................. 5 3.2. Missions du « chimisteindustriel »............................ 6 3.3. Débouchésdu«chimisteindustriel» ......................... 7 Première partie Notions théoriques sur le génie des procédés et la technologie chimique Chapitre 1 Industrialisation des procédés chimiques 1. Diverses phases d'industrialisation d'un produit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 1.1. Rechercheexploratoire................................... .. 11 1.2. Rechercheduprocédéen laboratoire....................... .. 12 1.2.1. Étudechimique préliminaire......................... .. 12 1.2.2. Étude chimiqueapprofondie......................... .. 12 1.2.3. Études économiqueetcommerciale................... .. 13 1.3. Développement du procédé et avant-projet industriel. . . . . . . . . .. 13 1.3.1. Construction ou utilisation d'une installation pilote. . . . . . .. 13 1.3.2. Rédaction du projet industriel préliminaire ouavant-projet.................................... .. 14 1.3.3. Leprojetindustrielcomplet ......................... .. 15 1.3.4. Le projet d'installation et de construction. . . . . . . . . . . . . . .. 15 1.4. Construction et mise en route de l'atelier de production. . . . . . . .. 15 2. Diverstypes d'opérationschimiques. ........................... .. 15 2.1. Caractéristiquesde l'industriechimique..................... .. 15 2.2. Opération discontinue {système fermé} . . . . . . . . . . . . . . .. 17 2.3. Opération continue {système à courants} .................... .. 18 2.4. Opérationsemi-continue{système ouvert}................... .. 19 3. Opérationsunitaires dugéniedesprocédés...................... .. 20 3.1. Opérationspurementmécaniques.......................... .. 20 3.1.1. Opérations mécaniques sur les fluides. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 3.1.2. Opérations mécaniques sur les solides. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 3.1.3. Opérations mécaniques de séparations solide-fluide. . . . . .. 23 3.2. Opérations de transfert de matière et/ou de chaleur entrephases ........................................... .. 24 3.2.1. Phasesvapeur-liquide. .............................. .. 24 3.2.2. Phasesliquide-solide ............................... .. 25 3.2.3. Phasesvapeur-solide ............................... .. 26 3.2.4. Phases liquide-liquide 27 3.3. Opérations de transformation chimique etdetransfertthermique. ................................ .. 27 3.3.1. Réacteurs. ........................................ .. 28 3.3.2. Agitation. ........................................ .. 28 3.3.3. Échangeurs thermiques. ............................ .. 29 3.3.4. Production dechaleuretdefroid..................... .. 29 Chapitre 2 Principales grandeurs physicochimiques utilisées en génie des procédés 1. Notions générales sur les grandeurs physicochimiques . . . . . . . . . . . . . .. 31 1.1. Définitiond'unegrandeur................................ .. 32 1.2. Équation aux dimensions. ................................ .. 34 1.2.1. Finalité 34 1.2.2. Exercices d'application.............................. .. 34 1.3. Lessystèmesd'unités .................................... .. 35 1.3.1. Lesystèmeinternational{SI}......................... .. 36 1.3.2. LesystèmeCGS.................................... .. 36 1.3.3. Lesystèmeanglo-saxon............................. .. 36 1.3.4.Autressystèmes................................... .. 37 1.3.5. Exercices d'application sur les conversions d'unités. . . . . . . .. 38 2. Étude de quelques grandeurs physicochimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39 2.1. Grandeursgénéralesd'espace etdetemps................... .. 39 2.1.1. Grandeursgéométriques d'espace.................... .. 39 2.1.2. Grandeur de temps 41 2.1.3. Grandeurs mécaniques d'espace et de temps 42 2.2. Grandeursmécaniques................................... .. 43 2.2.1. Masse. ........................................... .. 43 2.2.2. Grandeurs dérivées de la masse 43 2.2.3. Grandeursde débitdematière....................... .. 47 2.2.4. Force. ........................................... .. 48 2.2.5. Pression.......................................... .. 48 2.2.6. Énergie............................................ 49 2.2.7. Puissance. ........................................ .. 50 2.2.8. Rendement. ...................................... .. 51 2.2.9. Viscosité.......................................... .. 51 2.3. Grandeursthermodynamiques. ............................ .. 52 2.3.1. Température. ..................................... .. 52 2.3.2. Quantitédechaleur................................ .. 53 2.3.3. Flux thermique. ................................... .. 53 2.3.4. Capacités thermiques. .............................. .. 54 2.3.5. Enthalpiesde changementd'état..................... .. 55 2.4. Grandeursmoléculaires etdecomposition................... .. 56 2.4.1. Grandeurs des entités constituant la matière 56 2.4.2. Équivalent. ....................................... .. 58 2.4.3. Grandeurs exprimant la composition d'un mélange. . . . . . .. 58 2.4.4. Molalité.. ........................................ .. 61 2.4.5. Masse molairemoyenne............................ .. 61 2.4.6. Exercices d'application sur les grandeurs de composition. . .. 61 Chapitre 3 Bilans-matière 1. Introduction.................................................. 68 1.1. Définition................................................ 68 1.2. But..................................................... 68 1.3. Principedelaconservationdela matière.................... .. 68 1.4. Conséquences du principe de la conservation dela matière........................................... .. 70 1.4.1. Casgénéral....................................... .. 70 1.4.2. Processus physiques................................ .. 70 1.4.3. Processus chimiques. ............................... .. 71 1.4.4. Diverstypesdebilans-matière........................ .. 72 2. Caractéristiquesd'uneproduction.............................. .. 72 2.1. Schémagénéraldeprocédé etterminologie................. .. 73 2.2. Transformationdesréactifsen produits..................... .. 74 2.3. Grandeurs caractéristiques , 75 2.3.1. Grandeursconcernant lesréactifs..................... .. 75 2.3.2. Grandeurs concernant les réactifs et les produits , 76 2.3.3. Exemples d'applications. ............................ .. 77 3. Établissement des bilans-matière dans les procédés industriels. . . . . . . .. 80 3.1. Exemple de bilan sur la fabrication de l'acide sulfurique selonleprocédéde contact............................... .. 80 3.2. Commentétablirunbilan?............................... .. 81 3.2.1. Faire un schéma simplifié du procédé.................... 81 3.2.2. Écrire l'équationderéaction......................... .. 81 3.2.3. Choisirunebasede calcul........................... .. 82 3.2.4. Faire l'inventaire de toutes les données. . . . . . . . . . . . . . . . .. 82 3.2.5. Détecter les grandeurs à calculer et les inconnues. . . . . . . .. 82 3.2.6. Construire untableaurécapitulatif.................... .. 83 3.2.7. Indiquer dans le tableau toutes les données de l'énoncé. . .. 83 3.2.8. Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau. . . . . . .. 83 3.3. Quandfaireunbilan?................................... .. 87 3.3.1. Dilutions et préparations de mélanges binaires etternaires. ...................................... .. 87 3.3.2. Bilans-matière dans les opérations unitaires. . . . . . . . . . . . .. 88 3.3.3. Bilans-matière dans les neutralisations. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 3.3.4. Bilans-matière dans les productions chimiques. . . . . . . . . . .. 89 Chapitre 4 Bilans énergétiques 1. Introduction . 91 1.1. Définition . 91 1.2. But . 91 1.3. Rappels de thermodynamique . 92 1.3.1. Principe zéro . 92 1.3.2. Premier principe . 92 1.3.3. Deuxième principe . 93 1.3.4. Troisième principe . 93 1.3.5. Loi de Hess . 94 1.4. Conventions de signes . 95 2. Principales formes d'énergie . 96 2.1. Énergies propres au système . 96 2.1.1. Énergie interne . 96 2.1.2. Énergie potentielle . 97 2.1.3. Énergie cinétique . 97 2.2. Énergies propres aux processus du système . 98 2.2.1. Travail . 98 2.2.2. Quantité de chaleur ou énergie thermique . 99 3. Effets thermiques en relation avec l'enthalpie . 99 nn 3.1. Enthalpie 3.1.1. Définition. ....................................... .. 99 3.1.2. Enthalpie d'un processus continu stationnaire 100 3.1.3. Enthalpie d'un processus discontinu à pression constante. .. 100 3.2. Effets thermiques liés aux phénomènes physiques. . . . . . . . . . . . . .. 100 3.2.1. Enthalpie sensible 100 3.2.2. Capacités thermiques 101 3.2.3. Enthalpiesde changementd'état..................... .. 109 3.2.4. Enthalpie totale des substances pures 112 3.2.5. Enthalpiedesmélanges............................. .. 115 3.3. Effets thermiques liés aux processus chimiques 118 3.3.1. Notionssurlesenthalpiesde réaction................. .. 119 3.3.2. Variation de l'enthalpie de réaction avec la température etlapression...................................... .. 123 4. Ëtablissement des bilans thermiques dans les procédés industriels 134 4.1. Conséquences du principe de la conservation de l'énergie 134 4.2. Différentstypesde procédés.............................. .. 135 4.2.1. Procédé isotherme................................. .. 135 4.2.2. Procédéisobare ................................... .. 136 4.2.3.Procédé isométriqueouisochore ..................... .. 136 4.2.4. Procédé adiabatique ............................... .. 136 4.2.5. Procédé polytropique 136 4.3. Commentétablirunbilan thermique? ..................... .. 136 4.3.1. Équation du bilan thermique 137 4.3.2. Exemple de bilan thermique 137 4.3.3. Stratégie 138 Chapitre 5 Équilibres physiques et chimiques 1. Étatgazeux ................................................ .. 146 1.1. Gazparfaits............................................ .. 147 1.1.1. Lois générales sur les gaz purs 147 1.1.2. Lois des mélanges de gaz parfaits 149 1.2. Gaz réels .............................................. .. 150 1.2.1. Lois des états 151 1.2.2. Équations d'état 151 1.3. Exercicesd'application. .................................. .. 153 2. Équilibresphysiques entrephases .............................. .. 156 2.1. Systèmes à unseulconstituant............................. .. 157 2.1.1. Équilibre liquide-vapeur 158 2.1.2. Équilibre solide-vapeur 161 2.1.3. Équilibre solide-liquide 162 2.2. Systèmesbinaires ....................................... .. 162 2.2.1. Équilibre liquide-vapeur ......................... .. 162 2.2.2. Équilibre solide-liquide 166 2.3. Systèmesternaires. ...................................... .. 167 2.3.1. Équilibre liquide-gaz 167 2.3.2. Équilibre liquide-liquide 168 2.4. Exercices d'applications 169 3. Équilibres chimiques statiques 172 3.1. Introduction sur les réactions 172 3.2. Classificationdesréactions................................ .. 173 3.2.1. Classification d'après le mode de déplacement des espèces .. 173 3.2.2. Classification d'après la thermicité 174 3.2.3. Classification d'après la nature des phases en présence 174 3.2.4. Classification d'après l'unicité du processus. . . . . . . . . . . . . .. 175 3.2.5. Classification d'après la nature des réactifs. . . . . . . . . . . . . .. 176 3.2.6. Classification d'après le mode d'activation 177 3.3. Équilibres chimiques statiques 178 3.3.1. Généralités sur les équilibres chimiques statiques 178 3.3.2. Notions théoriques sur l'équilibre chimique statique 179 3.3.3. Énergie libre et enthalpie libre 183 3.3.4. Étude spéciale de l'enthalpie libre ' 184 3.4. Exercices d'applications 192 4. Équilibres chimiques dynamiques 198 4.1. Introduction 198 4.2. Relations entre thermodynamique et cinétique 199 4.3. Concepts de base 200 4.3.1. Composition du milieu réactionnel 200 4.3.2. Débit de transformation 200 4.3.3. Notions sur la vitesse de réaction 201 4.3.4. Ordre de réaction et constante de vitesse ' 207 4.3.5. Activation des réactions 207 4.4. Classement cinétique des réactions 211 4.4.1. Réactions d'ordre 0 211 4.4.2. Réactions d'ordre 1 212 4.4.3. Réactions d'ordre 2 212 4.4.4. Réactions d'ordre n 213 4.4.5. Réactions réversibles 214 4.4.6. Ordre partiel 215 4.4.7. Analyse des résultats cinétiques 216 4.4.8. Conclusionsurla cinétique .......................... .. 218 4.5. Exercices d'application ' 218 Chapitre 6 Notions sur la production des composés chimiques 1. Réacteurs chimiques 225 1.1. Introduction sur les réacteurs 226 1.2. Réacteursidéaux........................................ .. 228 1.2.1. Réacteurs parfaitement agités fermés 229 1.2.2. Réacteurs parfaitement agités semi-fermés ou semi-ouverts .. 230 1.2.3. Réacteurs ouverts 231 1.2.4. Comparaison des réacteurs 236 1.3. Réacteurs chimiques industriels 236 1.3.1. Introduction...................................... .. 236 1.3.2. Réflexionssurlechoix d'unréacteur .................. .. 237 1.3.3. Classement des réacteurs industriels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239 1.3.4. Réacteurs monophasiques 240 1.3.5. Réacteurspolyphasiques ............................ .. 244 1.3.6. Accessoires connexes au réacteur de type « Grignard» ..... 251 1.3.7. Matériaux........................................ .. 254 1.3.8. Contrôle du fonctionnement d'un réacteur. . . . . . . . . . . . . .. 259 2. Notions sur la qualité, la sécurité et l'environnement 260 2.1. Risques rencontrés dans l'industrie chimique 261 2.1.1. Risques toxicologiques 263 2.1.2. Risques incendie................................... .. 271 2.1.3. Risques explosion 279 2.1.4. Risques environnementaux 285 2.1.5. Sécurité dans l'usine 287 2.1.6. Analyse des risques 292 2.2. Traitement des déchets et des eaux usées industrielles. . . . . . . . . .. 297 2.2.1. Introductionsurlesnuisances........................ .. 298 2.2.2. Composésgazeux. ................................. .. 300 2.2.3. Composés liquides 303 2.2.4. Déchets solides 314 2.3. Qualité dans l'industrie chimique 319 2.3.1. Principes de base de la gestion de la qualité 320 2.3.2. Gestion de la qualité 324 Deuxième partie Exercices de synthèse Chapitre 7 Grandeurs physicochimiques et mélanges 1. Grandeurs moléculaires 337 2. Mélanges binaires et ternaires 348 Chapitre 8 Bilans-matière 1. Bilans-matière dans les opérations de transfert 357 2. Bilans-matière dans les neutralisations 378 3. Bilans-matière dans les productions chimiques 387 Chapitre 9 Bilans thermiques 1. Bilans thermiques dans les opérations physicochimiques 425 2. Bilans thermiques dans les productions chimiques 444 Chapitre 10 Équilibres chimiques 1. Équilibres chimiques statiques 455 2. Cinétique appliquée au calcul de réacteurs 487 2.1. Réacteurs agités discontinus 487 2.2. Réacteurs agités continus 495 2.3. Réacteurs agités continus en série 497 2.4. Réacteurs de type piston 498 2.5. Comparaison des réacteurs 506 2.6. Exercice de synthèse 511 Troisième partie Expérimentation Chapitre 11 Bilans dans les opérations de transfert de matière et d'énergie 1. Bilans massiques et thermiques dans les distillations discontinue et continue 525 1.1. Notions théoriques sur la distillation 525 1.1.1. Diversesméthodesde distillation..................... .. 525 1.1.2. Caractéristiques d'une rectification discontinue 527 1.1.3. Caractéristiques d'une rectification continue 530 1.2. Pratique des bilans massiques et thermiques dans la distillation discontinue 533 1.2.1. Description de l'unité 533 1.2.2. Étude de l'équilibre de la colonne en reflux total 536 1.2.3. Résultats expérimentaux 538 1.3. Pratique des bilans massiques et thermiques dans la rectification continue 541 1.3.1. Description de l'unité 541 1.3.2. Procédure 545 1.3.3. Résultats expérimentaux 546 2. Bilans massiques et thermiques dans une évaporation continue 553 2.1. Notions théoriques sur l'évaporation 553 2.1.1. Divers modes d'évaporation 554 2.1.2. Divers types d'évaporateurs 555 2.1.3. Relations massiques et thermiques 555 2.2. Pratique des bilans massiques et thermiques dans l'évaporation 557 2.2.1. Description de l'unité 557 2.2.2. Procédure 560 2.2.3. Résultats expérimentaux 562 3. Bilans massiques et thermiques dans une cristallisation discontinue 569 3.1. Notions théoriques sur la cristallisation 569 3.1.1. Dissolution etcristallisation. ......................... .. 570 3.1.2. Divers types de cristallisation ' 572 3.1.3. Bilans massique et thermique 573 3.2. Pratique des bilans massiques et thermiques dans la cristallisation discontinue 576 3.2.1. Description de l'installation 577 3.2.2. Évaporation-cristallisation d'une solution de glycine en régime discontinu 579 3.2.3. Résultats expérimentaux 581 3.2.4. Conclusions....................................... .. 585 4. Bilans massiques dans les extractions liquide-liquide 585 4.1. Notions théoriques sur les divers types d'extraction 585 4.1.1. Notions générales 586 4.1.2. Divers types d'extraction 587 4.1.3. Bilan-matière d'une extraction liquide-liquide 588 4.2. Pratique des bilans massiques dans l'extraction liquide-liquide discontinue 590 4.2.1. Procédure 590 4.2.2. Résultats expérimentaux............................ .. 592 4.3. Pratique des bilans massiques dans l'extraction liquide-liquide continue 597 4.3.1. Description de l'unité 597 4.3.2. Procédure 597 4.3.3. Résultats expérimentaux............................ .. 599 5. Bilans thermiques sur les échangeurs de chaleur 603 5.1. Notions théoriques sur les échangeurs thermiques 603 5.1.1. Transfert par conduction 603 5.1.2. Transfert par convection 604 5.1.3. Transfert par rayonnement ' 604 5.1.4. Échangeurs thermiques. ............................ .. 604 5.2. Pratique des bilans sur les échangeurs thermiques ' 607 5.2.1. Description de l'unité 607 5.2.2. Bilan thermique sur les échangeurs de chaleur 609 5.2.3. Résultats expérimentaux 610 Chapitre 12 Bilans massiques dans les synthèses 1. Bilans massiques dans la synthèse de la glycine 617 1.1. Notionsthéoriques. ..................................... .. 617 1.2. Réalisation de la synthèse 619 1.2.1. Procédure 619 1.2.2. Résultats expérimentaux 622 2. Bilans massiques dans la synthèse de l'hydroxyde de potassium 627 2.1. Notionsthéoriques. ..................................... .. 627 2.1.1. Généralités....................................... .. 627 2.1.2. Principe de la synthèse 627 2.1.3. Donnéesphysicochimiques .......................... .. 628 2.2. Réalisation de la synthèse 628 2.2.1. Procédure. ....................................... .. 628 2.2.2. Résultats expérimentaux 630 3. Bilans massiques dans la synthèse du sulfate de potassium 633 3.1. Notionsthéoriques. ..................................... .. 633 3.1.1. Généralités 633 3.1.2. Principe de la synthèse 634 3.1.3. Données physicochimiques 634 3.2. Réalisation de la synthèse 635 3.2.1. Procédure 635 3.2.2. Résultats expérimentaux 638 4. Bilans massiques dans la synthèse et l'hydrolyse du borate de tributyle .. 641 4.1. Notionsthéoriques. ..................................... .. 641 4.1.1. Principe des opérations 641 4.1.2. Rectification azéotropique 642 4.1.3. Données physicochimiques 644 4.2. Procédure................................................ 645 4.2.1. Produits et matériel 645 4.2.2. Synthèse du borate de tributyle 646 4.2.3. Hydrolyse du borate de tributyle 647 4.2.4. Dosages. ......................................... .. 648 4.3. Résultatsexpérimentauxdela synthèse..................... .. 650 4.3.1. Matières premières 650 4.3.2. Résultats 651 4.4. Résultats expérimentaux de l'hydrolyse 653 4.4.1. Matièrespremières................................. .. 653 4.4.2. Résultats 654 Annexes Annexe 1 -Principaux symboles schématiques utilisés en génie des procédés (extrait des normes ISO 10628: 1997) constantedequelques gaz.................................... .. 695 Annexe 12 -Variations des enthalpies molaires de dissolution (~H~) et de dilution (~Hd) avec la concentration ' 696 Annexe 13 -Enthalpies molaires de dissolution de quelques composés minéraux dans l'eau 699 o. Annexe 14 -Enthalpies standard de formation de quelques composés minéraux 702 Annexe 15 -Enthalpies molaires de dissolution de quelques composés organiques dans l'eau 704 Annexe 16 -Enthalpies standard de formation (~Hf) et de combustion (~H~) de quelques composés organiques 705 Annexe 17 -Constantes critiques 708 Annexe 18 -Évolution de la tension de vapeur des composés organiques avec la température du liquide 712 Annexe 19 -Propriétés thermodynamiques de quelques solides minéraux (à298K)................................................... .. 715 Annexe 20 -Propriétés thermodynamiques de quelques composés hydrocarbonés (à 298 K) 718 Annexe 21 -Indicateurs de sécurité de quelques substances chimiques 720 Annexe 22 -Nouveaux pictogrammes d'étiquetage des produits chimiques et conseils d'utilisation 723 Annexe 23 -Caractéristiques physiques d'inflammabilité de quelques substances chimiques 731 Annexe 24 -Enthalpies totales de vaporisation de l'eau en fonction de la pression absolue et de la température de vaporisation 734 Annexe 25 -Compositions des solutions aqueuses de saccharose en fonction de l'indice de réfraction 737 Annexe 26 -Caractéristiques physiques des solutions aqueuses de glycine 739 Bibliographie 741 Index des produits 743 Index des sujets 751 Annexe 2 -Facteurs de conversion des unités des grandeurs mécaniques non usuelles en unités du système international 669 Annexe 3 -Caractéristiques physiques de quelques solides minéraux 672 Annexe 4 -Caractéristiques physiques de quelques solides organiques 674 Annexe 5 -Caractéristiques physiques de quelques liquides 675 Annexe 6 -Caractéristiques physiques de quelques gaz 678 Annexe 7 -Masses atomiques des éléments chimiques cités 680 Annexe 8 -Titres massiques et concentrations de quelques solutions basiques en fonction de la masse volumique (à 15 OC) 681 Annexe 9 -Titres massiques et concentrations de quelques solutions acides en fonction de la masse volumique (à 15 OC) 684 Annexe 10 ­Compositions des mélanges éthanol-eau en fonction de la densité ' 691 Annexe 11 -Constantes des capacités thermiques molaires à pression