Introduction aux opérations unitaires

INTRODUCTION AUX OPÉRATIONS UNITAIRES

I.1.Introduction

Le génie chimique, ou génie des procédés, désigne l'application de la chimie ou d'autres industries (agro-alimentaires, biotechnologies) à l'échelle industrielle. Elle a pour but la transformation de la matière dans un cadre industriel et consiste en la conception, le dimensionnement et le fonctionnement d'un procédé comportant une ou plusieurs transformations chimiques et/ou physiques. Les méthodes utilisées dans un laboratoire ne sont souvent pas adaptées à la production industrielle d'un point de vue économique et technique. Le génie chimique permet ainsi le passage d'une synthèse de laboratoire à un procédé industriel de même que son fonctionnement dans le respect des contraintes économiques, techniques, environnementales et de sécurité.

Le génie chimique se situe à la convergence de plusieurs disciplines et étudie les transformations, les transports et les transferts de la matière, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour établir des lois et des corrélations utilisables lors de la transposition ou de l'extrapolation à l'échelle industrielle.

 Le génie chimique, génie des procédés, est une spécialité à part entière qui s'applique à des domaines beaucoup plus larges que la chimie (industrie, environnement, etc...).
   Les principaux phénomènes et techniques impliqués dans le Génie des Procédés qui constituent la base de l'enseignement sont les suivants :

     - le transfert des fluides et des solides,
     - l'énergétique et les échanges thermiques,
     - les réacteurs biologiques et enzymologiques,
     - les opérations unitaires,
     - l'automatisme et la régulation,
     - le contrôle des procédés et sa schématisation.

I.2.Notion Fondamental ;

I.2.1.Procédés industriels

Un procédé industriel est un procédé de nature mécanique ou chimique destiné à produire des objets ou à synthétiser des produits chimiques, en grande quantité et dans des conditions techniquement et économiquement acceptables. Ils sont notamment essentiels aux industries dites lourdes (par exemple, fabrication d'automobiles ou synthèse de l'essence).

Les procédés industriels permettent d'obtenir en grande quantité des produits qui autrement seraient relativement difficiles ou coûteux à obtenir. Ces produits peuvent alors être considérés comme des « commodités », c'est-à-dire des produits d'usage banal et disponibles en très grandes quantités. En rendant les produits fabriqués nettement moins chers, les procédés industriels permettent en effet de les consommer à grande échelle, par exemple l'acier, issu d'un procédé industriel, est lui-même utilisé pour la fabrication de machines. La fabrication d'un produit peut nécessiter l'utilisation de plusieurs procédés.

Opération Unitaire

De la matière première au conditionnement du produit fini, toute production chimique fait appel, quelle que soit l’échelle, à une suite coordonnée d’opérations fondamentales distinctes et indépendantes du procédé lui-même que l’on appelle opérations unitaires. Tout procédé peut se ramener à une combinaison d’un nombre restreint d’opérations unitaires

Le principe fondamental de toute opération unitaire est toujours le même, à savoir la préparation et la mise en contact intime des phases en présence pour assurer le développement des réactions, les mécanismes de transport et de transfert de masse (ou matière), de chaleur et de quantité de mouvement qui ont lieu durant la chaîne de transformation, ainsi que la séparation des constituants du mélange résultant.

Les opérations unitaires représentent donc un concept utilisé par les ingénieurs chimistes afin de permettre de façon optimale la transformation des substances brutes déterminées en un ou plusieurs produits (naturels ou artificiels) commercialisables ou en produits de base destinés

à une autre usine chimique.

Le choix d’une opération unitaire dépend de différentes considérations :

– la possibilité effective de séparation sur des bases thermodynamiques;

– la possibilité offerte par la cinétique physique d’avoir un transfert plus ou moins rapide selon la nature des phases en présence;

– la volonté d’utiliser préférentiellement certaines sources d’énergie (par exemple l’énergie électrique);

– le souhait d’économiser de l’énergie ou de diminuer les frais de fonctionnement ainsi que celui d’abaisser les coûts d’investissement.

2.2 Classification des opérations unitaires

Une classification universelle et exhaustive satisfaisante est difficile.

Cependant, malgré l’appareillage très varié nécessaire pour la production industrielle, il est possible de classifier les opérations unitaires de plusieurs manières.

2.2.1 Classification selon les phénomènes physiques mis en œuvre

Les principales opérations mettant essentiellement en jeu des processus physiques, on peut ainsi les rattacher aux deux grandes familles suivantes.

■ Opérations unitaires avec ou sans transfert de matière

À leur tour les opérations unitaires peuvent se diviser en deux grandes classes :

– les processus de séparation par diffusion (évaporation, distillation, absorption, sublimation, adsorption, etc.) qui conviennent aux alimentations formées par mélanges homogènes;

– les processus sans transfert de matière qui sont d’une part les opérations de simple séparation mécanique des mélanges hétérogènes (filtration, cyclonage, centrifugation), d’autre part les opérations modifiant la granulométrie de solides (broyage, frittage).

■ Opérations unitaires avec ou sans transfert de chaleur

Souvent, les opérations unitaires nécessitent un transfert de chaleur, ainsi il est possible de réaliser une classification en se rapportant aux quantités d’énergie thermique mises en jeu. On distingue :

– les opérations se déroulant sans (ou pratiquement sans) transfert de chaleur, telles que :

• ultrafiltration, osmose inverse, extraction par liquide (pour un transfert de masse entre phases fluides);

• adsorption, échange d’ions, chromatographie en phase liquide, lixiviation (pour un transfert de masse entre phases fluides et solides);

– les opérations nécessitant d’importants échanges de chaleur :

• distillation, évaporation, séchage des liquides (pour un transfert de masse entre phases fluides);

• cristallisation, lyophilisation, cryoconcentration (pour phases fluidessolides);

– les opérations mixtes qui ont lieu de manière isotherme ou non, selon les concentrations considérées et qui intéressent surtout les épurations en présence d’une phase gazeuse inerte en excès :

• absorption, désorption (phases fluides);

• adsorption en phase vapeur, chromatographie en phase gazeuse, séchage des solides.

Remarque

Il est évident que certaines opérations mettent en oeuvre des phénomènes thermiques et de matière : elles sont rangées dans le groupe correspondant au phénomène principal mis en jeu.

2.2.2 Classification selon les fonctions des opérations unitaires

Pour plus de clarté, on envisage, dans la suite, les opérations unitaires sous l’angle d’une classification à partir de leur fonction telle qu’elle est résumée dans le tableau 2.1.

Opérations unitaires	Fonctions
Opérations fondées sur la mécanique des fluides
Manipulation et transport des fluides	Stockage et transport des fluides. Contrôle et mesure du débit de gaz, liquide et vapeur.
Homogénéisation et agitation	Mise en contact des liquides, solides et gaz afin d’obtenir  un mélange homogène des fluides ou un contact intime des phases.
Filtration et clarification	Séparation des particules solides à partir d’un liquide ou gaz
Épaississement et sédimentation	Concentration des solides à partir de leur mélange avec des liquides.
Classification	Séparation des particules solides en groupes présentant de propriétés différentes (dimension, masse volumique, composition chimique, etc.).
Centrifugation	Séparation d’un mélange de deux phases liquides ou d’une phase solide en suspension dans une phase liquide, par l’action de la force centrifuge.
Opérations fondées sur le transfert thermique
Échange de chaleur et condensation	Échauffement, refroidissement et condensation des fluides avec ou sans changement d’état.
Fours industriels Évaporation et ébullition	Chauffage à haute température des matériaux. Évaporation des liquides, concentration des solutions de solides non volatiles, récupération de l’eau distillée.
Séchage	Récupération de l’humidité ou d’autres liquides d’un solide par évaporation ou autres moyens.
Opérations fondées sur le transfert thermique
Tours de refroidissement et réfrigération	Refroidissement de l’eau afin de la réutiliser dans les condenseurs ou installations de conditionnement d’air.
Opérations fondées sur le transfert de matière
Distillation	Séparation des liquides miscibles par évaporation.
Extraction liquide-liquide	Séparation des liquides miscibles par différence de solubilité.
Lixiviation	Extraction des substances solides dissoutes dans un liquide par un solvant.
Absorption et désorption	Lavage des gaz solubles d’un mélange ayant un constituant inerte par un liquide. Récupération des gaz dissous dans un liquide.
Adsorption	Récupération sélective des substances à partir de liquides ou gaz par réaction chimique avec des solides.
Échange d’ions	Échange réversible avec les ions de même signe des différentes solutions. Adoucissement de l’eau. Diffusion des gaz, humidification et déshumidification
Diffusion des gaz, humidification et déshumidification	Séparation des mélanges gazeux par différence de température ou par d’autres méthodes spécifiques. Contrôle de l’humidité ou de la vapeur contenue dans un gaz
Opérations fondées sur des principes mécaniques
Tamisage	Triage des particules solides selon leur dimension à l’aide d’un tamis.
Stockage et déplacement des solides	Transport des solides. Stockage et chargement en quantité contrôlée dans un appareil de fabrication
Opérations fondées sur des principes mécaniques
Fragmentation et agglomération des solides	Réduction des solides en particules plus petites. Compactage des solides en augmentant leur masse volumique.
Flottation	Séparation des solides par aération sélective.
Séparation magnétique ou électromagnétique	Séparation des solides d’après leur composition chimique ou des solides à partir de gaz par des méthodes électriques

 ■ Processus continus et discontinus

Dans un processus continu, dans la mesure où le fonctionnement est parfait, les différents paramètres, notamment les débits, sont constants dans le temps en chaque point de l’installation. Les réactifs à mélanger, ou le  mélange à séparer, arrivent en un point de l’appareillage, tandis que la masse après réaction ou les produits séparés sortent en d’autres points. Il faut noter que le fonctionnement en continu permet généralement une régulation automatique très poussée qui conduit à une qualité absolument constante du produit. Dès lors le travail en continu convient pour une fabrication déterminée et, étant donné la haute technologie et la fiabilité du matériel, implique une longévité commerciale du produit à fabriquer ainsi que des productions journalières très élevées, afin de rentabiliser l’investissement très important.

Avantages :

– qualité de production constante ;

– coût de production inférieur à celui d’une opération discontinue ;

– besoins réduits en personnel ;

– plus grande sécurité et meilleures conditions sanitaires (automatisation et pilotage déporté de l’installation).

Inconvénients :

– investissements élevés (notamment pour contrôles et régulations) ;

– nécessité d’une régularité dans la qualité des matières premières ;

– spécificité de l’appareillage.

Dans un processus discontinu, la situation du système change constamment dans le temps et plusieurs phases de l’opération peuvent être exécutées successivement dans le même appareil; en continu, ces diverses phases ont lieu simultanément, chacune d’entre elles dans un appareil spécialisé.

Avantages :

– appareillage polyvalent, charges faibles ;

– pas de problème de circulation de certaines matières (pâtes) ;

– parfois rendements plus élevés.

Inconvénients :

– coût énergétique élevé (chauffage et refroidissement pour chaque charge) ;

– temps morts (remplissage, soutirage, refroidissement…) ;

– besoin élevé en personnel (manutention, surveillance…) ;

– qualité de production pouvant évoluer dans le temps ;

– coût de production élevé.

■ Processus séquentiels et semi-continus

Entre ces deux catégories principales, on trouve les régimes de marche séquentielle et les régimes semi-continus.  La marche séquentielle est un fonctionnement en continu qui n’est perturbé que de temps en temps par une séquence en discontinu qui n’interrompt ni l’entrée ni la sortie des réactifs principaux (par exemple l’évacuation du solide hors de l’appareil dans la filtration de poussières contenues dans un gaz).

Une opération est dite en semi-continu lorsqu’il y a alimentation et/ou sortie d’au moins un réactif pendant un temps important, mais qu’il doit y avoir interruption à intervalles réguliers (par exemple l’envoi en continu d’un mélange de gaz dans une masse déterminée d’un liquide capable de retenir sélectivement l’un des gaz).

2.3 Modes de mise en contact

Il existe diverses procédures de mise en contact entre phases dans une unité d’opération : les principales sont le courant, le contre-courant, les courants croisés et l’alimentation distribuée. Le contre-courant permet en principe un échange plus poussé parce qu’il met en contact les fractions s’appauvrissant avec des fractions de pouvoir d’échange croissant.

Dans certains appareils (échangeurs de chaleur, colonnes à pulvérisation), il y a une variation continue de la température ou de la composition dans chaque phase le long de l’axe de l’appareil. Il importe alors d’éviter que le mélange en retour et la dispersion axiale ne viennent mélanger à nouveau des fractions ayant subi une évolution progressive entre l’entrée et la sortie et fassent ainsi chuter l’efficacité. Dans d’autres dispositifs, au contraire, on réalise un étagement géométrique de zones bien mélangées au moyen de cuves en série ou d’écrans évitant le mélangeage axial.

La plupart des schémas de procédé associent plusieurs unités d’opération comportant de nombreux recyclages où des courants de matière à différents stades de leur évolution sont renvoyés en amont de manière à réaliser plusieurs passes à travers les unités.

Lorsqu’on désire une séparation poussée, on a recours à des méthodes qui consistent à renouveler de nombreuses fois l’opération. En effet, pour obtenir un alcool très pur à partir d’un jus de fermentation par exemple, il faut se contenter de distiller une faible fraction du jus, sinon, à mesure que celui-ci s’appauvrit en alcool, on entraîne de plus en plus d’impuretés. On peut, dans ce cas, distiller une seconde fois le produit impur, voire redistiller le produit de cette seconde distillation, etc. Ainsi on procède à une répartition simple, portant uniquement sur le produit.

Ces opérations de répétition et/ou de recyclage peuvent être mises en œuvre dans une succession de séparateurs que l’on appelle une cascade.

La cascade à contre-courant, qui réalise répétition et recyclage à la fois sur les produits et les résidus, est la plus utilisé, car c’est celle qui réalise le meilleur compromis entre qualité et quantité.

Les bilans

Les bilans permettent de déterminer les différents paramètres liés aux opérations unitaires. Les bilans peuvent être : de matière, d’énergie, d’information…

Les bilans systématiques sont essentiels pour le calcul des installations, mais aussi pour renseigner l’ingénieur sur la bonne marche d’un appareil (identification d’une fuite, vérification de l’obtention d’un régime permanent…)

On distingue les bilans :

· Totaux : conservation de la matière et de l’énergie, quelles que soient leurs formes

· Partiels : pour chaque espèce chimique et pour chaque forme d’énergie (thermique, mécanique, chimique, …)

Pour pouvoir effectuer un bilan, il faut définir les limites du système sur lequel on veut travailler. Puis on détermine les flux de matière (entrée, sortie) ainsi que les réactions (création, destruction). La somme de ces différents éléments donne le terme Accumulation qui consiste en la variation (qui peut être nulle) de la quantité sur laquelle on effectue le bilan dans les limites définies du système (Figure 2.1).

Entrée + Création - Sortie - Destruction = Accumulation

Figure 2.1 – Illustration de l’équation bilan.

Le bilan matière permet d’estimer la productivité et le rendement de l’opération, envisagé ou non des recyclages, dimensionner les appareils à partir des productions souhaitées.

Le bilan d’enthalpie ou bilan thermique permet d’évaluer le coût énergétique de l’opération, choisir le procédé le mieux adapté et dimensionner les surfaces d’échange nécessaires.

2.5 Étage théorique

Dans le cas d’opérations unitaires de séparation, l’organe élémentaire d’échange est l’« étage » ou

« plateau», élément technologique fondamental qui a pour fonction de mettre en contact les phases afin de provoquer des transferts de matière, de les mélanger initialement jusqu’à l’obtention d’un état proche de l’équilibre (Figure 2.2).

Figure 2.2 – Représentation schématique d’un étage.

Le fonctionnement réel des étages est très complexe. On l’approche cependant avec une précision acceptable par le modèle de étage théorique ou idéal, offrant ainsi une efficacité de 100 %.

Un étage idéal assure deux fonctions essentielles :

– les phases effluentes sont en équilibre thermodynamique ;

– la séparation physique (désengagement) des deux phases effluentes est parfaite, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’entraînement mécanique d’une phase dans l’autre.

L’intérêt fondamental de ce modèle est de donner la possibilité de dimensionner un appareil sans avoir recours ni à des données cinétiques (équilibre thermodynamique atteint), ni à des données relatives aux écoulements : l’absence d’entraînement ainsi que de transport de matière entre les étages permet de donner aux relations de bilan interétage (relations opératoires) une forme particulièrement simple.

Ses inconvénients sont liés aux hypothèses ; on détermine un nombre d’étages idéaux mais, de par la nature du modèle, on ne peut donner aucune indication sur les points suivants :

– relation entre le nombre d’étages théoriques et le nombre d’étages réels ;

– dimensionnement des étages réels.

Ces points ne peuvent être précisés qu’en recourant soit aux règles de l’art, soit à des modèles moins simples (cas des opérations compartimentées non idéales).

Toutefois, appuyé sur l’extrapolation raisonnée des installations existantes, ce modèle permet une estimation souvent précise du dimensionnement des appareils à compartiments séparés. Il est universellement employé

pour les études d’avant-projet.

Un étage, même parfait, assure rarement à lui seul l’enrichissement désiré. Pour cette raison, habituellement, une série d’étages est employée, la variation de concentration étant d’autant plus importante que le nombre d’étages est plus élevé.

Schéma de procédé

Un schéma de procédé (process flow diagram ou PFD en anglais) est un diagramme utilisé en ingénierie (génie chimique, systèmes de transport, etc.) pour décrire les flux de matières et les équipements principaux d'un procédé. Seuls les équipements en contact direct avec les produits chimiques ainsi que les moyens de transport de ceux-ci (pompes, tuyaux,...) sont représentés.

Fig.1: Principe de désulfuration du gaz naturel

En principe, on trouve les éléments suivants sur un schéma de procédé :

· les équipements principaux ;

· la dénomination des équipements ;

· les flux entrant et sortant avec leurs débits et dénominations ;

· les caractéristiques opératoires.

On peut ajouter également les informations suivantes :

· la dénomination et débit des flux internes ;

· les vannes essentielles ;

· les positions et les types de mesure pour le contrôle directement lié au procédé ;

· les informations particulières sur les conditions opératoires ;

· les caractéristiques des équipements ;

· la hauteur des étages et la position verticale relative des équipements.

Des informations supplémentaires classeraient ce type de schéma dans la classe des schémas de tuyauterie et instrumentation.

L’élaboration du schéma procédé constitue un travail majeur et incontournable avant de prendre la décision d’investir dans une unité de production à échelle industrielle.

Quatre opérations doivent être menées en parallèle, de la vision globale à la conception des détails, de manière à converger vers une solution industrielle fiable et compétitive :

— choisir les équipements ;

— définir le principe de leur fonctionnement ;

— les dimensionner ;

— estimer les coûts, analyser les risques.