Genie Des Procédés

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DEUG Sciences & Technologie Introduction au Génie des Procédés Didier GEIGER Introduction

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Présentation sur génie des procédés

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DEUG Sciences & Technologie

Introductionau Génie des Procédés

Didier GEIGERIntroduction

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Génie des Procédés

Génie des procédés (1)

Science de l’ingénieur ayant pour objet:

• de concevoir,• de calculer,• de faire fonctionner,

à l’échelle industrielle, l’appareillage dans lequel s’effectuent des transformations physiques, chimiques, ou biologiques.

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Génie des Procédés

Génie des procédés (2)

Ensemble des opérationsmettant en œuvre des transformations

• physiques,• chimiques, • ou biochimiques,permettant de préparer un (ou des ) produit(s)à partir de matières disponibles…

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Génie des Procédés

Génie des procédés (3)

Géniedes procédés

Chimie

Biologie

Mécanique

Physique

Energétique

Agro-alimentaire

Biomédical

Chimie

Pétrochimie

Pharmacie

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Génie des Procédés

Génie des procédés (4)

• Concevoir le procédé de fabricationet donc définir une suitede diverses opérations unitaires,

• choisir le(s) réacteur(s),

• optimiser les diverses étapes successives(rendements énergétique, économique…),

• envisager son contrôle et sa commande.

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Génie des Procédés

Génie des procédés (5)

Matières premières

Produit principal

Opérations unitaires:préparation des réactifs

Opérations unitaires:séparation des mélanges

REACTEUR

Co-produits

Matières premières

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Génie des Procédés

Les bases scientifiques du génie des procédés

• Lois d’équilibre entre phases

• Analyse fonctionnelle des procédés

• Cinétiques de transfert

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Génie des Procédés

Lois d’équilibre entre phases (1)

La connaissance des lois d’équilibre entre phases,par une analyse thermodynamique du systèmeou, plus simplement, par une série d’expériences,est fondamentale pour savoir si une séparation est possible ou non.

L’examen des courbes d’équilibre permet d’apprécierà priori si l’opération unitaire envisagéesera plus ou moins difficile à réaliser.

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Génie des Procédés

Lois d’équilibre entre phases (2)

Les lois d’équilibre entre phases sont tirées des principes de la thermodynamique des solutions,notamment par l’application du deuxième principe,en écrivant, pour les phases en présence,l’égalité des potentiels chimiques de chaque constituant (conditions d’un équilibre stable).

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Génie des Procédés

Analyse fonctionnelle des procédés

Le génie des procédés s’intéresse principalement aux bilans matière et énergie fondés sur le premier principe de la thermodynamique :

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...).

( ) ( ) ( )entrées sorties accumulations transformations− = +∑ ∑ ∑

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Génie des Procédés

Cinétiques de transfert

On distingue fondamentalement deux types de cinétiques :

• la cinétique chimique, qui étudie les vitesses de transformation de la matière par voie réactionnelle,

• la cinétique physique, qui concerne les transferts par diffusion (moléculaire ou turbulente).

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Génie des Procédés

Cinétique chimique

• Schéma réactionnel

• Cinétique de réaction

...a b c x y z+ + + → + +A B C X Y Z

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]1...

dk

x dtα β γ=

X A B C

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Génie des Procédés

Cinétique physique

• Loi de Newton(transferts de quantité de mouvement)

• Loi de Fourier(transferts de chaleur)

• Loi de Fick(transferts de matière)

Ce sont des lois du premier ordre de la forme :

,

( )grandeur dansla direction x

potentiel lié àx

∂Φ =−∆

∂qq

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Génie des Procédés

Les bases techniques du génie des procédés (1)

Le principe fondamental de toute opération de transformation de la matière est toujours le même.

Il consiste :• à préparer les courants contenant les produits de base

en réalisant un contact intime des phases en présence ;• à permettre que se développent des réactions

et des transferts de matière et de chaleur,sous les différences de potentiel adéquates ;

• à séparer les phaseset les constituants du mélange résultant.

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Génie des Procédés

Les bases techniques du génie des procédés (2)

Tout procédé se résume ainsià un ensemble d’opérations unitaireset de réacteursqui font appelà des technologies différentespour assurer les échanges.

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Génie des Procédés

Opérations unitaires

Cristallisation fractionnéeLyophilisationCryo-concentration

Adsorption en phase vapeurEchanges d’ionsChromatographie en phase gazeuseSéchage des solides

Asdorption en phase liquideEchanges d’ionsChromatographie en phase liquide

Transferts de matière entre phases fluideset phases solides

DistillationRectificationEvaporationSéchage des liquides

AbsorptionEntraînementDésorption

Interposition d’une membrane: dialyse, ultrafiltration, osmose inverse, perméationgazeuseContact direct: extraction par liquide non miscible

Transferts de matière entre phases fluides

Systèmes non isothermes : transferts

avec changement d’état

Systèmes mixtes : transferts en phase

gazeuse

Systèmes isothermes : transferts en phase

liquide

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Génie des Procédés

Le réacteur (1)

Les réacteurs sont les appareils qui, au cœur d’une unité de transformation industrielle de la matière, sont destinés à permettre à une réaction chimique ou biochimique de s’accomplir.

Ils peuvent être classés:• en fonction du mode ou des techniques de mise en

contact de phases utilisés (réacteurs en lit fluidisé, réacteur tubulaire par exemple)

• ou de la nature des phases en présence (réacteurs homogènes ou réacteurs hétérogènes).

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Génie des Procédés

Le réacteur (2)

Il est commode de différencier les appareils suivant le mode d’alimentation :

• alimentation par charges discontinues (« batch », « semi-batch »), qui offre l’avantage de permettre un traitement uniforme de la matière, mais qui implique un suivi permanent de l’opération selon un programme préétabli ; ce type d’appareil a la faveur des industriels pour les opérations jugées très délicates (bioréacteurs);

• alimentation continue et soutirage correspondant ; cette solution est en général préconisée pour bénéficier des avantages du régime permanent et d’une assistance moindre.

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Génie des Procédés

Techniques de mise en contact de phases

Mélangeurs de pâtes et de solides, cuves agitées,

Système dynamique avec mélange complet entre phases

Fluidisation multi-phases,transport pneumatique ou hydraulique

Système intermédiaire, avec mélange limité

Colonne à dispersion, colonne à parois mouillées

Système avec écoulement de phases

Colonne à garnissage, à couche fixe, à plateaux

Système avec phase statique et phase(s) dynamiques

Frittage, agglomérationSystème statique complet

TechnologieDescriptif du système

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Génie des Procédés

Techniques de transformation de l’énergie

Pompes, ventilateurs, compresseursÉnergie mécaniqueTransferts d’énergie

mécanique

Évaporateurs, condenseursÉnergie thermique avec changement d’étatthermique entre phases

Échangeurs de chaleurÉnergie thermique sans changement d’étatTransferts d’énergie

Dispositifs à frictionÉnergie mécaniqueénergie thermique

Fours électriques et électromagnétiquesÉnergie électriquesource d’énergie en

Chaudières, fours à combustionÉnergie chimiqueDégradation d’une

Machines frigorifiques, thermiques, pompes à chaleur

Énergie mécanique et thermique

Conversion réciproque de diverses formes d’énergie

ExemplesNature de l’énergieDispositifs

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Génie des Procédés

Exemple d’étage

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Génie des Procédés

Exemples de réacteurs

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Génie des Procédés

Exemples de réacteurs

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Génie des Procédés

Exemples de réacteurs

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Génie des Procédés

Distillateur

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Génie des Procédés

Distillateur à compresseur

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Génie des Procédés

Colonne à plateaux

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Génie des Procédés

Colonne à distillation continue

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Génie des Procédés

Osmose inverse

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Génie des Procédés

Dessalement par osmose inverse

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Génie des Procédés

Principed’une raffinerie simple

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Génie des Procédés

Carbochimie

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Génie des Procédés

Rein artificiel