Diogo Rôsembergh DA SILVA NOBREGA

Karen FILIPPO REISZEL PEREIRA

2A GPI Groupe 3

Département Génie des Procédés et Informatique 2ème année

TD LONG Dynamique de Procédés:

PROCEDES DISCONTINUS -

SYNTHÈSE DU THYMOL

2010 - 2011

Sommaire

1. INTRODUCTION ........................................................................................................................................... 3

2. REACTION .................................................................................................................................................... 3

2.1. Données : ............................................................................................................................................. 3

2.2. Résultats .............................................................................................................................................. 4

2.3. Diagramme de Gantt ........................................................................................................................... 5

3. DISTILLATION ............................................................................................................................................... 6

3.1. Mode operatoire de la colonne ........................................................................................................... 6

3.2. Etude de Faisabilités: ........................................................................................................................... 7

3.3. Etapes réalisées: .................................................................................................................................. 7

4. Conclusion ................................................................................................................................................. 10

1. INTRODUCTION

Ce TD Long a comme objectif l’optimisation de la réaction de synthèse du thymol, ainsi que sa

purification pour une distillation batch. Tout d’abord, un étude de la réaction sera fait pour trouver les

conditions optimales de fonctionnement du réacteur. Ensuite, l’étude optimale continue sur le processus de

distillation, en jouant avec les taux de reflux dans les différents étapes. Finalement, les procédés seront mis

sur la forme de diagramme de Gantt.

2. REACTION

Cette première partie s´agit d’étudier l'influence des paramètres de fonctionnement du réacteur sur

le temps de réaction pour obtenir la même quantité final de thymol. A partir de ça, établir un diagramme de

Gantt complet pour l'optimum trouvé. La température et l'alimentation de propylène ont été variés pour

vérifier leur influence.

2.1. Données :

Cinétique :

• Les contantes de vitesse et les énergies d’activation ont été trouvés experimentalement à

travers de 2 essais à 15 et 35 °C.

Données géometriques du réacteur :

• En acier vitrifié de 1.3 m de diamètre, avec fond torisphérique de grand rayon 1.3 m et de petit

rayon 0.13m ;

• 13 mm de paroi d’inox (conductivité thermique 52.25 W/m.K) ;

• 1.5 mm de vitrification (conductivité thermique de 1.161 W/m.K) ;

• Demi-coquilles disposées sur 1.7 m de hauteur, 4 cm de rayon interne pour les demi-coquilles, 3

cm d’hauteur interne, espacement entre axe de 10 cm ;

• Fluide auxiliaire : eu de refroidissement disponible à 16°C. Le debit maximum admissible dans les

coquilles est de 2200 kg/h ;

• Pour l’agitation, impellet mono bloc à 3 pales en acier vitrifié de 0.9m de diamètre, 60 tr/min,

disposé a 30 cm du fond.

Mode opératoire :

• Pression de 12 atm ;

• Charge initiale de 1486 kg à 25°C , avec 98% de m-cresol et 2% de propylène ;

• Alimentation du réacteur en continu pendant 10 heures avec un débit de propylène pur de 39

kg/h à 25°C.

2.2. Résultats

L’objectif de production a été attendu et on peut le confirmer à travers le tableau ci-dessous que

contient les résultats obtenues à partir de la simulation :

Tableau 1

Produit Comp.

Massique %

Masse en

kg

m-cresol 26,62 499,39

Thymol 23,948 449,26

3MP2 18,472 346,53

3M5P 2,235 41,93

3M4P 26,199 491,49

Propylène 2,525 47,37

TOTAL 100 1876

On peut remarquer à travers le graphes au dessous que le débit d’utilité ne dépasse pas la quantité

maximale de 1300 kg/h.

Graphique 1

Le tableau au dessous présente les valeurs obtenues pour l’étude de l’influence de la température

dans le temps de réaction :

Tableau 2

Température

de réaction

Temps

Global

Débit

d'utilité

maximum

15 53h51m09s 3500

25 40h 790

35 37h02m02s 545

45 62h 435

On remarque que en températures plus baisses il faut un grand débit d’utilité pour maintenir la

température de réaction, ce qui dépasse le débit maximal de 1300 kg/h. Aussi, pour les températures plus

hauts, le taux de réaction augment plus que le désirable. On a observé aussi dans la simulation que la

production de thymol à 45 °C n’arrive pas à notre objectif de 449.24 kg, donc le temps représenté dans le

tableau représente la production maximale possible à cette température (434.85 kg) .

Tableau 3

Débit

d'alimentation

Temps

Global

Temps de

réaction

Débit

d'utilité

maximum

20 45h17m47s 25h47m38s 480

30 41h35m01s 28h34m55s 650

39 40h 30h 790

50 38h57m49s 31h09m51s 950

60 38h17m45s 31h37m44s 1100

En observant le tableau ci-dessus, on conclu que au fur et à mesure qu’on augment le débit

d’alimentation le temps global de procédés n’a pas une diminution considérable (sauf la différence entre les

extrêmes de débits) une fois que le temps de charge est compensé par le temps de l’étape de réaction.

2.3. Diagramme de Gantt

Charge

Réaction

0 6h30m 35h12m46s

Ce diagramme de Gantt représente le procèdes optimale avec une température de réaction 35 °C et

débit d’alimentation de 60 kg/h. Le processus a été terminé quand la masse désirée a été obtenue.

3. DISTILLATION

Pour la distillation, on doit optimiser le temps de fonctionnement pour chaque objectif de

production. En plus, on fera un étude de faisabilité, on expliquera la démarche conduisant à l'optimum

trouvé en décrivant les étapes opératoires choisies et les résultats obtenus. Puis, on va établir un diagramme

de Gantt complet.

3.1. Mode operatoire de la colonne

Charge initiale : 1778 kg a 25°C

Composition : m-cresol 26,48%

thymol 24,74%

3M2P 19,28%

3M5P 2,21%

3M4P 27,29%

Modèle Thermodynamique : Idéal

Colonne :

56 étages théoriques (bouilleur et condenseur total compris)

Retenue sur chaque étages : 4l

Retenue au condenseur : 5l

Pression opératoires : 40mmHg

Perte de charge : 10mmHg

Condenseur : Idéal, total, non sous refroidi

Bouilleur :

Cuve de 1,2 m de diamètre a fond troposphérique de grand rayon 1,2m et de petit rayon 0,12m

Paroi en acier inox 304 de 10mm d’épaisseur (conductivité thermique 19W/m.K)

Double enveloppe chicanée en spiral disposée sur 1,7m de hauteur, d’épaisseur 2,5cm, chicanes

espacées de 10cm

Serpentin en hélice en acier inox 304 (conductivité thermique 19W/m.K) de 1,4m de hauteur, 1m de

diamètre, spires espacées de 10cm, tubes de 5,08cm de diamètre interne et de 2,77mm d’épaisseur,

placées a 30cm du fond.

Fluide auxiliaire : Gilotherme DO a 300°C, débit de 420 kg/h double enveloppe et de 1300 kg/h dans

le serpentin.

Objectif 1 : Récupérer au moins 450 kg d’une coupe de m-Crésol dont la pureté sera de 99,9%. Produire au

moins 400 kg d'une coupe de thymol dont la pureté sera de 80% massique.

Objectif 2 : Récupérer au moins 450 kg d’une coupe de m-Crésol dont la pureté sera de 99,9%. Produire au

moins 400 kg d'une coupe de thymol dont la pureté sera de 87,5% massique

3.2. Etude de Faisabilités:

Graphique 2

On remarque que le m-Crésol et le Thymol sortent à des temps distincts, d’où on voit qu’il sera

effectivement possible de les séparer. Cependant il faut noter que le 3M2P sort entre les deux espèces à

récupérer, donc constituera une étape intermédiaire.

On utilisera le reflux pour optimiser la séparation, sachant qu’à des valeurs élevées de reflux nous

obtenons une meilleure pureté au détriment du temps opératoire et du débit de distillat.

3.3. Etapes réalisées:

Remplissage :

On a ajoutée 1778 kg d'un mélange qui contient les composants de la dernière étape. Au même

temps que ça, il a eu une préchauffage du mélange, avec une durée de 46'30''.La remplissage a été la même

pour les 2 objectifs travaillés.

Reflux infini :

Pour charger la colonne et aussi atteindre l’équilibre, on a mise en marche la colonne à reflux infini.

Comme ça, tout la colonne a été rempli par m-crésol afin de le séparer le mieux. Le régime permanent a été

obtenu après 1.47 h après le début de la simulation, aussi pour les 2 objectifs.

Reflux fini :

Cette partie constitue l'étape de séparation des composants afin d’exécuter les objectifs fixées. Au

début, on a décidé de mettre 1 comme reflux initial (DIST1) et quand la composition du distillat attend une

valeur inférieure a 0,999, on a modifier la valeur du reflux par 10 (DIST2), jusqu'au moment qui la

composition dans le bac arrive a 0,999. A ce moment la, on a bien séparé 450kg de m-crésol avec une pureté

de 99,9%.

Ensuite, on a commence une deuxième distillation intermédiaire (INTER1) parce que le composant

3M2P a une volatilité plus grand que le prochain objectif, le thymol. De cette manière, il faut retirer le

maximum possible de 3M2P de façon a maintenir le maximum de thymol dans la colonne. Pour ça, on a

choisit un reflux de 20 en finissant l’étape quand la composition du distillat arrive a 50% de 3M2P. Cet-à-

dire, ça c’est la composition critique pour que une grande quantité de thymol ne soit pas récupérer dans ce

bac et que ne reste pas trop de 3M2P dedans la colonne afin de atteindre la deuxième partie de ce objectif.

La deuxième partie de ce objectif s'agit de obtenir au moins 450kg de thymol a 80% massique de

pureté. Pour ça, on a utilise trois étapes de distillation où la première (DIST3) fonctionne avec un reflux de 5

ayant comme événement de fin d’étape de 0,85 de concentration massique en thymol au distillat. Cette

valeur a été choisi parce qu'il se tenait devant le pic de concentration de thymol dans cette courant et donc

on a varié le reflux seulement après la séparation maximale de thymol, cet-à-dire, avoir un événement de fin

d’etape (DIST4) de 0.8 de concentration massique au distillat.

Pour finaliser la distillation, on attend que la composition de thymol dans le bac arrive à 0.8 (DIST5).

Le tableau qui contient tous les événements d’arrêt est présenté ci-dessous :

Tableau 4

Etapes Tempo Reflux Evénements d’arrêt

Critères Valeurs Faire

Remp 46m30s

Reflux 41m41s infinit temps écoulé depuis le début de la simulation = 1,47h Dist1

Dist1 46m40s 1 fraction massique de m-crèsol au distillat < 0,999 Dist2

Dist2 1h55m56s 10 fraction massique de m-crèsol au distillat = 0,999 Inter1

Inter1 8h43m06s 20 fraction massique de 3M2P au distillat < 0,500 Dist3

Dist3 1h25m30s 5 fraction massique de thymol au distillat = 0,850 Dist4

Dist4 2h21m25s 5 fraction massique de thymol au distillat < 0,800 Dist5

Dist5 51m42s 7 fraction massique de thymol dans le bac = 0,800 Arrêter

Diagramme de Gantt pour le premier objectif

Remp

Reflux

Dist1

Dist2

Inter1

Dist3

Dist4

Dist5

Graphique 3

Deuxième objectif

Pour le deuxième objectif , il a été utilisé la même stratégie de séparation pour le m-crésol et au

niveau du thymol on a augmenté le reflux de l’étape intermédiaire (INTER1) afin de atteindre une pureté

plus grande dans la deuxième phase de distillation (DIST3, DIST4 et DIST5) . Dans le tableau ci-dessous, les

valeurs des reflux et des événements d’arrêt sont présentes :

Etapes Tempo Reflux Evénements d’arrêt

Critères Valeurs Faire

Remp 46m30s

Reflux 41m41s infini temps écoulé depuis le début de la simulation = 1,47h Dist1

Dist1 46m40s 1 fraction massique de m-crésol au distillat < 0,999 Dist2

Dist2 01h55m57s 10 fraction massique de m-crésol au distillat = 0,999 Inter1

Inter1 15h12m24s 35 fraction massique de 3M2P au distillat < 0,500 Dist3

Dist3 09m03s 0,5 fraction massique de thymol au distillat > 0,850 Dist4

Dist4 04h38m11s 8 fraction massique de thymol au distillat < 0,950 Dist5

Dist5 01h44m17s 11 fraction massique de thymol dans le bac = 0,875 Arrêter

Total 25h54m46s

Diagramme de Gantt pour l’objectif 2

Remp

Reflux

Dist1

Dist2

Inter1

Dist3

Dist4

Dist5

Graphique 4

4. Conclusion

A travers ce TD Long, il a été possible d’observer l’influence des paramètres opératoires dans les procédés

discontinus comme la réaction et la distillation, sujets de ce travail basé sur la synthèse du thymol. Avec le

premier processus on a conclu que la température a un rôle clé dans la quantité et dans le temps de

production, étant établi dedans une range de valeurs opératoires. Dans la deuxième cas, on a conclu que les

baisses valeurs de reflux peut être utilisées pour gagne du temps aux moments où la pureté c’est pas le

critère le plus important. Après, l’utilisation du diagramme de Gantt a été essentiel pour l’identification des

étapes qui demandaient plus de temps pour être réalisées et donc optimiser le procédés au niveau du temps

de durée. Tout cela va être des outils essentiels pour répondre à la profession de génie de procédés.