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INTRODUCTION Commençons avec la question fondamentale: Qu’est ce que le Génie d

INTRODUCTION Commençons avec la question fondamentale: Qu’est ce que le Génie des procédés? On peut trouver plusieurs définitions de Génie chimique et de son extention Génie des procédés. Par exemple, dans Le Petit Larousse Illustré de 1994 nous pouvons lire: - Génie n. m...III. 1. Ensemble des connaissanses et des techniques concernant la conception, la mis en œuvre et les applications des procédés, des dispositifs, des machines propres à un domain détérminé ◊Génie chimique. Ensemble des connaissances nécessaires pour installer une usine chimique ou optimiser la production. Pour concrétiser cette définition nous allons partir d’une liste des procédés de tansformation de la matière: 1) Traitement du Pétrole, du Bois, du Charbon; 2) Chimie – Sidérurgie – Métallurgie; 3) Textile – Pharmacie – Photographie; 4) Matériaux de construction – Ciment; 5) Céramique – Verres ; 6) Transformation des plastiques et des metaux ; 7) Agro-alimentaire, Vins, Bio-industries ; 8) Traitement des rejets, Traitement des eaux, Dépollution ; 9) Hydrologie ; 10) Industrie nucléaire ; 11) Informatique, micro-électronique. La question posée est suivante : Le Génie des procédés existe il comme une discipline scientifique indépendante. Certains répondent non à cette question. Ils argumentent cette réponse que pour résoudre les problèmes d’un procédé il suffit d’utiliser les connaissances issues des sciences classiques traditionnelles ( souvent dites fondamentales) comme la Physique, la Chimie, la Biologie, la Mathématique auxquelles on peut ajouter la Mécanique et la Thermique, ces dernières concidérées comme « appliquées ». C’est une argumentation qui est très simpliste, puisque l’objet d’une science pure est très éloigné de l’objet artificiel que représent un objet industriel. Ou autrement dit : Une science traditionnelle pure (fondamentale) 1 a comme objecif l’étude d’une structure naturelle existante , tandis qu’une science appliquée a comme objectif la création d’une nouvelle structure ayant une fonction définie a priori. On peut donner comme exemple l’Automatique, l’Informatique, la Biotechnologie etc. On peut donc ranger Génie des procédés dans cette famille de disciplines. Partant de ce point de vue on peut dire que : Le Génie des procédés est une discipline constituée par ensemble des connaissances relatives à la conception et mise en œuvre des procédés industriels de transformation de matière. Le Génie des procédés représente donc les résultats des science traditionnelles – Mathématique, Physique, Biologie , Economie etc. La methodologie du Génie des procédés peut être représenter par un ensemble des approches methodiques. Le Génie chimique classiques c’est développé dans les domaines de Pétrochimie et de l’Industrie chimique classique au début du 20ème siècle. Par exemple, en 1923 a été édité l’ouvrage « Priciple of Chemical Engneering ». Le Génie des procédés s’est étendu plus récemment à des secteurs industriels plus vastes tel aue biotechnologie, micro-électronique etc. Comme c’est dans le cas de la plupart des sciences appliquées, deux cause sont à l’origine du dévéloppement du Génie des Procédés ; 1) La demande extérieur du monde industriel liée au dévéloppement des secteurs industriels classiques et l’apparition des nouveaux secteurs comme, par exemple, la micro- électronique, l’aéronotique, etc. 2) La dialectique interne propre au développement de la discipline du à la dynamique du monde de la recherche . Essayons d’effectuer une revue brève des approche methodique du Génie des procédés en suivant la chronologie. Commençons d’abord avec la methodologie classique des Opérarions Unitaires (en anglais Unit Operations). C’est sur cette conception initiale que s’était dévéloppée au début des années vingt du 20ème siecle la discipline Chemical Engineering (Génie chimique). Chaque procédé de transformation de la matière est constitué d’une série des procédés élémentaires sucessifs : réactions chimiques ou biochimiques, séparations mécaniques par sédimentation, floculation ou filtration, séparation du produit final par un procédé du transfert de matière entre deux phases (absorption, extraction, rectification, ultrafiltration etc.). 2 On peut donc décomposer chaque procédé de la transformation de la matière en série des opérations élémentaires dites Opérarions Unitaires. Nous allons présenter une liste des principales Opérations Unitaires en Génie Chimique : 1) Opérations hydrodynamiques : - Trasport et manipulation des fluides; - Agitation, mélange. 2) Production de chaleur et de froid. 3) Opérations de transfert de chaleur. 4) Opérations de transfert de matière : a)Transfert de matière dans les systèmes gaz – liquide : - Vaporisation, condensation ; - Absorption, humidification ; - Distillation, rectification. b)Transfert de matière dans les systèmes liquide – solide : - Cristalisation, précipitation, dissolution ; - Fusion, solidification ; - Extraction, adsorption, pércolage, lavage. c)Transfert de matière dans les systèmes gaz – solide : - Adsorpton ; - Séchage, sublimation. d)Transfert de matière dans les systèmes constitués des deux liquide non miscibles : - Extraction liquide – liquide. 5) Opérations sur solides divisés : - Broyage, sédimentation, flotation ; - Centrifugation ; - Fluidisation. 6) Opérations des transformations chimiques : - Réactions chimiques de volume, réactions chimiques de surface ; - Craquage, polymérisation, modification. C’est l’étude de ces opérations unitaites, indépendemment des procédés dont ils font partie, que faisait l’objet du Génie chimique nouveau-né pendant des années trente, quarante et cinquante du vingtème siecle. Ces études étaient fondées sur une base semie-empirique des présentations simplistes de dépendance physiques, sur Analyse dimensionnelle 3 classique et sur les Bilans de matière, quantité de mouvement et d’ énergie. Le dévéloppement rapide du Génie chimique après la Seconde guerre mondiale a exigé une analyse des procédés plus profonde. Une approche unifiée d’étude des phénomènes de transfert de quantité de mouvement, de la chaleur et de la matière sur une base mathématique commune est apparu. Cette methodologie appelée Les phénomènes du transfert a été dévéloppée pour la première fois d’une manière systématique en 1960 par Bird, Lightfoot et Stewart dans leur ouvrage « Transport Phenomena ». Pendant les années sinquante du vingtième siecle une methodologie unifié pour le design des différents procédés de transfert de la matière est apparue – Les procédés de séparation. Cette méthodologie est basée sur la notion du Nombre d’Unité de Transfert (NUT) et de la Hauteur d’Unité de Tansfer (HUT) . Une analogie entre le transfert de matière et le transfert de chaleur peut être dévéloppée. Cette analogie est exprimée par l’expression suivante : NUE Lf NUT Lf Sc NUT T T D D   3 2 3 2 Pr . . D Lf et T Lf étant les rendement , NUE le nombre de dégradation de la matière. La longeur d’échange s’exprime alors par : HUT NUT L .  Pour certain procédés de séparation fondés sur un équilibre entre deux phases on utilise la conception de Nombre d’étage d’équilibre théorique ou Nombre des plateaux théoriques ( NPT) et de Hauteur equivalente au plateau théorique (HEPT). Une methode très puissante d’analyse des procédés qui s’est rapidement dévéloppée dans trois dernières décénie est la Modélisation mathématique. En général on distingue deux groupes des modèles : - Les modèles analytiques détaillés - Les modèles fondés sur l’approche systémique Le premier groupe est basé sur les bilans de quantité de mouvement, d’énergie thermique et de matière effectués sur un volume de contrôle dont les dimensions et la position dans l’appareil sont choisi d’une 4 manière arbitraire. Le second groupe des modèles est fondé sur l’Approche systémique des procédés. Le caractère très complexe de certains procédés exclus application des modèles analytiques détaillés. Cette approche est fondée sur la conception de boite noire. C’est à dire qu’on considère le système comme une boite noire, en ne s’intéressant qu’à ses entrées et à ses sortie et en ignorant le mécanisme des procédés s’effectuant à l’intérieur. En général, il est difficile de tracer une ligne de démarcation nette ente deux groupes des modèles. On peut même dire que cette ligne de démarcation depend du point de vue. Par exemple, de point de vue de la théorie de statistique moléculaire, chaque modèle issue de l’analyse fondées sur l’hypothèse du milieu continue peut être considéré comme une boite noire. Une partie très importante du travail d’ingénieur en Génie des Procédés est la recherche des conditions optimales d’un procédé du point de vue de la consommation d’énergie et des coûts de production. On peut donc parler d’Optimisation énergétique et technico-économique comme une des approches méthodiques du Génie des Procédés. CHAPITRE 1 Notions de base Dans ce chapitre nous définirons par des exemples simples les principales approches méthodiques du Génie des procédes. Nous allons commencer par présentation de la base théorique du Génie chimique – phénomènes de transfert en prenant trois exemples pour chacun des trois types de transfert : - Transfert de quantité de mouvement; - Transfert de chaleur; - Transfert de matière. Faisons d’abord un rappel des variables de base utilisées en Génie chimique. Pour analyser un phénomène de transfert il faut choisir à quelle échelle de l’espace on va suivre son dévéloppement. Si on est à l’échelle microscopique (aspect moléculaire), il faut fonder l’analyse sur la théorie de Boltzmann de la cinétique moléculaire. 5 Si, par contre, on examine le phénomène à l’échelle macroscopique, il faut utiliser l’hypothèse du milieu continue. En Génie chimique classique toutes les analyses des Phénomènes de transfert sont fondées sur l’hypothèse du milieu continue, tandis que certains procédés du Génie uploads/Industriel/ chapitre.pdf