Analyse des procds industrielsUn procd industriel est lensemble des oprations ncessaires pour modifier les entres en sorties en subissant des transformations chimiques et physiques par change dnergie.

Entres

Alimentation

Procds industriels

Produits

Sorties

Energie1

Classification des procdsIl y a 3 types:I. Procds discontinus ou procds batch: Toute la charge est introduite dans le procd Aucune masse nest introduite ou soutire du procd durant lopration Sont utiliss pour des chelles petites de production Opre en rgime stationnaire.

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II. Procd continu

Input et output sont introduites et soutires dune faon continue de procd Opre en rgime stationnaire Sont utiliss pour des chelles grandes de productionIII. Procd Semibatch

ni batch ni continu Durant le processus une partie de ractant peut tre introduite ou une partie de produit peut tre soutire du procd3

2 types dtudes de procds 1. Rgime stationnaire (Steady state) 2.

Toutes les variables (i.e. temperatures, pressure, volume, dbits, etc) ne change pas avec le temps. Des petites fluctuations peuvent tre accptable

Dynamique ou rgime transitoire Unsteady state Les variables du procd changent avec le temps.

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Comment le developer?Il faut dfinir:Le diagramme des flux de procds Le schma du procd ou le flowsheet Le descriptif de fonctionnement du procd.

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Analyse des procds industriels? Equations entre entres et sorties de chaque unit du procd ou du procd entier.

3 types de modles: Modles statistiques empiriques ou semi-empiriques: dvelopps par ajustement de donnes exprimentales en mettant en ouvre les techniques de lanalyse statistique.

Modles physico-chimiques: bass sur les lois de transferts et de conservation de matire, dnergie et la quantit de mouvement. Modles de population: obtenus laide de bilans de population et mettant en uvre les fonctions de distributions.6

Diagramme des flux de procdsZone d alimentation Zone ractionnelle

Zone de sparation-purification

Zone de traitement

Sous-produits

Ractifs

Racteur

Sparations

Rejets

Produit principal

Mise en forme7

Diagramme des flux de procds plus labor

Prchauffage ? T Ractifs P

Recyclage ? Racteur T, P ?

Purge ?

Sparation 1 T, P Traitement

Purification ?

Recyclage ? T, P

Sparation 2

...

Rejets

Sous-produitsValorisables ?

Produit principal

Mise en forme8

Schma du procd ou FlowsheetCaractristiques Reprsentation graphique et disposition des matriels utiliss Sens de circulation des fluides Matires premires, produits obtenus conditions de fonctionnement du procd : temprature, pression

Schma de procd : 1re concrtisation du dispositif exprimental Passage schma de procd Plan technologique

Ralisation industrielle

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Schma du procd ou Flowsheet

Symboles utiliss

. . . .. .. . . . . . . . . . ..Racteur agit Racteur lit fixe Racteur Rgnrateur tubulaire de catalyseur Racteur lit fixe

. . . .. .. . . . . ..

Tour de polymrisation

DISPOSITIFS DE SEPARATION

Filtre

Dispositif dvaporation

Dcanteur

Sparateur gaz-liquide

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Schma du procd ou Flowsheet

Centrifugeuse Dispositif de Essoreuse dpoussirage

Cyclone

Schoir rotatif

Filtre gravier

Colonne de lavage Colonne de schage

Colonne de distillation plateaux

Colonne de distillation garnissage11

Schma du procd ou Flowsheet

Colonne dextraction

Colonne de trempe

Colonne de strippage

DISPOSITIFS DE STOCKAGE

Rservoir sous pression

Rservoir ouvert

Rservoir Rservoir Rservoir Rservoir ferm ferm de stockage toit flottant sphrique

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Schma du procd ou Flowsheet DISPOSITIFS DECHANGE THERMIQUE

Chauffeur

Surchauffeur lectrique

Four tubulaire

Four

Four chaux

Chaudire vapeur

Chaudire Condenseur cuire sous vide

Echangeur chauffant

Rcuprateur de chaleur

Echangeur rfrigrant

Vaporiseur

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Schma du procd ou Flowsheet

Agitateur-mlangeur

Pompe

Pompe vide

Compresseur Vanne de dtente

Circulateur dair

Turbine de dtente

Malaxeur

Tuyre

INDICATIONS PARTICULIERES

Mlangeur des fluides

Diviseur des fluides

Mlangeur statique14

Exemple: Description du procd (oxydation partielle du mthanol) Matires premires : mthanol et oxygne (eau) Catalyseur : base dargent Taux de conversion voisin de 90 % Sous-produits : CO2, CO,CH3OH + 1,5 O2CH2O + O2 CH2O CH2O + 0,5 O2

CO2 + 2 H2OCO2 + H2O CO + H2 CO + H2O

(+ CH4, HCOOH, HCOOCH3, CH3-O-CH3 si T mal matrise)

Solutions de formaldhyde corrosives -> appareillages en acier inoxydable Le catalyseur (Ag) volue au cours du temps -> rgnrationDure de vie : quelques mois15

Schma par blocsGaz CH4, CO, CO2, H2 O2 ? Eau

Mthanol Air

Racteur

Sparations

Solution 50 % de formaldhyde

Vapeur deau

CH3OH H2O HCHO CO CO2 H2 O2 ? CH4 (HCOOH HCOOCH3 CH3-O-CH3)

Mthanol

?

HCOOH HCOOCH3 CH3-O-CH3

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Schma par blocs dtaillGaz CH4, CO, CO2, H2 O2 ? T Vaporisation Air Vapeur deau T Eau

Mthanol

Mthanol

Racteur700 C

Sparation 1

Sparation 2

HCOOH HCOOCH3 CH3-O-CH3

Sparation 3 ?

Solution 50 % de formaldhyde

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Purge (incinration ) + recyclage

Flow-sheetEffluent gazeux Mthanol Eau

700 C MthanolAg

Air

Vapeur deauRECYCLAGE

Solution 50 % de formaldhyde

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Analyse Statistique des procds industriels Classification des variables du procd.

Variables dentresLanalyse peut se faire:

Procd

Variables de sorties

pour chaque opration unitaire du procd;

ou en considrant le procd comme boite noire.

Exprimer les variables de sorties en fonction des variables dentres

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Modle empiriqueIl scrit sous la forme: Avec: Y une variable de sortie au point exprimental i X0i, X1i,, Xmi sont des variables dentre ou leur combinaisons Soit n le nombre du point exprimental collect dun procd.

Y(1)= a0 x01+ a1 x11 +a2 x21 +a3 x31 ++am xm1 Y(2)= a0 x02+ a1 x12 +a2 x22 +a3 x32 ++am xm2:

Y(n)= a0 x0n+ a1 x1n +a2 x2n +a3 x3n ++am xmn

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Forme matricielleOn peut crire le systme dquations prcdent sous forme matricielle: Y=X A avec

y1 y2 Y . . yn

x 01 x 11 x 21 .......... .......x m1 x 02 x 12 x 22 .......... .......x m2 X . . x 0n x 1n x 2n .......... .......x mnA

a1 a2 . . am

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Estimation des coefficientsMthode des moindres carrs:

Analyse par sensibilit paramtrique.

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Remarque: Il faut utiliser des variables dentres pondres Procder lanalyse en composante principale ACP pour le choix des facteurs significatifs

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Exemple 1:Une quation empirique des cots de fabrication d'changeurs de chaleur peut tre utilise pour prdire le cot d'un nouvel changeur de la mme classe avec les variables de conception diffrentes. Le cot est exprim sous forme dune quation linaire :O 1, 2 et 3 sont des constantes N=le nombre de tube A=laire de surface de la calandre Estimer les constantes 1, 2 et 3, en utilisant les donnes du tableau ci-contre.

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Rponse:

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26

Exemple 2:Dix points exprimentaux ont t considrs o la variable indpendante x est le pourcentage molaire d'un ractif et la variable dpendante y est le rendement (en pourcentage):

Dvelopper le modle empirique exprimant le rendement en fonction du pourcentage molaire en ractif et dterminer la valeur de x qui maximise le rendement.27

Rponse:

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Equations des bilansLquation gnrale des bilans matire (masse totale, masse dune espce), nergie et quantit de mouvement dun systme peut scrire sous la forme:

I

Flux dentre I Systme Flux de Sortie

Accumulation = Entre sortie + production consommation Si le systme est sans raction: Production = consommation = 0 Si en plus le systme est en rgime stationnaire: Accumulation = 0

Entre = Sortie

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Equations de conservation de matire et dnergie Bilan de matire global:

Bilan de matire partiel:

Bilan de lnergie totale:

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Exemple typique: Q ,i

Modlisation dun racteur cuve agit double enveloppe. Raction dordre n exothermique et irrversible : A k B

CAi Ti

Tw2

Tw1, Qw

Modle math. du racteur = Eqs de Bilans Matire et thermique. Eq. de bilan: Accumulation = entre sortie + production consommation

Qs, CAs Ts

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Eq. B. M. global autour de la cuve agite ( = cte):

Eq. B. M./ au constituant A autour de la cuve agite:

AvecEq. de bilan thermique autour de la cuve agite:

Eq. de bilan thermique autour de la double enveloppe:

t: variable indpendante V, CA, T, Tj, et Q : Variables dpendantes 4 qs 5 inconnus le degr de libert est gal 1.

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Rsolution de ce systme diffrentielIl faut disposer de : - Des valeurs des variables dentres: Qi, CAi, Ti, Tw - Des paramtres du modles tels que: - les proprits physiques; - les paramtres de cintique chimique - les paramtres thermochimiques - les paramtres gomtriques - les paramtres de transfert de chaleur.

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En rgime Stationnaire:Eq. B. M. global: Eq. B. M./ au constituant A:

Eq. de bilan thermique :

Remarque! Le bilan matire peut se faire sur la base des masses, des nombres de moles ou des molalits

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II) BILAN MATIRE EN RGIME STATIONNAIRE (Steady-state)

II.1) Stchiomtrie:

Le problme des bilan peut scrire pour chaque lment prsent dans la raction

Exemple:crire et quilibrer la raction de la fabrication du vinyle chlorure partir d'thylne, le chlore et l'oxygne.

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II.2) Choix des frontires du systme: Les quations des bilans sont valables pour le procd entier ou pour une partie du procd. Le choix des frontires dune subdivision du procd tudier. Les flux dentre et de sortie de cette frontire seront considrs dans les quations de bilans Les tapes effectues pour lapplication des qs. de bilans: 1) Essayer dcrire les quations des bilans autour du procd entier. 2) Slectionnez les volumes de contrle en divisant le procd en tapes simples et faire un bilan sur chaque tape sparment. 3) Slectionnez la frontire de manire rduire le nombre de courants inconnus le plus que possible. 4) Dans un premier temps, inclure tous les flux de recyclage dans les volumes de contrle.

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Exemple typiqueDans la section de prparation dalimentation d'une usine d'ammoniac, l'hydrogne est produit partir de mthane par un processus doxydation partielle. Un excs d'air est utilis dans cette opration pour avoir un rapport molaire 03:01 de l'hydrogne et d'azote dans l'alimentation de l'unit de fabrication d'ammoniac. Le mlange d'hydrogne et d'azote est chauff la temprature de raction et introduit dans un racteur lit fixe o la conversion de 20% des ractifs l'ammoniac est obtenu par passe. la sortie du racteur, le mlange est refroidi et l'ammoniac est limine par condensation. Le mlange qui n'a pas ragi hydrogne et en azote est recycl et mlang avec lalimentation. Sur la base de 100 kmol/s de lalimentation, crire les quations des bilans matire et dterminer les taux de production de l'ammoniac et de recyclage.

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Exemple typiqueLe diagramme montre les principales tapes dans un procd de production des polymres. D'aprs les donnes suivantes, calculer le flux pour un taux de production de 10.000 kg / h. Racteur, le rendement de polymre de 100 % Bouillie de polymrisation 20 % monomre/eau conversion 90 % catalyseur 1 kg/1000 kg monomre agent d'arrt court 0,5 kg/1000 kg de monomre non ragi Filtrer, l'eau de lavage 1 kg deau / 1 kg de polymre colonne de rcupration, le rendement de 98 %(% rcupr) Scheur, l'alimentation ~ 5 % d'eau Produit sch 0,5%H2O Les pertes en polymre dans le filtre et dans le scheur est 1%

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II.3) Nombre de composantes indpendantesLquation de bilan peut tre crite pour chaque espce: 1) Pour des systmes o il ny a pas de raction Nombre dquations indpendantes de bilans = Nombre despces chimiquesExemple : Cas de la production d'un acide nitration par mlange dune solution dacide nitrique 70% HNO3 et une autre dacide sulfurique de 98% en H2SO4. Le nombre d'espces chimiques distinctes est de 3, l'eau, l'acide sulfurique, acide nitrique.

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Exemple typiqueUne boue contenant 25 % en poids de matires solides est introduite dans un filtre. Le gteau de filtration contient 90 % de solides et le filtrat contient 1% de solides. Faire un bilan matire autour du filtre pour un taux d'alimentation en boues de 2000 kg / h (4400 lb / h). Pour ce taux d'alimentation, quels sont les dbits correspondants de gteau et de filtrat?

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2) Pour des systmes avec raction

Nombre dquations indpendantes de bilans = Nombre despces chimiques Nombre de ractions chimiques indpendantes

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Exemple typique:Si l'acide de nitration est prpar en utilisant l'olum (mlange de H2SO4/SO3/ H2O) la place de H2SO4 98%, il y aura quatre espces chimiques distinctes: l'acide sulfurique, le trioxyde de soufre, l'acide nitrique, de l'eau. SO3 ragit avec H2O produisant H2SO4 de manire avoir seulement trois espces chimiques indpendantes.

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Exemple typiqueLe gaz naturel qui est compos de 95% de mthane et de 5% d'azote (en volume) est brl dans un four avec un excs d'air de 15%. Quelle quantit d'air requise 289 K et 101,3 kPa pour faire la combustion de 10m3/s de carburant? Faire les bilans de matire global et partiel et calculer la quantit et la composition des gaz de combustion. Tous les gaz seront traits comme gaz parfait.

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II.4) Conversion et rendementDistinction entre la conversion et le rendementa) Conversion Conversion mesure la fraction du ractif qui ragit:

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ExempleDans le procd de production de C2H3Cl (VC) par pyrolyse de dichlorothane DCE la conversion dans le racteur est limite 55% pour rduire la formation de carbone qui peut dposer sur la paroi du racteur (phnomne dencrassement). Calculer la quantit de DCE ncessaire pour produire 500 kg/h de VC. Les masses molaires de: DCE est 99 kg/kmole VC est 62.5 kg/kmole

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b) Rendement Mesure la performance dun racteur ou dun procd. Pour un racteur le rendement est dfini par:

Facteur stoech. = le nombre de moles stoechimtrique du ractif requis par le nombre de mole du produit

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Rendement du procd est:

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Exemple:Dans le procd de production dthanol par hydrolyse dthylne, le dithylether est produit comme sous-produit. La composition du flux dalimentation est: 55% thylne, 5% inertes, 40% H2O. Celle du flux produit est 52,26% dthylne, 5,49% dEthanol, O,16% dther, 36,81% deau et 5,28% dinerte. Calculer le rendement dthanol produit de la raction dthylne.

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II. 5) Mthode algbrique gnraleSystme de NS flux et Nc espces chimiques dans chaque flux, NV variables:NV = N s x Nc Ne Eqs indpendantes des bilans matire, le nombre de variables, Nd, qui doit tre spcifi est donne par: Nd = (Ns x Nc) Ne

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On considre lexemple simple de mlangeur:

Fn est le dbit total dans le flux n, et xmn est la composition du constituant m dans le flux n. lq. gnrale de bilan matire scrit:

Lq. de bilan global:

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III) BILAN ENERGETIQUELnergie peut exister sous diffrentes formes, le bilan dnergie devient un peu complexe que le bilan matire.Lquation gnrale de bilan nergtique scrit:Energie Entre = Energie sortie + Energie Gnre Energie consomme Energie accumule Les ractions Chimiques sont endothermiques ou exothermiques !

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III-1) Forme dnergieIII.1.1) Energie potentielleEp = g zg: acclration gravitationnelle (9,81 m/s2) Z: position en m

III.1.2) Energie cintique

v est la vitesse en m/s52

III.1.3) Energie interneMouvement des molcules ou ces atomes: U = f(T)

III.1.4) Travail:F est la force en N, dx est la distance en m. Le travail du aux forces de Pressions: P en N/m2 ou Pa

III.1.5) Chaleur:Energie transfre sous forme de chaleur.

III.1.6) Energie lectrique:Doit tre tenue dans les qs de bilan nergtique.

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III-2) Equation de bilanEn rgime stationnaire, lquation de de bilan dnergie pour le systme de la figure ci-dessous scrit en tenant compte des diffrentes formes dnergie:

1 et 2 reprsentent l'entre et la sortie.54

Par dfinition: Si la contribution, des nergies cintique et potentiel, est ngligeable: W=0

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ExempleCalcul de dbit de la vapeur utilise dans le chauffage du bouilleur et celui de leau de refroidissement ncessaire pour la colonne de distillation prsente dans de la figure ci-dessous. Cette vapeur est disponible 25 psig (274 kN/m2). L'augmentation de la temprature de l'eau de refroidissement est limite 30 C. La colonne fonctionne sous une pression de 1 bar

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III-3) ENTHAPLIE SPCIFIQUELes proprits thermodynamiques standards des corps purs sont publies dans des ouvrages spcialises et sont donnes 25C. Lenthalpie H(T) une temprature autre que 25C:

o Cp est la chaleur spcifique donne en fonction de la temprature selon lune des corrlations suivantes:

a, b,c,d, sont des coefficients caractristiques de chaque corps purs57

III-4) CHALEUR DE REACTIONLenthalpie de la raction chimique des conditions standards.

0 O Hest lenthalpie de formation du constituant ltat standard. f

Lenthalpie de la raction chimique une autre temprature.

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Exemple:Calcul de lenthalpie de la raction chimique suivante:

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IV) ANALYSE DE QUELQUES MODLES DAPPAREILS

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