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1 - GÉNÉRALITÉS

  • 1.1 - Opérations unitaires avec transfert de matière
  • 1.2 - Application à la conception et à l’adaptation des unités industrielles
  • 1.3 - Notion de modèle

2 - RÉGIME DE FONCTIONNEMENT PAR RAPPORT AU TEMPS

3 - MODÈLES D’ÉCOULEMENTS

4 - DIFFÉRENTS TYPES D’OPÉRATIONS

5 - APPLICATION : ÉTABLISSEMENT DES BILANS MATIÈRE ET ENTHALPIQUE

6 - INFORMATIQUE APPLIQUÉE AUX BILANS MATIÈRE ET ENTHALPIQUE

  • 6.1 - Procédés en régime stationnaire
  • 6.2 - Procédés en régime instationnaire
  • 6.3 - Simulateurs simplissimes

Article de référence | Réf : J1070 v2

Régime de fonctionnement par rapport au temps
Transfert de matière - Méthodologie

Auteur(s) : Jean-Paul MOULIN, Dominique PAREAU, Mohamed RAKIB, Moncef STAMBOULI

Date de publication : 10 mars 2000

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Auteur(s)

  • Jean-Paul MOULIN : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences - Professeur de génie chimique à l’École Centrale Paris - Ingénieur à la Société générale pour les techniques nouvelles (SGN)

  • Dominique PAREAU : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences - Professeur de génie chimique à l’École Centrale Paris

  • Mohamed RAKIB : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences - Chef de travaux à l’École Centrale Paris

  • Moncef STAMBOULI : Ingénieur de l’École Centrale Paris - Docteur ès sciences - Chef de travaux à l’École Centrale Paris

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INTRODUCTION

Les industries de procédé, chimie, pharmacie, industries agroalimentaires, etc., ont suscité l’apparition d’une science appliquée, qui est connue sous le nom de génie des procédés. Le génie des procédés s’articule en deux parties : d’une part, l’étude des processus, chimiques, biochimiques, etc., particuliers à chaque procédé, et d’autre part le génie chimique qui traite des appareils où ces processus sont mis en œuvre, indépendamment du processus particulier.

L’objet du génie chimique est la détermination de l’agencement, du dimensionnement, des conditions opératoires et de la conduite des appareils des industries de procédé, dans le but d’atteindre des performances requises. Un très grand nombre de configurations permettent de réaliser ces performances. Le choix entre ces configurations est conduit par la recherche d’un optimum, dans le cadre de contraintes. Certaines contraintes sont réglementaires ou sociales : zéro pollution, zéro accident, d’autres sont commerciales : zéro défaut, délai minimal entre commande et livraison. L’optimum est économique : les coûts doivent être minimisés. Des incertitudes sont inévitables. Elles doivent être prises en compte : l’objectif industriel est souvent défini comme le « juste bien » : il faut assurer le résultat sans prendre de coefficients de sécurité excessifs.

À la conception d’une unité de production, il faut équilibrer au mieux les couples : taille des appareils, conditions opératoires (c’est-à-dire en première approximation les consommations d’énergie), qui permettent d’assurer que les performances requises seront atteintes. Cette dualité est transposable dans le domaine économique et les deux parties correspondent respectivement, en simplifiant à l’excès, aux investissements et aux frais de fonctionnement. Il est rare que l’optimisation économique porte sur une seule opération : la recherche de l’optimum sera le plus souvent effectuée pour un procédé entier. Elle porte donc sur un ensemble complexe d’opérations et sur leurs connexions. L’adaptation des conditions opératoires d’une unité de production à des conditions différentes de celles qui présidaient à sa conception, que ce soient les matières premières ou les produits finis, est soumise aux mêmes contraintes et à la recherche de l’optimum économique. Une nouveauté importante pour l’adaptation des unités de production est qu’elle se fait maintenant dans un cadre dynamique, en intégrant par exemple la transition d’une production à une autre à l’optimisation : c’est une part importante de l’activité connue sous le nom de gestion de production.

Le dimensionnement des unités de production a un coût, il fait partie des investissements et représente une part non négligeable de ceux-ci. Il doit donc lui-même atteindre son objectif au moindre coût : de même que l’on évite de réaliser des unités de productions ayant des moyens surdimensionnés, de même il faut éviter la précision excessive dans les calculs de génie chimique, car elle est inutilement coûteuse.

La présentation du transfert de matière et des appareils qui le mettent en œuvre vise donc l’objectif industriel suivant : il faut, en toutes circonstances, employer le modèle qui permet d’atteindre l’objectif recherché et qui est le moins coûteux en temps de travail (humain ou machine). C’est pourquoi il faut utiliser le modèle le plus simple possible : c’est une faute méthodologique que d’employer un modèle complexe (coûteux en temps de calcul) là où sa précision est inutile ou même illusoire. La présentation des modèles qui est faite dans cet article et dans les suivants privilégie donc les modèles simples, les plus utilisés, au détriment des modèles complexes. Le fait qu’il soit didactique de présenter en premier des concepts simples, et donc des modèles simples, n’est qu’un argument supplémentaire.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-j1070


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2. Régime de fonctionnement par rapport au temps

Modéliser une opération unitaire du génie chimique consiste, en fin de compte, à exprimer des grandeurs, flux de matière ou de chaleur, concentrations ou température, etc., à l’aide de fonctions de variables soit d’espace (x, y, z), soit discrètes (numéro d’étage) d’une part, et du temps, d’autre part. Il est évident que les modèles les plus commodes sont les plus simples, c’est-à-dire ceux qui dépendent d’un nombre minimal de paramètres. Nous allons dégager dans ce paragraphe les conditions pour qu’un modèle soit indépendant du temps.

Les modèles qui reposent sur les écoulements définis au para-graphe 3 dépendent uniquement d’une variable d’espace ou du numéro de l’étage et, a priori, du temps ; il est clair que si l’opération est discontinue, les fonctions qui décrivent le système dépendent explicitement du temps de façon essentielle : les modèles discontinus parfaitement agités ne dépendent que du temps. Si l’opération est semi-continue (opération avec une phase stationnaire par exemple), sa modélisation repose sur le temps et sur au moins une variable d’espace. Dans le cas d’une opération continue, il y a plusieurs possibilités :

  • l’un au moins des paramètres externes de l’appareil (débit, composition, température, etc.) a été modifié depuis suffisamment peu de temps pour que l’influence de cette modification se fasse encore sentir : les fonctions dépendent explicitement du temps. Dans ce cas, l’appareil est en état de régime transitoire ;

  • les paramètres externes de l’appareil sont maintenus constants depuis un temps très grand ; l’appareil est dit en état de régime permanent. Deux cas peuvent se produire :

    • l’observation d’une grandeur quelconque en un point quelconque de l’appareil ne fait pas apparaître de variations au cours du temps : les fonctions qui décrivent...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SCHMIDT (A.X.) et LIST (H.L.) -   Material and energy balances  -  (Bilans matière et énergétique). 1962 Prentice Hall.

  • (2) - COULSON (W.M.) et RICHARDSON (J.F.) -   Chemical engineering  -  . Vol. 3, 2nd ed. 1987 (J.F. RICHARDSON & D.G. PEACOCK), Chemical reactor design, biochemical reaction engineering including computational techniques and control. (Génie chimique vol. 3, 2e éd. 1987. Calcul des réacteurs chimiques, génie des réactions biochimiques, y compris les techniques de calcul et le contrôle). 1987 Pergamon Press.

  • (3) - JOULIA (X.) et GOURLIA (J.P.) -   Modélisation : enjeux et perspectives pour la conception et l’analyse des procédés  -  . Entropie n 208 1997.

1 Sites Internet

Liens utiles en Génie des procédés

http://ensspicam.u-3mrs.fr/basededonnee.html

Société française de génie des procédés (FGP)

http://www.ensic.u-nancy.fr/SFGP/

Section Génie des procédés du CNRS

http://www.spi-cnrs-dir.fr/

HAUT DE PAGE

2 Logiciels

HAUT DE PAGE

2.1 Procédés en régime stationnaire

Aspen Plus (États-Unis) : commercialisé par Aspen Tech http://www.aspentech.com

Ce logiciel est équipé d’une riche base de données thermodynamiques et comprend divers modules additionnels, dont Batchfrac qui permet de traiter des opérations discontinues et Ratefrac qui traite de la cinétique du transfert de matière.

PRO/II (États-Unis), commercialisé par SIMSCI-Esscor

http://www.simsci.com

Hysim (États-Unis)

ProSim (IGC, Toulouse, France), commercialisé par Prosim S.A.

http://www.prosim.net

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