Par Helen Njeri NJENGA industrielle

Par Helen Njeri NJENGA

African Virtual university Université Virtuelle Africaine Universidade Virtual Africana

Chimie

industrielle

Note

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I. Chimie industrielle ____________________________________________ 3 II. Cours et savoir-faire préalables __________________________________ 3 III. Temps ____________________________________________________ 3 IV. Matériels didactiques _________________________________________ 4 V. Justification _________________________________________________ 4 VI. Contenu ___________________________________________________ 5 6.1 Résumé _______________________________________________ 5 6.2 Plan __________________________________________________ 5 6.3 Représentation graphique _________________________________ 7 VII. Objectifs généraux __________________________________________ 7 VIII. Activités d’apprentissages spécifiques ___________________________ 8 IX. Préévaluation ______________________________________________ 10 X. Liste des concepts-clés (glossaire) ______________________________ 13 XI. Liste des lectures obligatoires _________________________________ 14 XII. Listes des ressources _______________________________________ 16 XIII. Listes des liens utiles _______________________________________ 17 XIV. Activités d’apprentissages ___________________________________ 20 XV. Synthèse du module _______________________________________ 170 XVI. Évaluation sommative _____________________________________ 171 XVII. Références bibliographiques ________________________________ 173 XVIII. Fiche d'évaluation de l’étudiant _____________________________ 174 XIX. Principaux auteurs du module _______________________________ 174 XX. Structure du fichier ________________________________________ 175

Table des maTières

i. Chimie industrielle

Par Dr. Helen Njeri Njenga, University of Nairobi and William Wanasolo

ii. Cours et savoir-faire préalables

Module 5 Unité I • Chimie organique de base Unité II • Les hydrocarbonés Unité III • Les halogénures d’alkyles Unité IV • Les amines

Module 6 Unité I • Les alcools et les éthers

Unité III • Les acides carboxyliques et leurs dérivés Module 7 Unité I • Le benzène et ses dérivés

Unité III • Les composés hétérocycliques Module 9 Thermodynamique

Principes chimiques de différents composants

iii. Temps

Ce module exigera 120 heures

Unité 1. Introduction à la chimie industrielle et à l’industrie chimique (15 h) Unité 2. Unité d’opérations et unités de procédés (20 h)

Unité 3. Chimie inorganique industrielle I (métallurgie extractive) (10 h) Unité 4. Chimie inorganique industrielle II (chlore et soude, ammoniac, acide

sulfurique, engrais et ciment) (20 h)

Unité 5. Chimie organique industrielle I (pétrole, pétrochimie et polymères) (25 h)

Unité 6. Chimie organique industrielle II (fermentation, éthanol, produits phar- maceutiques, surfactants et détergents) (25 h)

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iV. matériels didactiques

Vous aurez besoin des outils et des ressources suivantes pour effectuer le module:

Micro-ordinateur, CD-ROM, bibliothèque électronique

Pour avoir accès au module, aux examens et autres matériels pertinents Pour avoir accès aux autres matériels de référence suggérés

Pour des séances de discussions/chat interactives Manuels et références recommandés

Pour aider l’apprentissage et la compréhension des sujets abordés dans ce module

V. Justification

La chimie industrielle traite de la production commerciale des produits chimiques et produits connexes provenant de matières premières naturelles et de leurs dérivés.

Ceci permet à l’humanité d’éprouver les avantages de la chimie quand on l’applique à l’exploitation des matériaux et de l’énergie. L’application de la chimie à la transfor- mation des matériaux et de l’énergie pour fabriquer des produits utilisables, apporte la croissance et l’amélioration dans des domaines tels que la production alimentaire, la santé et l’hygiène, l’habitation et le vestimentaire. La croissance économique des pays industrialisés repose sur l’industrie manufacturière de produits finis. Le but d’étudier la chimie industrielle à l’université est d’essayer de combler le fossé entre la chimie classique et la chimie appliquée à l’industrie. L’industrie chimique est for- tement globalisée et fabrique des milliers de produits chimiques à partir d’une large variété de matières premières par le biais de technologies variées pour des utilisations finales diverses. Il est donc important de baser l’étude de la chimie industrielle sur la compréhension de l’organisation de l’industrie et sur les unités d’opérations et de procédés qui constituent les processus chimiques. Sur la base des sources de matières premières naturelles et de la chimie impliquée, on trouve qu’il est plus facile d’étudier la chimie industrielle inorganique et organique séparément. À travers l’électrolyse de la saumure, on obtient à la fois du dichlore et de l’hydroxyde de sodium lesquels sont d’importants réactifs pour la synthèse organique de produits chimiques tels que, respectivement, ceux provenant de la pétrochimie ou les détergents. En fixant l’azote, on obtient de l’ammoniac à partir duquel on peut fabriquer des engrais. À partir du soufre, on obtient de l’acide sulfurique, lequel est utilisé dans la fabrication d’engrais phosphatés. Les minerais minéraux, bien qu’étant la matière première pour les produits chimiques de base, sont la source des métaux purs qui sont aussi utilisés dans l’industrie du bâtiment et de la construction, dans la fabrication d’équipements, de machines et de bijoux. Au sujet de l’industrie de la chimie organique, on utilise le pétrole comme source pour les produits de pétrochimie et les polymères synthé- tiques. La fermentation nous permet de convertir de la matière organique naturelle en produits chimiques, dont certains comme les pénicillines sont des ingrédients pharmaceutiques. À partir des huiles et graisses naturelles, on obtient des surfactants et des détergents.

Vi. Contenu

6.1. Résumé

Ce module commence par définir la chimie industrielle et ensuite donne une vue de l’industrie chimique, sa position dans l’économie globale et sa classification en terme de processus chimiques qui la caractérisent. Pour permettre l’étude des processus chimiques sélectionnés, les unités d’opérations et les unités de procédés, spécialement ceux qui sont pertinents dans les activités éducatives qui suivent, sont ensuite abordés dans l’unité 2. Avec ces informations, il sera facile d’étudier la chimie inorganique et organique appliquées au niveau industriel. L’étude de la métallurgie extractive dans l’unité 3 est tirée des connaissances sur la fragmentation et sur les unités d’opérations de séparation apprises précédemment, ainsi que des conversions chimiques qui ont lieu pendant des procédés à haute température. La métallurgie ex- tractive du fer, du cuivre et de l’aluminium est incluse dans cette unité. Dans l’unité 4, on porte notre attention sur des procédés industriels de base de chimie inorganique qui permettent de synthétiser des produits à partir de matières premières dérivées de l’environnement naturel. Ces procédés impliquent la fabrication du dichlore et de l’hydroxyde de sodium à partir de la saumure, de l’ammoniac à partir du méthane et du diazote, de l’acide sulfurique à partir du soufre, des engrais et des ciments à partir des minerais minéraux. L’étude de la chimie organique industrielle commence ensuite avec le raffinage du pétrole suivi de la fabrication de certains produits de la pétrochimie et de polymères. Ce module se termine avec l’étude de l’éthanol, des produits pharmaceutiques, des surfactants et des détergents. Ce sont des produits à forte valeur ajoutée, dont certains sont produits par fermentation.

6.2 Plan

Unité 1: Introduction à la chimie industrielle (15 heures) Introduction à la chimie industrielle

Classification de la chimie industrielle Matières premières pour l’industrie chimique

Unités d’opérations et unités de procédés qui contribuent aux processus chimiques

Schéma de procédés

Matière et bilans énergétiques

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Unité 2: Unités d’opération et unités de procédés (20 heures) Fragmentation et grossissement

Séparation magnétique et électrostatique Flottation par moussage

Distillation fractionnée Unités de procédés

Unité 3: Industries de la chimie inorganique Partie I: métallurgie extractive (10 heures) Minerais minéraux

Préparation des minerais Procédés à haute température Affinage

Métallurgie extractive du fer

Métallurgie extractive de l’aluminium Métallurgie extractive du cuivre

Unité 4 : Industries de la chimie inorganique Partie II: dichlore et soude, ammoniac, acide sulfurique, engrais, ciment (25 heures)

Hydroxyde de sodium et dichlore Ammoniac

Acide sulfurique Engrais

Ciment

Unité 5: Industries de la chimie organique I : pétrole, produits de pétrochimie et polymè- res (25 heures)

Raffinage du pétrole Produits de pétrochimie Polymères

Unité 6: Industries de la chimie organique II : fermentation, éthanol, produits pharma- ceutiques, surfactants et détergents (25 heures)

Fermentation Éthanol

Produits pharmaceutiques Surfactants et détergents

6.3 Représentation graphique

Vii. Objectifs généraux

Au terme du module, l’apprenant(e) doit être capable de:

i. Classer l’industrie chimique en termes de produits, de matières premières, de gammes et de types de transformations.

ii. Décrire les principes d’opération des unités d’opérations et des unités de procédés sélectionnées.

iii. Décrire l’extraction du métal en général et la métallurgie extractive du fer, de l’aluminium et du cuivre en particulier.

iv. Discuter à l’aide de schémas de procédé pertinent, d’équations, des conditions de fonctionnements et des principes d’appareillage, la fabrication du dichlore, de l’hydroxyde de sodium, de l’ammoniac, de l’acide sulfurique, des engrais et du ciment.

v. Expliquer à l’aide de schémas de procédé et d’équations, comment le pétrole brut est raffiné, et comment certains produits de la pétrochimie et des poly- mères sont synthétisés.

vi. Discuter la théorie de la fermentation et son application dans la fabrication de l’éthanol, dans la production de certains produits pharmaceutiques, des surfactants et des détergents.

Chimie industrielle

Chimie industrielle générale

Chimie industrielle inorganique

Chimie industrielle organique

Introduction à la chimie industrielle et à l’industrie chimique

Unité d’opérations et unité de procédés

Métallurgie

extractive Dichlore et soude, ammoniac, acide sulfurique, engrais, ciment

Pétrole, produits de pétrochimie et polymères

Fermentation, éthanol, produits pharmaceutiques, surfactants et détergents

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Viii. activités d’apprentissages spécifiques (Objectifs d’enseignement)

Unité 1: Introduction à la chimie industrielle et à l’industrie chimique Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Distinguer la chimie classique et la chimie industrielle

b. Classer l’industrie chimique en termes d’échelle, de matières premières, d’utilisation finale et de valeur ajoutée

c. Distinguer les opérations unitaires et les procédés unitaires

d. Décrire les transformations chimiques au moyen de schémas de procédés e. Effectuer l’équation de bilan de matière pour un processus simple Unité 2: Unité d’opérations et unités de procédés

Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Lister les différentes raisons pour entreprendre la fragmentation et le grossis- sement

b. Décrire les principes d’opération de certains équipements de fragmentation et des équipements de grossissement

c. Expliquer comment les matériaux industriels peuvent être séparés, respecti- vement, à partir de leur propriété magnétique, électrostatique, hydrophobe et sur leur volatilité

d. Discuter les diverses unités de procédés organiques incluant la polymérisation, l’alkylation, l’hydrolyse et leur application dans l’industrie chimique Unité 3: Industries de la chimie inorganique Partie I: métallurgie extractive Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Décrire les différentes étapes caractéristiques de la préparation des minerais minéraux

b. Ecrire l’équation pour décrire la calcination et le grillage c. Expliquer ce qui se passe pendant la fusion

d. Décrire la métallurgie extractive du fer

e. Décrire la métallurgie extractive de l’aluminium f. Décrire la métallurgie extractive du cuivre

Unité 4 : Industries de la chimie inorganique Partie II: dichlore et soude, ammo- niac, acide sulfurique, engrais, ciment

Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Décrire à l’aide d’équations et de diagrammes, le processus d’électrolyse pour la production de l’hydroxyde de sodium et du dichlore à partir du mercure, de membranes et de cellules à membrane

b. Expliquer comment l’ammoniac est fabriqué à partir du méthane et de l’air par le procédé Haber

c. Décrire le procédé de contact pour la fabrication de l’acide sulfurique d. Discuter les divers types d’engrais et la fabrication d’engrais phosphatés e. Décrire à l’aide de diagrammes, d’équation et d’unités d’opération la fabri-

cation de ciment Portland

Unité 5: Industries de la chimie organique I : pétrole, produits de pétrochimie et polymères

Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Décrire l’origine et l’extraction du pétrole

b. Expliquer les intérêts et l’application de la distillation fractionnée, du craquage catalytique et du reformage catalytique lors du traitement du pétrole

c. Décrire à l’aide d’équations et de schémas de procédé, la fabrication de cer- tains produits de pétrochimie, notamment l’anhydride phtalique et l’acide adipique

d. Classer les réactions de polymérisation, les polymères et les produits poly- mères

e. Décrire l’utilisation des divers plastiques

f. Expliquer comme le polyéthylène et l’élastomère styrène-butadiène sont fabriqués

Unité 6: Industries de la chimie organique II : fermentation, éthanol, produits pharmaceutiques, surfactants et détergents

Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Discuter les facteurs qui affectent la viabilité de la fermentation et ceux qui affectent le rendement de la fermentation

b. Décrire le processus de fabrication par fermentation de l’éthanol

c. Donner un bref historique de l’industrie pharmaceutique et du rôle joué par les antibiotiques

d. Décrire le processus de production de deux produits pharmaceutiques: la pénicilline et l’aspirine

e. Exposer le processus de fabrication des surfactants f. Discuter les types de surfactants

g. Expliquer comment les détergents sont fabriqués

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iX. Préévaluation

Titre de la préévaluation : Examen de préévaluation de la chimie industrielle

9.1 Justification

L’objectif de ce test est d’évaluer vos connaissances actuelles en chimie qui sont un préalable pour apprendre avec succès ce module. Pour faire cet examen, vous avez besoin de:

1. une calculatrice

2. un tableau périodique des éléments avec leur symbole, leur nombre atomique et leur masse atomique

3. une table de conversion des unités scientifiques Questions

1. Convertir:

a) 140 ^oF en ^oC b) 2 atm en kPa c) 50 kcal en kJ

d) 0,3 kmoles de carbonate de sodium en kg de carbonate de sodium 2. Calculer le % d’azote dans chaque engrais azoté suivant:

a) Nitrate d’ammonium b) Ammoniac

c) Diphosphate d’ammonium

3. Quels sont les agents oxydants dans les réactions redox ci-dessous?

a) 4Fe + 3O₂ 2Fe₂O₃ b) Cl₂ + 2NaBr 2NaCl + Br₂ c) H₂ + Cl₂ 2HCl

4. 0,103 g de NH₄NO₃ nécessite 12,8 ml de 0,101 M NaOH pour être neutralisé.

Quel est le pourcentage de pureté de cet échantillon?

5. Ecrire l’équation qui montre comment la chaux vive (CaO) et la chaux hydratée (Ca(OH)₂ sont obtenues à partir du carbonate de calcium.

6. Al₂O₃ est un oxyde amphotère. Expliquer ce que cela signifie.

7. (a) Calculer l’augmentation de chaleur en kJ par g de ZnS à partir de l’équation suivante:

2ZnS_(s) + 3O_2(g) 2ZnO_(s) + 2SO_2(g) ∆H^o_rxn = -879kJ

(b) Calculer la molarité de 35.4% masse/volume d’une solution aqueuse d’acide phosphorique (H₃PO₄).

8. Expliquer comment la présence d’un catalyseur favorise l’avancement de la réaction suivante:

A + B C + D

9. (a) Écrire l’expression de la constante d’équilibre pour la réaction suivante:

PCl₅(g) PCl₃(g) + Cl₂ (g)

(b) Quelle est la constante d’équilibre pour la réaction en (a) si les concentrations à l’équilibre dans un réacteur de 12 L sont 0,21 mole de PCl₅, 0,32 mole de PCl₃, et 0,32 mole de Cl₂?

10. (a) Calculer la masse molaire du polyéthylène –(CH₂-CH₂)_n - pour n = 10,000.

(b) Combien de litres d’air (supposant 78 % N₂, 22% O₂ par volume) sont néces- saires pour la combustion complète de 1,0 litre d’octane C₈H₁₈ dont la densité est 0,70g/ml. La densité de l’air est supposée de 1,29g/l.

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9.2. Réponses clés

Question Réponse Points

1.

ab c d

60^oC 202,65kPa 209 kJ 31,8kg

11 1 1 2.

a b c

35,00 82,35 40,6

1 1 1 3.

a b cd

O₂ Cl₂ F₂ Cl₂

1 1 11

4. 99,59 3

5. CaCO₃ CaO

CaO + H₂O Ca(OH)₂ 1

1 6. Il possède à la fois des propriétés acides et basiques 1 7.a

b 4,51kJ

4,21M 2

2 9. Le catalyseur diminue l’énergie d’activation, laquelle est

le minimum d’énergie nécessaire pour initier une réaction chimique

2

10.a.

b [PCl₃][Cl₂]/[PCl₅]

K=0,04 1

2 10a.

b. 280 000

4,11litres 1

3

TOTAL 30

X. Concepts clés

Une alkylation est l’introduction d’un radical alkyle par substitution ou addition sur un composé organique.

Les antibiotiques sont des substances chimiques qui peuvent empêcher la crois- sance, voir même détruire, des micro-organismes nocifs.

Le craquage catalytique est la cassure d’hydrocarbures complexes en molécules plus simples afin d’augmenter la qualité et la quantité de produits plus légers et plus désirables et de diminuer la quantité de résidus.

Reformage catalytique est un processus utilisé pour convertir le naphta en composés aromatiques tels que le toluène, le benzène, le xylène et autres composés aromatiques qui sont utiles dans les carburants et les procédés pétrochimiques.

Polymérisation par émulsion est une polymérisation radicalaire qui a lieu dans une émulsion composée d’eau, de monomère, de surfactant et d’autres ad- ditifs.

La fermentation est une réaction où de la matière brute est convertie en produit par l’action de micro-organismes ou au moyen d’enzymes.

Les engrais sont des produits chimiques donnés aux plantes pour favoriser leur croissance.

La chimie industrielle est une branche de la chimie qui applique les procédures chimiques et physiques à travers la transformation de matières premières naturelles et leurs dérivés en produits utiles pour l’humanité.

Le bilan de matière est l’application de la loi de conservation de masse sous la forme d’équations pour satisfaire les bilans des masses totales, des composants et des espèces atomiques lors d’un processus.

La préparation des minerais est le pré-traitement des minéraux par des procé- dés principalement physiques pour affecter la concentration de minéraux de valeur et pour rendre le matériau enrichi dans des conditions physiques les plus appropriées pour des opérations futures.

Le plastique est un matériau qui contient, comme ingrédient essentiel, une subs- tance organique de masse molaire élevée. Un plastique est un solide dans son état fini et, à certaines étapes de sa fabrication ou dans son procédé en produits finis, peut être moulé par écoulement.

Un surfactant est un composé qui est constitué d’une longue « queue » linéaire et non polaire (hydrophobe) avec une « tête » polaire (hydrophile) lequel diminue la tension de surface de l’eau et permet aux corps gras (huile) de former une émulsion dans l’eau.

Unité d’opérations sont des étapes de traitement physique utilisées dans des processus chimiques pour transformer les matières premières et les produits dans leurs formes désirées.

Unités de procédés sont des transformations chimiques ou conversions qui sont exécutées lors d’un processus.

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Xi. lectures obligatoires

Lecture 1

Référence complète: La chimie industrielle, de Wikipedia, l’encyclopédie gratuite http://en.wikipedia.org/Chemical_industry

Résumé: La chimie industrielle comprend les entreprises qui produisent les produits chimiques industriels. Elle est centrale à l’économie du monde moderne en trans- formant les matières premières (pétrole, gaz naturel, air, eau, métaux, minéraux) en de nombreux produits différents. Dans ce site, les produits chimiques sont classés et peuvent être cherchés par nom de produit, de catégorie de produit, par technologie…

Des liens sur le même sujet et des références sont aussi donnés.

Justification: L’unité I de ce module porte sur la classification générale et la com- position de l’industrie chimique. La visite de ce site vous permettra de voir à quel point le domaine de la transformation chimique est large.

Lecture 2

Référence complète: Polymérisation par émulsion, de Wikipedia, l’encyclopédie gratuite

http://en.wikipedia.org/ Emulsion_polymerization

Résumé: ce site donne l’histoire, la théorie, le processus de fabrication et les ingré- dients variés (monomères, comonomères, amorceurs, surfactants, stabilisants non surfactants, autres ingrédients) et les applications de la polymérisation par émulsion.

Des informations sur les différents polymères produits par polymérisation par émul- sion peuvent être obtenues dans ce site.

Justification: la théorie de la polymérisation par émulsion est étudiée dans l’unité 2 et est appliquée dans l’unité 5 pour la fabrication de deux polymères. Ce site apporte beaucoup d’autres informations sur la polymérisation.

Lecture 3

Référence complète: Métallurgie extractive: de Wikipedia, l’encyclopédie gratuite http://en.wikipedia.org/Extractive_metallurgy

Résumé: ce site donne des définitions et de brèves discussions sur les technologies de base utilisées dans l’extraction du métal. Elles comprennent les procédés de py- rométallurgie et d’hydrométallurgie. La métallurgie extractive des différents métaux peut être obtenue à partir de ce site.

Justification: ce site et les liens donnent une bonne vue d’ensemble de la métallurgie extractive. Ceci complète les informations données dans l’unité 3 sur la métallurgie extractive du cuivre, de l’aluminium et du fer.

Lecture 4

Référence complète: engrais, de Wikipedia, l’encyclopédie gratuite http://en.wikipedia.org/Fertilizer

Description: ici vous trouverez l’histoire de l’industrie des engrais, des informations sur les oligonutriments, les engrais azotés et organiques. Des liens liés à ces sujets sont donnés.

Justification: cette lecture complètera ce qui est fourni dans ce module sur le sujet des engrais.

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Xii. ressources obligatoires

Référence complète: CD accompagnant ce module Fichier PDF:

aluminium.pdf

chlor-alkali and aluminium electrolysis.pdf haber ammonia synthesis.pdf

ammonia next step.pdf cement.pdf

nitric acid and adipic acid.pdf 10J polyethylene.pdf

09E-SBRPolymerSummaryJuly16.pdf antibiotics production.pdf

soaps and detergents.pdf

Résumé: Les fichiers ci-dessus sont du matériel de lecture qui vous aidera comme matériels ressource supplémentaire pour ce module.

Justification: ces sources donnent des explications détaillées sur la théorie, les procédés de fabrication et d’autres informations sur quelques produits couverts dans ce module. Ces produits comprennent l’aluminium, l’ammoniac, le ciment, l’acide adipique, le polyéthylène, l’élastomère styrène-butadiène, les antibiotiques, les sur- factants et les détergents.

Xiii. liens utiles

Lien utile 1

Titre:Process Flow Diagrams

URL: http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Process_flow_diagrams Description: Ce site internet traite exclusivement des schémas de procédés, d’autres schémas techniques et de photographie d’équipements et d’installation industriels.

Objectif: Ce site internet peut accroître votre compréhension et votre appréciation sur la façon de décrire les procédés sous forme de schémas.

Lien utile 2

Titre: How Products are made URL: www.madehow.com

Description: Ce site internet donne des explications et des détails sur les procédés de fabrication pour une large variété de produits incluant quelques produits chimi- ques. Ce site fournit des descriptions étape par étape des procédés de fabrication supportés par des illustrations et des schémas. Pour chaque produit a aussi des informations sur son origine et son histoire, son mode de fonctionne, les matières premières utilisées, ses applications, les sous-produits générés, les développements futurs possibles, les procédures de contrôle qualité, etc. Il y a sept volumes dans lesquels les informations sont conservées.

Justification: Vous trouverez des informations utiles sur l’aspirine dans le volume 1, sur les plastiques acryliques, le polyester, l’essence et les surfactants dans le volume 2, sur les antibiotiques dans le volume 4 et sur l’aluminium dans le volume 5. Ces informations sont pertinentes pour plusieurs sections de ce module.

Lien utile 3

Titre: Mine Engineer

URL: http://www.mine-engineer.com/

Description: Mine Engineer.Com a des informations sur l’exploitation, les minéraux, le charbon, la minéralurgie, la préparation du charbon, les équipements utilisés dans le traitement du minerai et les industries de procédé. D’autres sujets en relation avec celui évoqué sont inclus.

Justification: Dans ce site internet, des informations pour compléter ce qui est pré- senté dans ce module sont disponibles pour des sujets tels que le cuivre, l’aluminium, le ciment, le traitement du minerai phosphaté, les unités d’opération impliquant la fragmentation et la séparation.

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Lien utile 4

Titre: Electrochemistry

URL: http://electrochem.cwru.ed/encycl

Description: Ce site donne des informations utiles sur les applications industrielles de l’électrochimie.

Justification: Un article de ce site internet couvre l’histoire, les procédés Bayer, Hall-Heroult et alternatifs pour la production de l’aluminium.

Lien utile 5

Titre: Cheresources

URL: http://www.cheresources.com

Description: Cheresources.com fournit des informations et des outils aux ingénieurs chimistes à travers le monde. Ce site a beaucoup de ressources gratuites sur l’ingé- nierie chimique ainsi qu’un contenu payant et des logiciels que les visiteurs peuvent choisir. Certains des articles gratuits sont destinés aux étudiants.

Justification: Ce lien est utile pour chercher des informations détaillées sur les technologies des procédés chimiques pour des produits tels que l’ammoniac, l’acide sulfurique et autres produits couverts dans ce module. Certains des articles provien- nent de revues scientifiques.

Lien utile 6

Titre: The Contact Process

URL: http://uk.encarta.msn.com/media_761566936/Sulphuric_Acid.html Description: Cette page décrit le procédé de contact pour la fabrication de l’acide sulfurique.

Justification: Cet article explique les raisons des conditions utilisées dans ce procédé.

Il examine les effets de proportion, de température, de pression et de catalyseur sur la composition du mélange équilibré, la vitesse de réaction et l’économie du procédé.

Lien utile 7

Titre: Chemical Intelligence

URL: http://www.icis.com/chemical/intelligence.aspx

Description: Chemical Intelligence est un catalogue de produits chimiques four- nissant des informations sur les produits chimiques couverts par ICIS. Les pages de produits chimiques A-Z apportent des informations que vous pourriez avoir besoin sur n’importe quel produit.

Justification: La catégorie des produits chimiques industriels de masse comprend les produits chimiques et les matériaux produits en grande quantité dans l’industrie chimique. Ce site donne également les intermédiaires pétrochimiques principaux qui sont produits à partir des oléfines primaires et des blocs aromatiques lesquels sont ensuite traités en monomères, détergents, additifs, solvants, plastifiants, lubrifiants et polymères.

Lien utile 8

Titre: Set laboratories

URL: http://www.setlaboratoies.com

Description: Ce site est un puits d’informations sur le raffinage du pétrole.

Justification : Les sujets couverts dans ce site incluent l’histoire du raffinage du pétrole, l’extraction du pétrole brut et sa composition, les procédés de raffinage avec des schémas et des descriptions détaillées. Vous trouverez ce site utile lorsque vous étudierez l’unité 5.

Lien utile 9

Title: Access Excellence

URL: http:/www.accessexcellence.org

Description: Ce site est une source centrale pour la science de la vie incluant les biotechnologies. Un des sites, Biotech Applied expose les applications pratiques des biotechnologies et les stratégies pour introduire les biotechnologies dans l’enseigne- ment. Il donne aussi la possibilité d’intéragir et de collaborer avec des scientifiques, des enseignants et autre pour explorer la fine pointe de la science.

Justification: un site particulier:

(http://www.accessexcellence.org/LC/SS/ferm_biography.html), qui traite de la fermentation.

Lien utile 10

Titre: Soap and Detergent Association

URL: http://www.cleaning101.com/cleaning/chemistry/soapchem2.com

Description: Ce site est pour Soap and Detergent Association qui représente les fabri- cants de produits nettoyants ménagers, industriels et institutionnels; les producteurs et les fournisseurs des matières premières associées et des emballages finis.

Justification: un des articles de ce site internet porte sur les procédés de fabrication des surfactants et détergents. Il inclut l’histoire du savon, la fabrication du savon, la chimie, les ingrédients et les procédés de fabrication. Ces explications qui sont dans un langage non spécialisé sont complétées avec des illustrations graphiques intéres- santes. Ce site est une aide importante pour étudier ce sujet dans l’unité 6.

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XiV. activités d’apprentissage

Activité 1: Introduction à la chimie industrielle et à l’industrie chimique Au terme de cette unité, vous devriez être capable de:

a. Distinguer la chimie classique et la chimie industrielle

b. Classer l’industrie chimique en termes d’échelle, de matières premières, d’utilisation finale et de valeur ajoutée

c. Distinguer les operations unitaires et les procédés unitaires

d. Décrire les transformations chimiques au moyen de schémas de procédés e. Effectuer l’équation de bilan de matière pour un processus simple Résumé de l’activité d’apprentissage

Cette activité est une introduction à la chimie industrielle et à l’industrie chimique et vous permettra d’étudier les unités ultérieures plus facilement. Elle comprend les sujets suivants : introduction à la chimie industrielle, classement de l’industrie chimique, matières premières pour l’industrie chimique, unités d’opération et unité de procédés, schémas de procédé, bilan de matière et d’énergie. Les différentes lectures apportent des informations supplémentaires par rapport à celles présentées dans ce module. À la fin de cette unité, il y a des excercises que vous devez faire pour évaluer votre compréhension de cette unité.

Liste de lectures pertinentes

1. Chang R. (1991). Chemistry, 4^th Edition, McGraw-Hill Inc. New York.

2. Chang R. and Tikkanen W. (1988). The Top Fifty Industrial Chemicals.

3. Price R.F. and Regester M.M. (2000), WEFA Industrial Monitor, 2000-2001, John Wiley & Sons Inc., New York.

Liste de ressources pertinentes

• Micro-ordinateur avec accès internet pour faciliter l’accès aux liens et aux sources pertinentes sans droits d’auteurs

• CD-Rom accompagnant ce module pour les lectures obligatoires et les dé- monstrations

• Sources multimédias comme des vidéos, des VCD, et un lecteur CD

Liste de liens utiles pertinents

http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Process_flow_diagrams http://www.icis.com/intelligence.aspx

Le premier site internet porte principalement sur les schémas de procédés, d’autres schémas techniques et des photographies d’équipements et d’installations industrielles.

Ce site peut favoriser votre compréhension et votre appréciation pour la description des procédés sous forme de schémas.

Le second site internet vous permettra de voir comment les produits chimiques sont classés pour des raisons commerciales et techniques.

1.1. La différence entre la chimie classique et la chimie industrielle

Avant de définir la chimie industrielle, il serait utile de savoir que le développement de la chimie industrielle a commencé avec le besoin de connaître comment différents produits chimiques peuvent être produits à une échelle plus grande que celle du labo- ratoire. La connaissance de la chimie était appliquée pour doter les industries chimi- ques en expansion rapide de « recettes » que l’on appelle maintenant les procédés chimiques. L’industrie chimique se maintient avec les progrès scientifiques et techno- logiques. Elle intègre d’autres disciplines émergentes telles que les biotechnologies, la microélectronique, la pharmacologie et la science des matériaux. La discipline est aussi concernée par l’économie et les besoins de protéger l’environnement.

On définit la chimie industrielle comme la branche de la chimie qui applique des procédures physiques et chimiques à travers la transformation de matières premières naturelles et leurs dérivés en produits qui sont bénéfiques pour l’humanité.

La chimie classique (chimie organique, inorganique et physique) est très essentielle pour faire avancer la science de la chimie en découvrant et rapportant de nouveaux produits, de nouvelles voix ou techniques. D’un autre côté, la chimie industrielle nous aide à rapprocher la chimie classique comme elle est enseignée au lycée et à l’université, et la chimie qui est pratiquée de façon commerciale. Le champ de la chimie industrielle implique donc:

• L’exploitation de matériaux et de l’énergie à une échelle appropriée

• L’application de la science et de la technologie pour permettre à l’humanité de bénéficier de la chimie dans des domaines tels que la production alimen- taire, la santé et l’hygiène, l’habitation, la protection, la décoration, les loisirs.

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1.2. Le classement des industries

L’industrie est un terme général qui se réfère à toutes les activités économiques qui ont affaire avec les productions de biens et de services. Les biens et les services sont des mots clés quand on parle de l’industrie. On s’attend à ce que l’industrie comprenne les secteurs suivants :

• Fabrication

• Agriculture

• Énergie

• Transport

• Communication

• Éducation

• Tourisme

• Bâtiment et construction

• Commerce

• Finance,

• etc.

1.2.1. Classement de l’industrie manufacturière

L’industrie manufacturière est le domaine étudié dans ce module. Cette industrie produit des biens manufacturés. Ceci la distingue d’autres secteurs comme l’agri- culture qui produit aussi des biens. Dans le secteur de la fabrication, la matière est transformée en matériaux de plus grande valeur.

On définit l’industrie manufacturière comme suit:

L’industrie manufacturière est le compartiment de l’industrie ou de l’économie qui est concernée par la production ou la fabrication des biens à partir de ma- tières premières au moyen d’une main d’œuvre organisée.

L’industrie manufacturière peut être classée en deux catégories principales qui sont, l’industrie lourde et l’industrie légère.

• Les industries capitalistiques sont classées comme industrie lourde alors que les industries de main d’œuvre sont classées comme industrie légère.

• Les industries légères sont plus faciles à délocaliser que les industries lourdes et nécessitent moins d’investissement pour être construites.

À partir des critères de classement ci-dessus, des exemples d’industries lourdes ren- voient celles qui produisent des machines industrielles, des véhicules et des produits chimiques de base.

D’autres mesures utilisées pour classifier les industries incluent le poids et le volume des produits rapportés au coût de production. Par exemple, le poids de l’acier produit par dollar est plus élevé que le poids par dollar d’un médicament. Dans ce cas l’in-

dustrie de l’acier est une industrie lourde alors que la fabrication des médicaments est une industrie légère.

Parfois, les gouvernements définissent l’industrie lourde en lien avec son impact sur l’environnement. De nombreuses lois sur le contrôle de la pollution visent les industries lourdes qui, dans la plupart des cas, polluent plus que les industries légères.

Ainsi, l’industrie papetière est une industrie lourde, car sa contribution à la pollution est énorme.

Les industries de chimie inorganique et organique peuvent être soient des industries lourdes soient des industries légères. Par exemple, l’industrie pharmaceutique, laquelle est principalement de la chimie organique est une industrie légère. Le raffinage du pétrole est aussi de la chimie organique, mais une industrie lourde. L’industrie du fer et de l’acier est du domaine de la chimie inorganique, mais est une industrie lourde.

1.2.2. Les sous-secteurs de l’industrie manufacturière

Parce que les matières premières et les produits manufacturés actuels sont très variés, différentes compétences et technologies sont nécessaires dans le domaine de la fa- brication. Ce domaine est donc divisé en sous-secteurs lesquels traitent typiquement des catégories des biens tels que les suivants :

• Alimentation, boisson et tabac

• Textiles, prêts-à-porter, maroquinerie

• Produis papetiers, imprimerie et édition

• Produits chimiques, pétrole, caoutchouc et produits plastiques

• Produits minéraux non métalliques autres que les produits du pétrole

• Produit de métal de base, machines et équipements

Nous allons maintenant traiter du sous-secteur des produits chimiques, pétrole, caoutchouc et produits plastiques. Généralement, ce sous-secteur est appelé l’in- dustrie chimique.

1.3. L’industrie chimique

L’industrie chimique peut aussi être subdivisée suivant le type de matières premières principales et/ou le type de produits principaux fabriqués. Il existe donc les industries de chimie inorganique industrielle et les industries de chimie organique indus- trielle. Les industries de chimie inorganique industrielle extractent les substances chimiques inorganiques, fabriquent des composites à partir de ces substances, mais synthétisent aussi des produits inorganiques.

Les industries lourdes de chimie organique industrielle produisent les carburants à base de pétrole, les polymères, les produits pétrochimiques et autres matières syn- thétiques, principalement à partir du pétrole.

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Les industries légères de chimie organique industrielle produisent des produits chimiques de spécialité lesquels comprennent les produits pharmaceutiques, les co- lorants, les pigments et peintures, les pesticides, les savons et détergents, les produits cosmétiques et divers d’autres produits.

1.3.1. La structure de l’industrie chimique mondiale

D’ordinaire, on attribue une valeur à quelque chose en fonction de combien cela a coûté. Certaines choses sont de grandes valeurs tandis que d’autres sont de faibles valeurs. Pour les produits de faibles valeurs, il est nécessaire de les produire grande quantité pour faire un profit significatif. Ceci implique que les matières premières sont bon marché et facilement accessibles. Le procédé technologique existant est aussi relativement simple et facilement accessible. Pour vendre une grande quantité de produits, il doit y avoir un marché. Ceci apporte une dure concurrence laquelle permet de garder les prix bas.

On peut maintenant décrire la structure de l’industrie chimique mondiale.

1.3.1.1. Produits chimiques banalisés:

L’industrie chimique mondiale est fondée sur les produits chimiques inorganiques de base (BIC) et les produits chimiques organiques de base (BOC) et leurs intermédiaires.

Comme ils sont produits directement à partir de ressources naturelles ou des dérivés immédiats des ressources naturelles, ils sont produits en grande quantité.

Dans les 10 premiers BIC, la plupart du temps, l’acide sulfurique, le diazote, le dioxygène, l’ammoniac, la chaux, l’hydroxyde de sodium, l’acide phosphorique et le dichlore dominent. La raison pour laquelle l’acide sulfurique est toujours numéro 1 est parceque’elle est utilisée dans la fabrication des engrais, des polymères, des médicaments, des peintures, des détergents et du papier. Elle est aussi utilisée dans le raffinage du pétrole, en métallurgie et dans de nombreux autres procédés. Le rang élevé de l’oxygène s’explique par le fait qu’il est utilisé dans l’industrie de l’acier.

L’éthylène et le propylène sont habituellement parmi les 10 premiers des BOC. Ils sont utilisés dans la production de nombreux produits chimiques organiques incluant les polymères.

BIC et BOC font référence aux produits chimiques industriels ou banalisés.

Les produits chimiques banalisés sont donc définis comme produits de faible valeur, produits en grande quantité principalement par procédés continus. Ils sont de grade technique ou d’utilité générale.

1.3.1.2. Les produits chimiques de spécialité:

L’augmentation de la valeur implique la production de petites quantités de produits chimiques pour des utilisations finales particulières. De tels produits sont appelés produits chimiques de spécialité.

Ce sont des produits de grande valeur ajoutée, produits en en peitest quantités et vendus pour une fonction spécifique.

Dans cette catégorie on retrouve les soi-disant produits chimiques performants, lesquels sont des produits de grande valeur, fabriqués en petite quantité et utilisés en extrême petite quantité. Ils sont jugés par leur performance et leur efficacité. Les enzymes et les colorants sont des produits chimiques performants. Parmi d’autres exemples de produits chimiques de spécialité on peut citer : les produits pharmaceu- tiques, les produits agrochimiques, les pigments, les arômes et parfums, les produits de soins personnels, les surfactants et les colles.

Les produits chimiques de spécialité sont principalement utilisés sous forme de for- mulation. La pureté est d’une importance vitale dans leur formulation. Ceci nécessite la synthèse organique de produits chimiques purs de grande valeur connus en tant que produits de chimie fine.

1.3.1.3. Produits de chimie fine:

Parfois, il s’avère que la matière première nécessire à vos produits doit être très pure afin que les produits fonctionnent comme désiré. Les produits chimiques de recherche sont dans cette catégorie ainsi que les ingrédients pharmaceutiques. De tels produits chimiques purs ou raffinés sont appelés produits de chimie fine. Par définition, ils sont des substances chimiques pures et organiques de grande valeur ajoutée produits relativement en petites quantités et vendus sur la base des spécifications exactes de pureté plutôt que sur des caractéristiques fonctionnelles.

La portion du marché mondial pour chaque type de produits est approximativement comme suit :

Produits chimiques banalisés 80%

Produits chimiques de spécialité 18%

Produits de chimie fine 2%

1.4. Matières premières pour l’industrie chimique

Nous avons porté notre attention sur les produits de l’industrie chimique. Mais puisque l’industrie chimique n’existerait pas sans les matières premières, ce sujet est abordé à ce niveau du module.

Tous les produits chimiques sont dérivés de matières premières disponibles dans la nature. Le prix de ces produits dépend de la disponibilité de leurs matières premières.

Les industries chimiques majeures se sont donc développées autour des matières premières les plus abondantes.

L’environnement naturel est source de matières premières pour l’industrie chimi- que.

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Les matières premières de l’atmosphère

L’atmosphère est le champ au-dessus du sol. C’est la source d’air à partir de laquelle six gaz industriels, N₂, O₂, Ne, Ar, Kr et Xe, sont fabriqués. La masse de l’atmosphère terrestre est approximativement 5 x 10¹⁵ tonnes si bien que l’approvisionnement en gaz est illimité.

Les matières premières de l’hydrosphère

L’eau de l’océan qui s’élève à 1,5 x 10²¹ litres contient environ 3,5 % en masse de matière dissoute. L’eau de mer est une bonne source de chlorure de sodium, de ma- gnésium et de brome.

Les matières premières de la lithosphère

La grande majorité des éléments sont obtenus à partir de la croûte terrestre sous la forme de minerais minéraux, de carbone et d’hydrocarbures. Le charbon, le gaz naturel et le pétrole brut en plus d’être des sources d’énergie sont aussi convertis en des milliers de produits chimiques.

La matière première de la biosphère

La végétation et les animaux contribuent aux matières premières pour ce qui est appelé les agro-industries. Les huiles, les graisses, les paraffines, les fibres naturels et le cuir sont des exemples des milliers de produits naturels.

1.4. Les processus chimiques

Chaque processus industriel est destiné à produire un produit désiré à partir d’une variété de matières premières de départ utilisant l’énergie à travers une succession d’étapes de traitement intégrées de manière raisonnée. Les étapes de traitement sont de nature physique ou chimique.

L’énergie est une entrée ou une sortie du processus chimique.

Le schéma du processus chimique indique les aires où :

• les matières premières sont prétraitées

• la conversion prend place

• la séparation des produits à partir des sous-produits est menée

• le raffinage/la purification des produits a lieu

• les points d’entrée et de sortie de service tel que le refroidissement par l’eau ou la vapeur

1.4.1. Les unités qui constituent un processus chimique

Un processus chimique consiste en une combinaison de réactions chimiques telles que la synthèse, la calcination, l’échange d’ions, l’électrolyse, l’oxydation, l’hydratation et les opérations basées sur les phénomènes physiques telles que l’évaporation, la cristallisation, la distillation et l’extraction.

Un processus chimique est donc n’importe quelle simple unité de traitement ou une combinaison d’unités de traitement utilisées pour la conversion de matière première à travers n’importe quelle combinaison de traitement physique ou chimique pour la changer en produit fini.

1.4.1.1. Unité de procédé

Les unités de procédé sont les transformations ou les conversions chimiques qui sont réalisées dans un processus.

Dans le tableau 1.1, des exemples de quelques unités de procédés sont donnés.

Tableau 1.1 Exemples d’unités de procédés

Acylation Calcinations Déshydrogénation Hydrolyse Alcoolyse Carboxylation Décomposition Échange d’ions Alkylation caustification Électrolyse Isomérisation Amination Combustion Estérification Neutralisation Ammoniolyse Condensation Fermentation Oxydation Aromatisation Déshydratation Hydrogénisation Pyrolyse

1.4.1.2. Les unités d’opérations

Il existe de nombreux types de processus chimiques qui constituent l’industrie chimi- que mondiale. Cependant, chacun peut être divisé en une série d’étapes appelées unité d’opérations. Ils représentent les étapes de traitement physique lesquels sont utile pour :

• mettre la matière première dans une forme qui peut réagir chimiquement

• mettre le produit dans une forme adéquate pour le marché

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Dans le tableau 1.2, quelques unités d’opération communes sont données.

Tableau 1.2 Exemples d’unités d’opérations

Agitation Dispersion Transfert de chaleur Pulvérisation Distillation Humidification Centrifugation Évaporation Mélangeage

Classement Filtration Pompage

Écrasement Flottation Sédimentation

Décantation Absorption gazeuse Fragmentation

L’arrangement et la séquence des différentes unités d’opérations couplées avec les unités de procédés et l’ensemble couplé avec les entrées de matière donnent à chaque processus son caractère individuel. Les opérations individuelles ont des techniques communes et sont basées sur les mêmes principes scientifiques. Par exemple, dans de nombreux processus, les solides et les liquides doivent être remués; le chauffage ou d’autres formes d’énergie peuvent être transférés à partir d’une substance à une autre, le séchage, la fragmentation, la distillation et l’évaporation sont réalisés.

En étudiant systématiquement les unités d’opérations, lesquelles traversent l’in- dustrie et les lignes de procédés, le traitement de tous ces processus est unifié et simplifié.

1.5. Schéma de procédés

Une image en dit plus que 1000 mots

Certains processus chimiques sont très simples; d’autres tels que le raffinage des huiles et des usines pétrochimiques sont très complexes. La description de certains processus pourrait demander beaucoup de texte et prendre beaucoup de temps à lire sans pour autant être compris à 100 %. Des erreurs provenant d’une mauvaise com- préhension des processus peuvent être très couteuses.

Pour simplifier la description du processus, un schéma de procédé aussi connu sous le nom de schéma des variables opératoires est utilisé. Un schéma de procédé est la carte routière du procédé, lequel donne une grande quantité d’informations dans un petit espace. Les ingénieurs chimistes l’utilisent pour montrer les séquen- ces d’équipement et les unités d’opération dans son ensemble pour simplifier la visualisation des procédures de fabrication et pour indiquer les quantités de matière et d’énergie transférées.

Un schéma de procédé n’est pas un schéma à l’échelle, mais il :

• illustre les étapes de processus chimiques dans leur séquence propre et logi- que

• donne suffisamment de détails afin qu’une interprétation mécanique puisse être faite

Deux types de schéma de procédés sont communément utilisés, le schéma de fabri- cation et le schéma des variables opératoires.

1.5.1. Le schéma de fabrication

Ceci est un schéma de fabrication qui montre :

• ce qui est à faire plutôt que comment c’est à faire. Les détails des unités d’opérations et de procédés ne sont pas donnés.

• l’écoulement au moyen de lignes et de flèches

• les unités d’opérations et de procédés par des formes géométriques tels que des rectangles et des cercles

• les matières premières, les intermédiaires et les produits finis

La figure 1.1 est un exemple de schéma de fabrication.

Figure 1.1 Un schéma de fabrication pour une usine d’acide sulfurique

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1.5.2. Le schéma des variables opératoires

Les usines chimiques sont construites à partir de dessins de procédés ou de schémas des variables opératoires dessinés par les ingénieurs chimistes pour communiquer les concepts et les plans. La communication est affaiblie si le lecteur n’a pas d’illus- trations claires et sans fautes. Du temps est aussi perdu quand le lecteur s’interroge ou déchiffre le schéma. Le lecteur peut faire des erreurs graves à cause d’une inter- prétation erronée du schéma.

La communication est améliorée si les symboles acceptés par tous sont utilisés. Parmi les avantages d’une utilisation correcte des symboles on peut citer :

• la fonction à exécuter est mise en valeur en éliminant les distractions causées par des détails

• la possibilité d’erreurs qui est probable quand des détails sont répétés plusieurs fois est virtuellement éliminée

• les symboles d’équipement devraient ni dominer le dessin ni être trop petit pour une meilleure compréhension.

Les symboles des schémas des variables opératoires sont des illustrations rapides à des- siner, des symboles faciles à comprendre qui dépassent les barrières de la langue.

Certains ont déjà été acceptés comme normes nationales alors que d’autres sont des symboles communément utilisés dans les industries de procédés chimiques, lesquels se sont montrés être efficaces. Les ingénieurs inventent constamment leurs propres symboles où les normes n’existent pas. Ainsi, les symboles et les représentations peuvent varier d’un dessinateur ou d’une compagnie à l’autre.

Ci-dessous est le schéma des variables opératoires du ciment illustrant l’utilisation des symboles d’équipement.

Figure 1. 2: Un schéma des variables opératoires pour la fabrication du ci- ment.

1.6. Bilan de matière

À partir de la loi de la conservation de la masse, nous savons qu’aucune masse ne peut être créée ou détruite. Cependant, dans les réactions nucléaires, la masse et l’énergie peuvent être converties l’une l’autre. À cause de ceci, nous pouvons écrire les équations appelées « bilan des masses » ou « bilan de matière ». N’importe quel processus qui est étudié doit satisfaire les bilans de la quantité de matière totale, pour chaque composant chimique et pour chaque espèce atomique individuelle.

Comme nous l’avons vu dans l’étude des schémas de procédés, un procédé peut avoir plusieurs ou beaucoup de courants suivant sa complexité.

1.6.1. Le but des calculs des bilans de matière

Les calculs des bilans de matière présentent beaucoup d’intérêts. En effet :

1. Ils nous aident à connaître la quantité et la composition de chaque courant dans le procédé.

2. Les calculs obtenus en 1 forment la base des bilans d’énergie à travers l’ap- plication de la loi de la conservation de l’énergie.

3. Ils nous permettent de faire des évaluations techniques et économiques du procédé et des unités de procédé à partir de la connaissance de la consomma- tion de matière et d’énergie et du rendement des produits obtenu.

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4. Ils nous permettent de connaître de façon quantitative les émissions environ- nementales du procédé.

Dans les calculs de bilan de matière, nous commençons avec deux hypothèses :

• il n’y a pas de transfert de masse ou d’énergie

• la masse est conservée pour chaque élément ou composé (la conservation peut concerner le nombre de moles ou la masse)

Il est important de noter ce qui suit :

• La masse et les atomes sont conservés

• Les moles sont conservées seulement quand il n’y a pas de réaction • Le volume n’est pas conservé.

Vous pouvez écrire des bilans pour la masse totale, pour le nombre de moles total, la masse d’un composé, le nombre de moles d’une espèce atomique, le nombre de moles d’un composé, la masse des espèces, etc..

1.6.2. Équations des bilans de matière

Nous pouvons être tentés de croire que dans un processus, Entrée = Sortie

En pratique, certaines matières peuvent être accumulées dans le processus ou dans certaines unités de procédés particulières. Par exemple, dans un procédé discontinu, une certaine quantité de matière peut rester adhérée aux parois des conteneurs. Lors de la déshydratation de l’éthane en éthylène, les réactions suivantes ont lieu :

C₂H_{6 (g)} C₂H_4(g)

C₂H_{6 (g)} 2C_(s) +3H_2(g)

C₂H_4(g) 2C_(s) +2H_2(g) Le carbone s’accumule dans le réacteur.

À cause du fait que les procédés peuvent être discontinus avec aucune entrée ou sortie ou continus avec une entrée et une sortie, et qu’il peut y avoir conversion des espèces chimiques, une équation correcte du bilan de matière prend en compte tous ces aspects. Ce qui suit est une équation générale du bilan de matière.

Accumulation à l’intérieur du système

= Courant entrant à travers les lignes du système - Courant sortant à travers les lignes du système + Génération à l’intérieur du système

- Consommation à l’intérieur du système

Simplement exprimé:

Accumulation = Courant entrant – Courant sortant + Production – Consom- mation

Le système est n’importe quel procédé ou portion du procédé choisi pour analyse. Un système est dit « ouvert » si la matière coule à travers la ligne du système pendant l’intervalle de temps qu’il est étudié; « fermé » s’il n’y a aucun écoulement d’entrée ou de sortie.

L’accumulation est habituellement la vitesse de changement du retard de la matière à l’intérieure du système. Si la matière est augmentée, l’accumulation est positive;

si la matière est diminuée, l’accumulation est négative. Si le système ne change pas avec le temps, on dit qu’il est dans un régime permanent, et l’accumulation nette sera zéro.

La génération et la consommation de matière sont les conséquences des réactions chimiques. S’il n’y a pas de réactions chimiques, les termes de production et de consommation sont typiquement de zéro.

1.6.3. Procédure pour le calcul du bilan de matière

La procédure générale pour mener les calculs de bilan de matière est la suivante : 1. Faire un schéma de fabrication (schéma des variables opératoires) du pro-

cédé

2. Attribuer un numéro à chaque courant

3. Lister tous les composés qui participent au procédé

4. Trouver les composés qui sont dans chaque courant et les lister à côté du courant dans le schéma de fabrication

5. Décider d’une référence appropriée pour les calculs, p. ex. 100kg de matière première A, 100kg/hr A, 1 tonne de produit, 100 moles du réactant B, etc.

6. Trouver le nombre total de relations indépendantes. Ceci équivaut au nombre total d’éléments d’écoulement.

7. Repérer les différentes relations entre les éléments d’écoulement et les relations indépendantes pour calculer les concentrations.

8. Mettre sous forme de tableau les résultats.

1.6.4. Exemple:

Trois matières premières sont mélangées dans une cuve pour fabriquer un produit final avec, respectivement, un rapport de 1 :0,4 :1,5. La première matière première contient A et B avec 50 % de A. La seconde matière première contient C tandis que la troisième matière première contient A et C avec 75 % de A. En assumant que le procédé est continu en régime permanent, trouver l’écoulement et la composition du produit.

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Réponse :

1. Faire un schéma de fabrication (schéma des variables opératoires) du procédé

2. Attribuer un numéro à chaque courant

F₂

F₁ F₃

F₄

3. Lister tous les composés qui participent au procédé Les composés sont A, B et C.

4. Trouver les composés qui sont dans chaque courant et les lister à côté du courant dans le schéma de fabrication

W représente la composition en poids.

F₂ W_C2

W_A1, W_B1 F₁ F₃ W_A3, W_C3

F₄ W_A4, W_B4, W_C4

5. Décider d’une référence appropriée pour les calculs.

Nous allons utiliser la référence de 100kg/hr pour la première matière première 6. Trouver le nombre total de relations indépendantes. Ceci équivaut au nombre

total d’éléments d’écoulement.

Le nombre total de relations indépendantes = le nombre total d’éléments d’écou- lement

Les éléments d’écoulement sont W_A1, W_B1, W_C2, W_A3, W_C3, W_A4, W_B4, W_C4 = 8 Ainsi le nombre total de relations indépendantes = 8

7. Repérer les différentes relations entre les éléments d’écoulement et les relations indépendantes pour calculer les concentrations.

Nous avons besoin d’au moins 8 relations mathématiques indépendantes pour pouvoir résoudre ce problème. Celles-ci sont :

• Référence : Courant F₁ est 100kg

• Le rapport des trois matières premières

• W_A1 est 50%

• W_C2 est 100%

• W_C3 est 25%

• Le bilan de matière pour A

• Le bilan de matière pour B

• Le bilan de matière pour C

Nous avons le nombre requis de relations indépendantes et nous pouvons procéder aux calculs.

Nous commençons avec l’équation de bilan général :

Accumulation = Courant entrant – Courant sortant + Production – Consom- mation

Pour une réaction de mélange, la production et la consommation sont de zéro.

Ainsi :

Accumulation = (F₁ + F₂ + F₃) – F₄ où les vitesses d’écoulement sont en kg par heure.

Parce que le système est en régime permanent, l’accumulation est de zéro, et : F₄ = F₁ + F₂ + F₃

À partir des courants entrants, F₂ = 0,4X(100/1) = 40kg F₃ = 1,5X(100/1) =150kg Ainsi F₄ = 100 + 40 + 150

= 290kg

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La prochaine étape est de trouver les quantités de A, B et C dans F₄. Pour cela, nous devons écrire l’équation du bilan de matière pour chacun des trois composés en n’assumant aucune accumulation. Pour A :

Accumulation_A = Courant entrant_A – Courant sortant_A + Production_A – Consomma- tion_A

Accumulation_A = 0 = (F₁ W_A1 + F₂ W_A2 + F₃ W_A3) – F₄ W_A4 0 = 100(0,5) + 40(0) + 150(0,75) – 290W_A4

= 162,5 – 290W_A4 W_A4 = 162,5/290

= 0,56

Des bilans semblables sont faits pour B et C :

Accumulation_B = 0 = (F₁ W_B1 + F₂ W_B2 + F₃ W_B3) – F₄ W_B4 0 = 100(0,5) + 40(0) + 150(0) – 290W_B4

= 50 – 290W_B4 W_B4 = 50/290

= 0,17

Accumulation_C = 0 = (F₁ W_C1 + F₂ W_C2 + F₃ W_C3) – F₄ W_C4 0 = 100(0) + 40(1) + 150(0,25) – 290W_C4

= 77,5– 290W_C4 W_C4 = 77,5/290

= 0,27

Il est toujours bon de vérifier si les réponses sont cohérentes. Ceci se fait en addi- tionnant les fractions massiques :

W_A4 + W_B4+ W_C4 = 0,56 + 0,17 + 0,27 = 1,0 Ceci prouve que la réponse est correcte.