Chapitre 3 [PDF]

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Chapitre III : Les méthodes de l’intensification des procédés

Selon le procédé traditionnel de la réaction et de la séparation, plusieurs opérations unitaires sont nécessaires pour atteindre la pureté souhaitée des produits. Après le réacteur, une zone de purification est nécessaire pour séparer les produits des autres constituants comme les sous-produits, les effluents ou les réactifs à recycler. Dans le cas de réactions équilibrées, des étapes de séparation supplémentaires et des recyclages des réactifs sont impérativement nécessaires. Ces étapes supplémentaires, qui exigent plusieurs opérations unitaires, augmentent le coût du procédé. L’une des classes des procédés intensifiés est constituée par les réacteurs multifonctionnels III-1

Les réacteurs multifonctionnels

C’est quoi les réacteurs multifonctionnels ?? Ils sont décrits comme des réacteurs intégrant au moins une autre opération unitaire qui était traditionnellement exécutée dans un appareil séparé L’intégration de la réaction et de la séparation (transfert de matière) constitue la classe la plus significative de réacteurs multifonctionnels les plus connus et répandus dans l’industrie chimique. Deux fonctionnements différents peuvent alors être distingués : 1- La séparation peut être au service de la réaction 2- La réaction peut être au service de La séparation Les différents exemples des réacteurs multifonctionnels trouvés sur le plan industriel sont : Séparation réactive Adsorption réactive Absorption réactive Extraction réactive Distillation réactive

Phase de la réaction Liquide /gaz Gaz Liquide Liquide

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Phase de transfert Solide Liquide Liquide Vapeur

Potentiel de séparations Coefficient d’adsorption Coefficient d’absorption Solubilité Température d’ébullition

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III-1-1 Distillation réactive La distillation réactive est l’un des procédés chimiques intensifiés les plus reconnus dans les séparations réactives, qui intègrent la séparation et la réaction au sein d’un même appareil. Bien que l’on parle toujours de séparation réactive, un des deux phénomènes de réaction ou de séparation est souvent considéré comme prenant le pas sur l’autre. Deux fonctionnements différents peuvent alors être distingués : 1- La réaction peut être au service de la distillation : S’il faut séparer un mélange difficile telle qu’un mélange azéotropique ou à faible volatilité relative La séparation donc peut être améliorer en utilisant un autre constituant (agent réactif) qui réagit avec l’un des composants d’origine (composant réactif). 2- La séparation peut être au service de la réaction : Dans le cas des réactions limitées par un équilibre chimique, le taux de conversion des réactions peut augmenter avec la distillation. Comme les produits sont continûment éliminés du mélange avec la distillation, l’équilibre de la réaction se déplace et il en résulte plus en plus de produits. ✓ -

Les principaux avantages de la distillation réactive Amélioration de la conversion de la réaction La diminution significative des investissements La diminution de consommation énergétique La diminution la production de sous produits

✓ Application de la distillation réactive : Plusieurs avantages de la distillation réactive existent par rapport à un procédé réactionnel classique. Des avantages sont illustrés au travers de l’exemple du procédé de la production d’acétate de méthyle. La production de l’acétate méthylique (CH3OOCH3, MeOAc) peut être effectuée par la réaction d’estérification de l’acide acétique (CH3COOH, AcOH) avec méthanol (CH3OH,MeOH) et catalysée par H2SO4 ou par une résine acide.

MeOH + AcOH → H2O +MeOAC - Procédé conventionnel de production d’acétate de méthyle Le procédé conventionnel utilise un ou plusieurs réacteurs en phase liquide avec un grand excès d’un réactif afin de réaliser une conversion assez élevée. Le flowsheet du procédé conventionnel se trouve sur la figure 1. Le réacteur est suivi de huit colonnes de distillation, une extraction liquide-liquide et un décanteur. Ce procédé Module : intensification des procédés Dr I.RAACHE

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exige un grand investissement en équipement, un coût énergétique très élevé et une grande quantité des solvants. Procédé intensifié de production d’acétate de méthyle Dans le procédé intensifié (inventé par Eastman Chemical Company dans les années 1920’s) la production est entièrement effectuée dans une seule colonne comme le montre la Figure 2. Dans cette colonne, une grande pureté d’acétate de méthyle est obtenue sans étapes additionnelles de purification et sans recycler des réactifs qui n’ont pas réagi. En distillant l’acétate de méthyle du mélange réactionnel, la conversion est augmentée sans employer un excès de l’un des réactifs. Comme la réaction est limitée par l’équilibre chimique, l’élimination continue des produits à l’aide de distillation déplace continûment le sens de la réaction dans le sens de la formation des produits. La colonne contient trois sections différentes. La zone réactive se trouve au dessous de l’alimentation de catalyseur (zone grise sur la Figure2). Le réactif le plus léger, MeOH est alimenté à la section inférieure et l’acide acétique, qui est plus lourd est alimenté à la section supérieure. La section inférieure sert à ’stripper’ le MeOH de l’eau. La vapeur en sortant de la section réactive contient de l’azéotrope de MeOAc- MeOH, qui est cassé en alimentant l’acide acétique d’une façon continue dans la section supérieure.

Figure 1 : Procédé conventionnel de production d’acétate de méthyle

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Figure 2 : Procédé intensifié de production d’acétate de méthyle III-1-2 L'absorption réactive (RA) L’absorption réactive est une opération unitaire comprenant l'absorption de gaz dans des solutions liquides avec des réactions chimiques simultanées dans un seul appareil. Quelques applications industrielles de l'absorption réactive -

Enlèvement de CO2 et H2S Absorption sélective de H2S Traitement de gaz de synthèse (élimination du CO2) HCl et absorption d'ammoniac Absorption des gaz nitreux III-1-3 Extraction réactive

Les procédés d'extraction réactifs impliquent une réaction simultanée et une séparation liquide-liquide et peuvent être efficacement utilisés pour obtenir des améliorations significatives des rendements des produits désirés La combinaison de la réaction avec l'extraction liquide- liquide peut également être utilisée pour la séparation des sous-produits de déchets qui sont difficiles à séparer en utilisant des techniques conventionnelles.

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III-1-4 Réacteur à membrane Un réacteur à membrane (MR) est un dispositif pour effectuer simultanément une réaction et une séparation à base de membrane dans le même dispositif. Par conséquent, la membrane joue non seulement le rôle d'un séparateur, mais participe également dans la réaction elle-même. -

Dans de nombreux cas, les membranes ont des catalyseurs incorporés dans leur structure poreuse ou sur les surfaces. Les membranes dans de tels cas sont appelées membranes catalytiques.

Les réacteurs catalytiques membranaires (RCM) peuvent être définis comme des réacteurs tirant un avantage spécifique de la synergie entre un catalyseur et une membrane, lorsqu’ils sont exploités dans le même dispositif Parmi les types de réacteur catalytiques membranaires on a : -

1- Les RCM extracteurs Ce dispositif peut être décrit par un lit catalytique au contact d’une membrane hautement permsélective à un des produits de la réaction. Ce réacteur tire donc profit de l’extraction d’un produit pour déplacer l’équilibre de la réaction et obtenir ainsi rendements et productivités supérieurs à ceux obtenus dans un lit fixe traditionnel. L’exemple le plus connu de réaction étudiée dans ce type de CMR est la déshydrogénation, en général avec l’aide d’une membrane à base de palladium, spécifiquement perméable à l’hydrogène.

Figure 3 : un exemple de CMR extracteur appliqué la déshydrogénation de l’isobutane dans une membrane de forme tubulaire 2- Les RCM distributeurs Dans ce second type de RCM, la membrane est utilisée pour distribuer un réactif le long du lit catalytique. L’objectif est ici d’éviter les réactions d’additions successives du réactif, en contrôlant la concentration de celui-ci en tout point du lit catalytique, grâce au rôle distributeur de la membrane. La configuration Module : intensification des procédés Dr I.RAACHE

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distributeur a été appliquée à une réaction d’oxydations partielles, celle du butane vers l’anhydride maléique.

Figure 4 : Principe du CMR distributeur dans une membrane tubulaire* Les fonctions génériques effectuées par des membranes dans les réacteurs sont 1-

Séparation des produits de la réaction afin de conduire les

réactions limitées à l'équilibre à des niveaux plus élevés de conversion, pour supprimer les réactions indésirables, pour augmenter la sélectivité 2- Ajout contrôlé d'un réactif ou deux réactifs, afin d'améliorer le rendement de produits intermédiaires souhaités, et éviter l'emballement thermique des réactions fortement exothermiques

III-2

Les séparations hybrides

III-2-1 C’est quoi la séparation hybride ??

De manière générale, les séparations hybrides peuvent être décrites comme des méthodes de traitement intégrer deux ou plusieurs techniques de séparation différentes en une seule opération Utilisation de la synergie entre eux. Permette d’augmenter la spécification de séparation sur le plan industriel pour la séparations hybrides on a : -

distillation Adsorptive Distillation membranaire Distillation extractive

-

Absorption membranaire / décapage Membranes adsorbants Membrane extraction

III-2-2 La distillation membranaire

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Comme son nom l'indique, il s'agit d'un procédé hybride combinant à la fois le procédé de distillation et un procédé à membrane. La force de transfert est la différence de pressions partielles de vapeur entre les deux côtés de la membrane. L'hydrophobicité de la membrane empêche le liquide d'entrée dans les pores grâce à la tension de surface. Ainsi, des interfaces liquides/vapeurs sont créées à proximité des pores. La vapeur qui a traversé la membrane est condensée par divers procédés possibles puis recueillie à l'état liquide. Air Gap (trou d’air) Membrane Distillation (AGMD) Une lame d'air est interposée entre la membrane et la surface de condensation. De ce fait, les molécules volatiles évaporées vont traverser les pores de la membrane et la lame d'air pour finalement se condenser sur une surface plus froide à l'intérieur du module membranaire.

Figure 5 : Schémas de principe de l'AGMD La Sweeping Gas Membrane Distillation Un gaz froid inerte balaie la membrane du côté du perméat emportant avec lui les molécules vaporisés. La condensation a ensuite lieu à l'extérieur du module membranaire.

Figure 6 : Schémas de principe de la SGMD Module : intensification des procédés Dr I.RAACHE

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Application de la distillation membranaire - Désalinisation d'eau de mer

III-2-3 Distillation extractive La distillation extractive est probablement le type de séparation hybride le plus ancien et le plus largement appliqué , particulièrement utile dans les problèmes à point d'ébullition proche ou dans les systèmes dans lesquels les composants forment des azéotropes Et adapté aux coupes contenant des composés de familles différentes ayant des volatilités proches Cette opération utilise un solvant appelé agent d'entraînement, qui augmente la volatilité de l'un des composants afin d’effectuer une séparation chimique Dans la distillation extractive le solvant : -

doit être Totalement miscible avec les composants du mélange à séparer pour empêcher la formation de deux phases liquides ne doit pas former un azéotrope avec une des substances à séparer, En outre, il devrait être peu coûteux, disponible et non toxique, et avoir une faible viscosité.

Un exemple typique d'une distillation extractive est la séparation de l'azéotrope benzène - cyclohexane. Par l'addition d'un agent d'entraînement N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) , l'azéotrope est brisé et la séparation est rendue possible.

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