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Zitiervorschau

INTRODUCTION

L'intensification des procédés joue un rôle majeur dans la réalisation des améliorations souhaitées dans le traitement des options à travers la conception des procédés qui constituent des alternatives plus durables, c'est-à-dire des opérations hybrides / intensifiées (équipement). Le fonctionnement de l'unité hybride / intensifié est une opération qui améliore la fonction d'une ou plusieurs des opérations des unités pour exécuter une tâche ou un ensemble de tâches à travers une nouvelle conception de l’opération de l'unité ou la combinaison de plusieurs opérations d'une unité. Par exemple : La distillation réactive est une combinaison de réaction et de séparation comme la montre la figure 1a. Un réacteur à membrane est une combinaison de réaction et d'élimination in situ d'un réactif ou produit comme la montre la figure 1b.

Figure1: La distillation réactive- réacteur à membrane Les colonnes à parois divisées :

Les colonnes à parois divisées sont équipées de cloisons verticales qui permettent de récupérer plusieurs produits à partir d'une seule colonne de distillation. Par exemple, supposons qu'un aliment contient trois produits chimiques: A, B et C (A étant le plus volatil et C étant le moins volatil des trois). Dans les conceptions classiques, deux colonnes de distillation sont utilisées pour la séparation. Dans la conception PI (Figure 2.B, côté droit), la séparation est accomplie dans une seule colonne. La charge est introduite d'un côté de la colonne, où elle est distillée en fractions A-B et B-C. De l'autre côté, A est séparé de B et récupéré du condensateur, C’est séparé de B et récupéré du rebouilleur, et B est récupéré à partir d'un point médian.

Figure2: Les colonnes à parois divisées

Application d’intensification du procédé à la distillation :

Séparations réactives : L’une des classes des procédés intensifiés est constituée par les réacteurs multifonctionnels. Ils sont décrits comme des réacteurs intégrant au moins une autre opération unitaire qui était traditionnellement exécutée dans un appareil séparé. 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, car la conversion est thermodynamiquement limitée. De plus dans le cas des réactions exothermiques, la chaleur de la réaction peut aussi causer des difficultés au niveau du contrôle de la température du réacteur ou bien au niveau de l’efficacité du catalyseur et de la dégradation des produits. Ces étapes supplémentaires, qui exigent plusieurs opérations unitaires, augmentent le coût du procédé.

Application de la distillation réactive dans la production d’acétate de méthyle : Plusieurs avantages de la distillation réactive existent par rapport à un procédé réactionnel classique. Dans cette section, les 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.

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 conventionnelle se trouve sur la figure 2. Le réacteur est suivi de huit colonnes de distillation, une extraction liquide-liquide et un décanteur. Ce procédé exige un grand investissement en équipement, un coût énergétique très élevé et une grande quantité des solvants.

Avantages de la distillation réactive : L'important de la distillation réactive est l’amélioration considérable du taux de conversion. La réaction équilibrée peut se déplacer dans le sens des produits en utilisant une séparation d’une façon continue. Par conséquent une meilleure productivité peut être atteinte avec la distillation réactive. La formation des sous-produits peut être limitée en appliquant la séparation et la réaction simultanément, car le temps de contact entre les réactifs est réduit, ce qui inhibe les réactions secondaires. Le risque de dégradation des produits et du catalyseur est plus faible, car le mélange est chauffé qu’une seule fois et la température est limitée par la température d’ébullition du mélange.

ABSORPTION

Processus consistant à retenir un matériau (absorbé) par un autre (absorbant); cela peut être la solution physique d'un gaz, d'un liquide ou d'un solide dans un liquide, la fixation de molécules d'un gaz, d'une vapeur, d'un liquide ou d'une substance dissoute à une surface solide par des forces physiques, etc. En spectrophotométrie, absorption de la lumière à une caractéristique les longueurs d'onde ou bandes de longueurs d'onde sont utilisées pour identifier la nature chimique des molécules, des atomes ou des ions et pour mesurer les concentrations de ces espèces. En général, l'absorption est un phénomène physique ou chimique ou un processus dans lequel des atomes, des molécules ou des ions entrent dans une phase en vrac - matériau liquide ou solide. Loi de Nernst Si l'absorption est un processus physique qui n'est accompagné d'aucun autre processus physique ou chimique, il suit généralement la loi de distribution de Nernst: "Le rapport des concentrations de certaines espèces de solutés dans deux phases en vrac lorsqu'elle est à l'équilibre et en contact est constant pour un soluté et des phases en vrac donnés": Cphase 1 =K Cphase 2

L'absorption est un processus qui peut être chimique (réactif) ou physique (non réactif). 1. Absorption chimique L'absorption chimique ou l'absorption réactive est une réaction chimique entre les substances absorbées et absorbantes. Parfois, il se combine avec l'absorption physique. Ce type d'absorption dépend de la stœchiométrie de la réaction et de la concentration de ses réactifs. 2. Absorption physique : L'eau dans un solide : Les solides hydrophiles, qui comprennent de nombreux solides d'origine biologique, peuvent facilement absorber l'eau. Les interactions polaires entre l'eau et les molécules du solide favorisent le partage de l'eau dans le solide, ce qui peut permettre une absorption significative de la vapeur d'eau même dans une humidité relativement faible.

Application de l’absorption : On trouve le phénomène d’absorption dans plusieurs domaine, comme : En biologie, l'absorption est un mode de nutrition des organismes vivants, notamment des bactéries et des champignons. En optique, l'absorption, processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité. Absorption des rayons gamma En physique et en chimie, l'absorption, est le processus par lequel des molécules de gaz ou de liquide mis en contact avec un matériau solide s'incorporent dans la totalité de son volume. Lorsque ce processus ne concerne que la surface du solide, on parle d'adsorption. En acoustique, la mesure du coefficient d'absorption d'énergie acoustique d'un matériau peut être réalisée au moyen d'un tube de Kundt ou d'un tube à impédance. En pharmacie, l'absorption est la première phase de la pharmacocinétique. En réfrigération, l'absorption de gaz constitue l'un des procédés permettant d'obtenir et de maintenir un système à une température inférieure à celle de l'environnement. En industrie textile, méthode de récupération d’humidité, une fibre végétale (ou un autre matériau hydrophile) qui a été exposée à l'atmosphère contiendra généralement de l'eau même si elle est sèche. L'eau peut être chassée par chauffage dans un four, conduisant à une diminution mesurable du poids, qui sera progressivement récupérée si la fibre est ramenée dans une atmosphère «normale». Cet effet est crucial dans l'industrie textile où la proportion du poids d'un matériau constituée d'eau est appelée la reprise d'humidité.

CONCLUSION Après avoir vu peu l’application de l’absorption, nous remarquons que c’est important pour notre environnement parce que nous l’avons trouvé dans beaucoup de champs. Elle permet du répondre aux exigences réglementaires de

rejet dans l’environnement. L’absorption physique est une technique non destructive, elle permet par exemple par la régénération du liquide, de recycler l’espèce polluante dans le procédé. Ceci représente à la fois un intérêt technique et économique.

Transfert de chaleur Tout échangeur de chaleur a pour fonction principale de transférer l'enthalpie contenue dans un fluide vers un autre fluide sous l'effet d'un écart de température. La surface d'échange à prévoir, et donc le coût de l'échangeur de chaleur, dépend directement de cet écart de température et du coefficient

d'échange thermique. L'intensification des échanges de chaleur contribue donc directement à réduire la surface d'échange à installer.

1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE La relation bien connue, qui relie le flux ou la puissance thermique échangée Φ et l'écart de température logarithmique moyen DTLM (article Échangeurs de chaleur. Définitions et principes généraux s'exprime par : Avec : K : (W · m–2 · K–1) coefficient d'échange global, S : (m2) surface d'échange de référence. L'industrie utilise des techniques d'intensification qui permettent d'augmenter le terme KS de façon significative. Ainsi pour une puissance thermique constante, l'augmentation de K permet : -de réduire la surface d'échange S, une réduction substantielle de la matière constituant la structure d'échange et du coût de l'appareil étant généralement obtenue ; -de réduire l'écart de température, d'accroître l'efficacité de l'appareil et donc de diminuer les coûts de fonctionnement.

2. INTENSIFICATION DES ÉCHANGES EN CONVECTION FORCÉE D'UNE SEULE PHASE (LIQUIDE OU GAZ) En écoulement laminaire, il est avantageux de favoriser les transferts de matière de la paroi d'échange au cœur de l'écoulement et vice versa. En écoulement turbulent, la résistance thermique étant concentrée (sur une paroi lisse) dans la couche limite de faible épaisseur située à proximité immédiate de la paroi. 3. INTENSIFICATION DES ÉCHANGES LORS DE LA VAPORISATION D'UNE PHASE LIQUIDE UN RÉGIME STRATIFIÉ PRÉVAUT LORSQUE FR < 0,04 SACHANT QUE :  AVEC :

DH : DIAMÈTRE HYDRAULIQUE DU CANAL, G : DÉBIT SPÉCIFIQUE (RAPPORT DU DÉBIT-MASSE DE FLUIDE DANS LE CANAL À LA SECTION DE PASSAGE DU CANAL), G : ACCÉLÉRATION

4. INTENSIFICATION DES ÉCHANGES LORS DE LA CONDENSATION D'UNE PHASE VAPEUR L'intensification en condensation obéit à trois principes :  un premier principe consiste à favoriser l'assèchement partiel de la paroi.  les deux autres principes sont communs à l'évaporation et à la condensation : ce sont l'utilisation d'ailettes et l'utilisation de promoteurs de turbulence dans le film de condensat comme par exemple des rugosités de paroi. 5. INTENSIFICATION DE TRANSFERT THERMIQUE DANS LES REACTEUR-ECHANGEUR COMPACT L’intensification des phénomènes thermiques est primordiale pour traiter des réactions exothermiques. Tout comme pour l’intensification des transferts de matière, le design des canaux, pour lesquels le ratio S/V est très élève est l’origine de l’intensification des transferts thermiques dans les réacteurséchangeurs compacts. Les réacteurs-échangeurs compacts : La dernière catégorie de technologies intensifiées que nous présentons, et probablement la plus conséquente, concerne les réacteurs échangeurs compacts. Le concept de ces équipements est à l’ origine issu de celui des échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels l’échange thermique entre deux fluides s’effectue au travers de la paroi des plaques. Les Fonctions habituelles de ces échangeurs ont été détournées en concevant des plaques particulièrement adaptées pour supporter des réactions chimiques. Les réacteurs-échangeurs sont constitués d’une superposition en alternance de plaques réactives et de refroidissement transverses préalablement usinées et assemblées par une technique de soudage-diffusion assistée par Compression.

CONCLUSION Afin d'intensifier les échanges thermiques, différentes méthodes ont été expérimentées et leur efficacité a été démontrée. Les innovations issues de la micro technologie donnent aujourd'hui des perspectives encore plus intéressantes concernant le contrôle de l'état de surface et des propriétés des parois d’échange. Enfin, beaucoup de techniques actives sont encore au stade de l'étude mais laissent présager de nombreuses possibilités pour des applications très ciblées.