2:Opérations unitaires : définitions et classifications

Opérations Unitaires et Procédés Industriels

Il s'agit d'un système permettant la conversion de matières premières en produits finis, basé sur des procédés de transformation physique, chimique ou biochimique. L'étude et la conception visent une mise en œuvre optimale de l'ensemble du processus.

Applications Industrielles

• Agroalimentaire

• Pharmaceutique et Biotechnologique

• Chimique

• Agrochimique et Pétrochimique

• Cosmétique

• Papetière

Opérations Unitaires : Fondement des Systèmes de Production

• Tout système de production combine des procédés unitaires.

• Une opération unitaire est une étape simple, spécifique et identifiable.

• La conception d'un système repose sur le choix et l'arrangement de ces étapes.

• L'ensemble des opérations unitaires forme le « Process Flow Diagram ».

• La production peut être en batch, semi-continue ou continue.

Classification des Opérations Unitaires

1. Préparation, conditionnement et acheminement des matières premières.

2. Transformation chimique des réactifs en produits.

3. Séparation, purification et conditionnement des produits.

Types d'Opérations Courantes

• Mélange (agitation, turbulence)

• Séparation

• Transfert de chaleur (chauffage, refroidissement, évaporation, condensation, fusion, cristallisation, sublimation)

• Transfert de matière (séparation, séchage, diffusion, distillation, extraction, absorption)

• Ajustement de la taille (broyage, émulsification, agglomération, agrégation)

• Écoulement (par gravité, pompage)

Opérations de Nature Chimique (ou Biochimique)

• Mise en œuvre d'une réaction chimique pour introduire/éliminer un élément ou un groupe.

• Exemples : Halogénation, nitration, oxydation, fermentation, réaction enzymatique, etc.

Scale-up et Optimisation

• Passage de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle.

• Considérations : économiques, sécurité, environnementales.

• Optimisation des opérations : rendement maximal, consommation énergétique minimale, recyclage, retraitement des effluents.

Techniques de Séparation

Ensemble des techniques permettant de transformer un mélange de substances en deux ou plusieurs composants distincts.

Intérêts

• Purification : extraction d'impuretés.

• Concentration : élimination de solvant.

• Fractionnement : séparation d'un mélange complexe.

Principes

• Basé sur la différence de propriété physique entre les composants.

• Le choix dépend de la composition du mélange et des propriétés des composants.

Classes de Procédés de Séparation

1. Mécaniques

2. Par diffusion

3. Par transfert d'ions

Séparations Mécaniques

Basées sur :

• Mouillabilité de surface : flottation.

• Masse volumique : sédimentation, décantation, centrifugation.

• Taille des particules : filtration, tamisage, cyclonage.

• Mobilité électrique : électrophorèse.

• Mobilité magnétique : séparation magnétique.

Séparations par Diffusion ou Transfert

• Chromatographie (partage, adsorption, exclusion stérique, échange d'ions).

• Extraction.

• Séparations thermiques (distillation, évaporation, séchage, cristallisation, sublimation).

• Méthodes membranaires (osmose inverse, pervaporation).

Séparations de Mélanges

• Mélanges hétérogènes :

  • Solide-solide : tri, flottation.

  • Solide-liquide : décantation, filtration, centrifugation, évaporation, distillation.

  • Liquides non miscibles : décantation.

• Mélanges homogènes : distillation, cristallisation.

Distillation

Technique de séparation basée sur les différences de volatilité entre les constituants d'un mélange liquide.

Volatilité Relative

Mesure de la difficulté de séparation.

Pour un mélange binaire :

Distillation Simple

• Appareillage : bouilleur, dispositif de chauffage, condenseur, recette.

• Un seul contact liquide-vapeur.

• Inconvénient : mauvaise séparation, distillat de moins en moins concentré en l'élément le plus volatil.

Rectification

• Principe amélioré de la distillation simple pour une meilleure pureté.

• Appareillage : bouilleur, chauffage, colonne de rectification, condenseur.

• Colonne de rectification : mise en contact liquide-vapeur à contre-courant.

• Reflux : une partie du condensat retourne dans la colonne.

• Bouilleur : vaporise le liquide au bas de la colonne.

• Évolutions dans la colonne :

  • Titre en plus volatil augmente dans la phase vapeur en montant.

  • Titre en plus volatil diminue dans la phase liquide en descendant.

  • Température diminue en montant.

Types de Mélanges en Rectification

• Mélange zéotropique : séparation de composés purs (ex. A pur en tête).

• Mélange azéotropique : L'azéotrope constitue une "barrière infranchissable".

  • Point d'ébullition minimum : l'azéotrope est obtenu en tête.

  • Point d'ébullition maximum : un des composés purs (A ou B) est obtenu, le bouilleur tendant vers la composition de l'azéotrope.

Calcul en Rectification

• NET (Nombre d'Étages Théoriques) : nombre de plateaux nécessaires.

• Méthode de McCabe et Thiele pour la conception des colonnes.

Stripping (Dégazage)

Opération où un soluté gazeux est chassé d'une solution par un gaz laveur, entraînant une chute de pression partielle du constituant à éliminer.

Principe

• Séparation d'un solvant ou de gaz dissous.

• Réalisé dans des tours de contact avec matériaux de remplissage.

• Gaz extracteur : air, vapeur, gaz de fumée, gaz naturel.

• Applications : traitement des rejets industriels (pétrochimie, tannerie, cokerie) pour H₂S, NH₃, composés sulfurés, phénols.

Extraction Liquide-Liquide (L/L)

Opération de séparation basée sur la distribution inégale d'un ou plusieurs constituants entre deux liquides non miscibles.

Intérêts

• Séparation de produits à points d'ébullition voisins.

• Concentration ou purification de solutions diluées.

• Séparation de produits sensibles à la température.

• Obtention de métaux non ferreux, séparation d'isotopes, produits de haute pureté.

Processus

1. Mise en contact intime de la solution d'alimentation et du solvant.

2. Extraction du soluté par le solvant : l'extrait (solvant + soluté) et le raffinat (solution d'alimentation appauvrie).

3. Lavage par reflux pour améliorer la sélectivité.

4. Récupération des composés de l'extrait (par distillation, évaporation, etc.).

Coefficient de Partage (K)

• Mesure de l'affinité du soluté pour les deux phases.

• K = (pour solutions diluées).

• Dépend de la température et pression.

Rendement d'Extraction

• Quantité d'espèce passée en phase organique.

• R = ou .

Choix du Solvant

Propriétés idéales :

• Capacité d'extraction importante (rapport de distribution 5-50).

• Grande sélectivité.

• Récupération facile du soluté et du solvant.

• Solubilité négligeable dans le raffinat.

• Bonne stabilité chimique.

• Caractéristiques physiques favorables (faible viscosité, bonne tension superficielle).

• Faible impact environnemental et sécuritaire.

Facteurs Favorables à l'Extraction L/L

• Forte concentration du soluté à extraire.

• Choix du soluté dans un mélange.

• Récupération de sous-produits.

Appareils d'Extraction L/L

1. Mélangeurs-décanteurs : haute efficacité, extrapolation fiable, flexible. Coûteux, grand encombrement.

2. Extracteurs-colonnes : circulation par différence de densité.

3. Extracteurs centrifuges : à étage ou différentiels continus.

Applications Industrielles de l'Extraction L/L

• Industrie nucléaire (sels de haute pureté).

• Hydrométallurgie (récupération de métaux : Cu, Ni, Co, U).

• Fabrication d'acide phosphorique pur, brome, nitrate de potassium.

• Pétrochimie, industries alimentaires et pharmaceutiques.

Cristallisation

Opération unitaire du génie chimique qui génère des particules solides (cristaux) à partir d'une solution sursaturée. Essentielle pour la qualité des produits (chimie fine, pharmacie, agroalimentaire).

Importance Économique

• 25-30% du CA de la chimie, jusqu'à 75-80% pour la chimie organique fine.

• Productions variées : plusieurs centaines de tonnes/jour (continu), quelques dizaines de tonnes/jour (discontinu), moins d'une tonne/jour (haute valeur ajoutée).

Processus

• Apparition de particules solides dans une solution sursaturée.

• Sursaturation obtenue par :

  • Voie thermique (refroidissement, évaporation).

  • Voie physico-chimique/chimique (addition d'un composé, réaction chimique).

Informations pour Dimensionnement

• Substance à cristalliser (nature, quantité, taille souhaitée).

• Solution initiale (concentration, température, propriétés physiques, courbe de solubilité).

• Cinétiques de nucléation et de croissance.

• Type de cristallisoir (agité, fluidisé, continu, discontinu).

Gestion de la Cristallisation

• Maîtrise des bilans matière et thermique.

• Bilan de population pour prédire la distribution de taille.

• Intégration avec filtration et séchage.

Méthodes de Cristallisation

1. Refroidissement simple : Si solubilité varie fortement avec la température.

2. Évaporation sous vide : Si solubilité varie peu avec la température.

3. Refroidissement sous vide : Combinaison des deux (évaporer solvant et refroidir).

4. Addition d'un tiers-solvant (agent relarguant/précipitant) : Diminue fortement la solubilité du soluté. Permet d'obtenir des substances très pures.

5. Cristallisation extractive : Ajout d'un liquide L, bon solvant pour A, mauvais pour B, afin de cristalliser B.

6. Cristallisation adductive : Formation d'un complexe précipitant avec une substance (ex: AX).

7. Précipitation : Cristallisation rapide obtenue par changement de pH, concentration, température, ou réaction chimique. Caractérisée par un degré de sursaturation élevé (), produisant des cristaux très fins.

Cristallisoirs

• Continu ou discontinu.

• Agité ou à lit fluidisé.

Techniques Usuelles de Séparation Solide / Liquide

1. Dégrillage : séparation grossière des déchets solides (ex: eaux usées).

2. Décantation : les corps plus lourds se déposent au fond (ex: traitement des eaux).

3. Centrifugation : force centrifuge sépare les particules (ex: industrie laitière).

4. Filtration : séparation par un filtre (solide = résidu, liquide = filtrat).

5. Chromatographie sur couche mince (CCM) : séparation de mélanges colorés.

Méthode de la Zone Fondue (Zone Refining)

Technique de purification de composés cristallisés stables à la fusion, par déplacement d'une zone fondue. Obtention de très hauts degrés de pureté.

Principe

• Générer une zone fondue sur un solide à purifier (lingot).

• Déplacer lentement cette zone d'une extrémité à l'autre.

• Les impuretés sont déplacées grâce à leur différence de solubilité entre phase fondue et solide.

• Passages répétés augmentent l'efficacité.

• Création de la zone fondue : induction électromagnétique, chauffage laser/infrarouge (inorganiques), résistance électrique annulaire (organiques).

Comportement des Impuretés

• Impuretés abaissant le point de fusion : se déplacent dans le même sens que la zone fondue.

• Impuretés augmentant le point de fusion : se déplacent dans le sens inverse de la zone fondue.

• Impuretés indifférentes : technique non pertinente (ex: énantionères, fusion congruente).

Vitesse de Déplacement

• Vitesse lente donne la meilleure efficacité.

• Vitesse rapide réduit l'efficacité à zéro.

Limitations

• Impureté indifférente au point de fusion.

• Composé à purifier instable à la fusion (organiques).

Applications

• Production de métaux ultra-purs (fer, titane, zirconium, silicium).

• Électronique, photovoltaïque, fabrication de matériaux de référence.

Extraction par Fluide Supercritique (EFS)

Procédé d'extraction d'un soluté d'une substance en utilisant un fluide supercritique comme solvant.

Fluide le Plus Utilisé

• Dioxyde de carbone (CO₂) supercritique.

• Avantages : non toxicité, inertie chimique.

• Conditions critiques : et bar.

• Le CO₂ est apolaire, nécessite des co-solvants (éthanol, méthanol) pour les solutés polaires.

Processus

1. Extraction du soluté avec le fluide supercritique maintenu au-dessus de ses points critiques (P entre 70 et 350 bars, T > ).

2. Séparation du fluide supercritique du soluté : le fluide supercritique perd son pouvoir de dissolution par réduction de pression ou variation de température, le produit extrait précipite.

Avantages par rapport aux solvants conventionnels

• Les solutés diffusent plus rapidement.

• Coefficient de partage plus élevé.

• Facteur de séparation plus élevé.

Inconvénients

• Coûts d'investissement et d'opération plus élevés (à cause de la haute pression requise).

Applications

• Extraction solide-fluide supercritique : décaféination du café/thé, extraction d'amertume du houblon.

• Extraction liquide-fluide supercritique : extraction d'acides gras polyinsaturés des huiles de poisson.

Technologies Membranaires

Technologies de séparation utilisant des membranes semi-perméables, sans ajout de produits chimiques, avec faible consommation d'énergie.

Principe

• La membrane agit comme un filtre très spécifique.

• Laisse passer l'eau et retient les solides en suspension et d'autres substances.

• Méthodes pour traverser la membrane : haute pression, gradient de concentration, potentiel électrique.

Avantages

• Alternative à la flocculation, purification, adsorption, extraction, distillation.

• Sélectivité (rétention ou facteur de séparation) et productivité (débit ou flux).

Applications

• Traitement des eaux souterraines, de surface, ou usées.