chimique, génie - chimie.

chimique, génie - chimie. 1 PRÉSENTATION chimique, génie, science qui étudie la conception, la construction et la gestion des installations industrielles et de l'appareillage permettant la synthèse de composés chimiques. 2 HISTORIQUE La notion de génie chimique apparut pour la première fois au début de ce siècle. En 1901, le professeur George Davis, de la Manchester Technical School, analysa la production industrielle de composés chimiques comme une série d'opérations élémentaires. Dans son ouvrage The Handbook of Chemical Engineering, il décrivit ces opérations sans les rattacher à des concepts physiques. Cette approche fut complétée en 1923 par Walker, Lewis et McAdams, professeurs au Massachusetts Institute of Technology. Ils constatèrent que l'industrie chimique fait intervenir des procédés physiques associés à des opérations unitaires. En 1960, R. B Bird, W. R. Stewart, E. N. Lightfoot introduisirent le concept de cinétique physique avec la publication de Transport Phenomena. Ils définirent les phénomènes qui régissent les opérations unitaires : phénomènes de transport, de transfert entre phases, de transfert de matière, de chaleur et de quantité de mouvement. Dans les années 1970, la simulation des procédés naquit de la modélisation systématique des phénomènes et de l'utilisation croissante des ordinateurs. Ainsi, le génie chimique, science relativement jeune, a ouvert par sa méthodologie la route à toute une série de disciplines, telles que le génie agroalimentaire et le génie biochimique. 3 PRINCIPES FONDAMENTAUX Le génie chimique est régi par quatre lois fondamentales : la conservation de la matière, de l'énergie, l'équilibre chimique et la réactivité chimique. Aussi la spécificité de chaque réactif impose des contraintes différentes et nécessite des installations appropriées. Face à cette diversité, la pratique consiste à analyser les problèmes en termes d'opérations unitaires. Pour chacune d'elles, l'ingénieur doit tenir compte de l'aspect thermodynamique, c'est-à-dire de la faisabilité des réactions et de l'énergie nécessaire à leur réalisation. En effet, certaines réactions sont exothermiques -- elles s'accompagnent d'une libération d'énergie --, mais la plupart sont endothermiques et nécessitent donc un apport d'énergie (par agitation mécanique, exposition du milieu réactionnel à une source de chaleur, de lumière, etc.). Le génie chimique fait également appel à la cinétique. On distingue la cinétique chimique et la cinétique physique. La première étudie la vitesse des réactions et les facteurs qui la modifient (température, concentration des réactifs, pression) ; la cinétique physique traite de phénomènes macroscopiques, comme les transferts de matière ou de chaleur d'un point à un autre, les transferts d'une phase à une autre. Voir aussi Cinétique (chimie) ; Réaction chimique ; Thermodynamique. 4 TECHNIQUES 4.1 Opérations unitaires Ce sont des opérations classiques de chimie : broyage, pulvérisation de solides, distillation, cristallisation (voir Cristal), dissolution, filtration, extraction. Elles mettent en jeu des transferts de nature physique et visent à concentrer ou isoler les constituants d'un mélange réactionnel. En effet, les réactions ne sont pas toujours quantitatives (rendement inférieur à 100 p. 100). On choisit l'opération unitaire principalement en fonction du coût énergétique impliqué et des caractéristiques des substrats -- une distillation s'impose dans le cas d'une différence importante de température d'ébullition entre deux constituants -- ; un transfert de phase peut être effectué lors d'une cinétique physique favorable. Voir aussi Analyse chimique. 4.2 Réacteurs Une unité de transformation industrielle comprend de nombreux éléments : vannes, pompes, bacs de stockage, extracteurs, colonnes à distiller, filtres, tuyauteries. Mais le réacteur en est l'élément central. C'est en son coeur que les matières premières sont transformées en produits. Il existe des réacteurs de différentes tailles et de différentes formes selon les conditions réactionnelles. En pétrochimie, on utilise des réacteurs tubulaires vides ou garnis de catalyseur ; pour effectuer des opérations discontinues, les cuves agitées mécaniquement sont recommandées ; pour mettre en contact des produits de phases différentes, des réacteurs spécifiques sont employés, tels que les colonnes à bulles ou les réacteurs en lit fluidisé. 4.3 Mise en contact des molécules Les réactions chimiques se déroulent d'autant mieux que les molécules entrent en contact fréquemment. Dans le cas d'un mélange monophasique, une agitation mécanique augmente les fréquences de rencontre des molécules. Dans le cas où les réactifs sont de phases différentes, plus la surface de contact est grande entre les phases, plus la réactivité des composés et la vitesse de la réaction sont importantes. Dans ce but, on réalise des dispersions, par exemple de bulles de gaz ou de fines particules dans un liquide. On utilise alors des colonnes à bulles (dispersion gaz / liquide), des réacteurs en lit fluidisé (dispersion gaz / solide) ou des cuves agitées mécaniquement. 4.4 Modélisation et contrôle Au vu des quantités et des investissements mis en jeu, la simulation de l'enchaînement des opérations unitaires est primordiale. En effet, les simulateurs ont pour but de faciliter le choix des opérations unitaires en fonction de leur faisabilité, des coûts énergétiques des réactions chimiques ; ils permettent d'optimiser la production. La simulation présente un autre atout : elle permet de tester le comportement des réacteurs en cas d'incident, d'évaluer les conséquences des modifications et de former les futurs utilisateurs des installations. L'état de la production est contrôlé à tout moment par un poste informatisé : le système numérique de contrôle et de commande (SNCC). Grâce à cet outil, il est possible de visualiser sur un écran les schémas de l'installation avec l'état de chaque élément (position des vannes, marche des pompes). Voir aussi Chimie ; Chimie physique ; Ingénierie ; Phases, règles des. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.