GÉNIE CHIMIQUE

Les bases scientifiques

Lois d'équilibre entre phases

La connaissance des lois d'équilibre entre phases, par une analyse thermodynamique du système ou, tout simplement, par une série d'expériences, est fondamentale pour savoir si une séparation est possible ou non. L'examen des courbes d'équilibre permet d'apprécier a priori si l'opération unitaire envisagée sera plus ou moins difficile à réaliser.

Les lois d'équilibre entre phases sont tirées des principes de la thermodynamique des solutions, notamment par l'application du deuxième principe, en écrivant, pour les phases en présence, l'égalité des potentiels chimiques de chaque constituant (conditions d'un équilibre stable). Si nous considérons deux phases G et L et si nous explicitons chaque potentiel chimique en fonction d'un potentiel dit standard μ_i⁰, de la fraction molaire x_i et d'un coefficient d'activité γ_i, nous pouvons écrire de manière générale :

T étant la température absolue et R la constante des gaz parfaits.

Les lois d'équilibre les plus simples qui sont accessibles par la théorie sont celles des solutions diluées. Entre un gaz et une vapeur, la pression partielle P_i d'un composé i en équilibre avec un liquide de fraction molaire x_i et de tension de vapeur P_i⁰ s'écrit par exemple :

Les coefficients d'activité γ_i sont pour leur part corrélés entre eux. Ils sont égaux à l'unité pour une solution idéale. De la connaissance des γ_i, on peut reconstituer la fonction d'équilibre complète du système.

Analyse fonctionnelle des procédés

Étages en distillation : calcul - crédits : Encyclopædia Universalis France — Étages en distillation : calcul
Encyclopædia Universalis France

Le génie chimique s'intéresse principalement aux bilans matière et énergie fondés sur le premier principe de la thermodynamique :

Les bilans systématiques sont essentiels pour le calcul des installations, mais aussi pour renseigner l'ingénieur sur la bonne marche d'un appareil (identification d'une fuite, vérification de l'obtention d'un régime permanent...). Les bilans peuvent concerner l'ensemble du système, ou porter sur un élément « différentiel » d'échange ; ils peuvent être globaux, toute forme de matière étant alors confondue, ou encore relatifs à un produit donné. À titre d'exemple, un bilan réalisé entre un point indéterminé d'un système et une sortie quelconque de ce système permet d'établir l'équation de la courbe dite opératoire, qui décrit les variations de concentration des phases au niveau des courants qui traversent toute section droite de l'unité en question. Sous forme graphique, et par juxtaposition avec la courbe d'équilibre, on peut évaluer de la sorte le nombre d'éléments d'échange (ou étages) nécessaires pour assurer une transformation donnée de la matière. C'est sur ce principe que se fonde la méthode de calcul du nombre d'étages théoriques d'une colonne avec un tracé en escalier entre la courbe opératoire, souvent assimilée à une droite, et la courbe d'équilibre (fig. 2).

Cinétique de transfert

On distingue fondamentalement deux types de cinétique : la cinétique chimique, qui étudie les vitesses de transformation de la matière par voie réactionnelle, et la cinétique physique, qui concerne les transferts par diffusion (moléculaire ou turbulente).

Cinétique chimique

De manière très générale, la formation ou la disparition d'un composé par transformation chimique ou biochimique peut être décrite par un schéma réactionnel du type :

On peut la suivre au cours du temps en observant l'avancement ξ de la réaction, ξ étant défini par l'une ou l'autre des équations suivantes :

où [A], [B], ...[X], ...[Y] désignent les concentrations molaires.

La vitesse de réaction (ici, production du composé X) s'exprime au moyen de l'équation générale :

où k désigne la constante de[...]

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Écrit par

Henri ANGELINO : directeur de l'École nationale supérieure d'ingénieurs de génie chimique, Toulouse
Henri GIBERT : professeur à l'Institut national agronomique, Paris-Grignon, chef du département équipement des industries agro-alimentaires du Cemagref
Pierre PIGANIOL : conseil en politique scientifique

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Opérations unitaires - crédits : Encyclopædia Universalis France — Opérations unitaires

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Autres références

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La synthèse de l'ammoniac repose sur la réaction équilibrée :
qui est exothermique et s'opère avec diminution de volume : la teneur en ammoniac des gaz à l'équilibre sera donc accrue par une élévation de pression et un abaissement de la température.
CENTRIFUGATION
- Écrit par Jean LEMERLE
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Lorsque la décantation de particules sous l'effet du champ de pesanteur est inefficace ou trop lente, on a alors recours au procédé de centrifugation. Pour cela, on substitue au champ de pesanteur terrestre un champ de forces centrifuges infiniment plus grand, soit de 500 000 à 1 million de fois l'accélération...
CHIMIE - Histoire
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Enfin, le génie chimique est une discipline indispensable pour le transfert des procédés de l'échelle du laboratoire à celle de l'industrie. Il a pour principale tâche d'optimiser les réactions par rapport aux données techniques, économiques et sociales et par rapport à l'environnement.
CINÉTIQUE CHIMIQUE
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...aussi une science appliquée ; en traduisant la transformation chimique en termes quantitatifs, elle rend possible l'action de l'ingénieur sur celle-ci. Un premier groupe d'application concerne la mise au point des procédés industriels de transformation chimique. Le problème dans ce cas est de fabriquer...
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