Génie et procédés chimiques

Depuis deux siècles, le monde a accumulé dans le désordre une masse imposante de connaissances qu’il n’a pas su maÎtriser complètement et dont il n’a pas tiré pour son bien-être tout le parti possible. L’Informatique, la Cybernétique, l’Écologie essaient de combler cette lacune et, pour cela, polarisent à leur profit une large fraction de l’activité scientifique. Mais ces disciplines, quels que soient les bouleversements qu’elles apportent dans la vie sociale (au point d’aller jusqu’à créer un nouveau type de civilisation), ne sauraient suppléer au besoin qu’éprouveront toujours les hommes de disposer d’un nouveau métal ou d’un nouveau produit chimique, comme au temps où la Sidérurgie leur offrait l’acier inoxydable et la Chimie les Nylons ou les polyéthylènes.

Les mutations que connaît aujourd’hui l’industrie chimique ne sauraient non plus altérer sa vocation à produire toujours mieux et à innover toujours plus. Il n’est donc ni anachronique, ni prématuré de faire le point des connaissances qui inspirent actuellement cette industrie, des méthodes qui président à la construction de ses usines et des structures techniques qui caractérisent ses fabrications.

C’est à ce triple objectif que s’attache le Traité

Génie et procédés chimiques

que les TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR présentent aujourd’hui à leurs lecteurs.

GÉNIE CHIMIQUE

Le mode d’expression du Génie chimique est l’Ingénierie. Bien que ce mot ne soit apparu que récemment dans le langage courant, l’idée qu’il traduit est aussi vieille que l’industrie elle-même : c’est l’acte de création industrielle proprement dit par lequel l’ingénieur peut s’exprimer, c’est-à-dire concevoir et bâtir une usine. La grande variété des problèmes que soulèvent les installations chimiques, les uns théoriques, les autres plus concrets (liés par exemple à l’utilisation des hautes pressions, des basses et des hautes températures ou aux phénomènes de corrosion a fait de l’industrie chimique le lieu privilégié de l’ingénierie, ce que confirme la lourdeur de ses investissements.

La conception d’une usine chimique est la traduction en termes industriels d’un mode opératoire qui, la plupart du temps, est défini au laboratoire et que l’on nomme le Procédé.

A ce stade de la réflexion, on constate que ces appareillages, qu’ils soient spécifiques ou conventionnels, se regroupent d’eux-mêmes en trois catégories.

• Les appareillages de la première catégorie sont ceux dans lesquels s’effectuent les réactions chimiques de procédé ; ils sont aisément identifiables par l’énoncé même de la réaction ou des réactions dont ils constituent rhabillage : ce sont les Réacteurs Chimiques : par exemple, une caisse de catalyse, un four de réformage ou une cellule d’électrolyse. Leur calcul est généralement d’ordre physico-chimique, avec dominante chimique plus ou moins accentuée.

• Les appareillages de la deuxième catégorie sont plus nombreux et plus diversifiés que les précédents. Ils ont pour fonction principale de se saisir du milieu réactionnel, après chaque étape de transformation, pour séparer les produits ayant réagi, de façon à les mettre en état de se prêter à une nouvelle étape ou pour conditionner le produit fini. On a dressé la liste des concepts de base auxquels ils se rattachent, et l’expérience a montré que cette liste était suffisamment exhaustive pour s’appliquer non seulement à l’industrie chimique mais aussi à l’ensemble des autres industries, ce qui lui confère une portée universelle. On désigne ces concepts sous le nom d’Opérations unitaires, ainsi nommées parce qu’elles expriment des transformations simples, clairement individualisées et se réalisant d’après des règles à caractère général. Elles sont largement à prédominance physique comme la distillation, la dissolution, la filtration, etc.

Réacteurs chimiques et Opérations unitaires participent ensemble à l’édification du Procédé au sein duquel ils se trouvent étroitement liés.

• Les appareillages de la troisième catégorie ont pour rôle soit d’assurer la liaison entre les appareils précédents en transportant de l’un à l’autre la matière en cours d’évolution, soit de créer les conditions physiques (essentiellement de température et de pression) nécessaires au déroulement des réactions : ils sont indépendants du Procédé ; ce sont les pompes, compresseurs, vannes, ventilateurs, tuyauteries, etc. qui relèvent principalement de la Mécanique.

C’est précisément dans le Génie Chimique que se trouvent rassemblées les méthodes utilisées pour calculer et dimensionner l’ensemble de ces appareils.

Vu dans son sens le plus large (celui exprimé en particulier par le terme anglais Chemical engineering), le Génie chimique traite également de problèmes plus généraux se référant en particulier aux alimentations en énergie, à l’implantation des ateliers, au contrôle et à la régulation, à la sécurité, aux matériaux, ou même à l’organisation des usines. Mais ces questions, de même que celles se rapportant à la troisième catégorie d’appareils, ont une portée qui dépasse le cadre de la seule Industrie chimique ; elles sont, pour cette raison, étudiées dans d’autres Traités de la collection des TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR et ne sont pas parties prenantes au présent ouvrage qui ne retiendra du Génie Chimique que son contenu fondamental et structurel.

Les réacteurs chimiques occupent en général moins de place que les opérations unitaires dans les préoccupations des Bureaux d’études. Il y a deux raisons à cela.

La première raison est que, dans une unité industrielle, l’étude du réacteur est souvent effectuée, avant toute opération d’ingénierie, par le laboratoire qui a mis au point le procédé ou par le bailleur de ce procédé ou encore par les fournisseurs eux-mêmes : le dimensionnement d’une caisse de catalyse ou d’un four de réformage, par exemple, peut être fait par le fabricant de catalyseurs ou par le fabricant de four.

La seconde raison est que les opérations unitaires, balayant un champ d’applications plus vaste que les réacteurs, les Bureaux d’études – même ceux qui se disent chimiques – sont conduits pas la force des choses à s’intéresser à des secteurs industriels autres que l’industrie chimique ; de ce fait, les préoccupations purement chimiques pèsent moins lourd que les autres dans leur plan de travail.

Mais les TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR ne peuvent se laisser enfermer dans des singularités de ce genre. C’est pourquoi elles accorderont aux Réacteurs chimiques la place qui leur revient aux côtés des Opérations unitaires, de façon à offrir aux ingénieurs une panoplie complète des équipements que l’on trouve dans les usines chimiques, avec les moyens de les définir et de les calculer.

PROCÉCÉS CHIMIQUES UNITAIRES

Comme son titre l’indique, le présent Traité s’intéresse également aux Procédés eux-même. Aux chapitres des Réacteurs et des Opérations unitaires s’en ajoute donc un troisième, celui des Procédés chimiques unitaires.

Les Procédés chimiques unitaires sont, par définition, les structures chimiques fondamentales dont l’assemblage et les articulations constituent le Procédé au sens où nous l’avons défini précédemment.

Il existe naturellement une complémentarité entre l’étude d’un réacteur et celle du procédé unitaire qu’il met en œuvre. Il peut paraître alors arbitraire de séparer l’une de l’autre : on ne calcule pas en effet un convertisseur d’oxyde de carbone sans se préoccuper des mécanismes chimiques qui gouvernent son fonctionnement. Mais comme, d’une part, ces mécanismes se limitent généralement à la thermodynamique et à la cinétique des réactions, en laissant de côté l’aspect proprement ingénierie du sujet, et que, d’autre part, un très grand nombre de procédés unitaires qui tiennent une place importante dans l’industrie chimique n’ont jamais l’occasion d’être repris dans une étude quelconque d’ingénierie, il était indispensable, pour mettre en évidence leur importance, d’en faire un examen à part, montrant comment ils s’insèrent dans le corps de la Science chimique, avec leurs variantes et leurs implications. Cet examen se fera avec le même esprit et dans le même style que ceux adoptés pour les Opérations unitaires ; c’est ainsi par exemple que ne sont pas étudiées comme telles la fabrication du nitrobenzène, ni celle du dichloréthane, mais la nitration des composés aromatiques et la chloration des composés aliphatiques sous leur aspect le plus général. Sont examinés dans ce cadre des sujets comme la gazéification des combustibles, le vapocraquage des hydrocarbures, les alkylations, etc., c’est-à-dire en définitive les procédés chimiques les plus usuels.

L’ensemble des questions ainsi traitées au titre des réacteurs chimiques, des opérations unitaires et des procédés chimiques unitaires, (on retrouve ici la notion de unit process associée à celle de unit operation du vocabulaire anglais) constitue le cœur du Traité, chaque sujet étant conçu et rédigé sous une forme simple et pratique, sans recours, autrement que par quelques rappels, à des développements théoriques. Ainsi les résultats doivent pouvoir être utilisés par des projeteurs de Bureaux d’études aussi bien que par des ingénieurs, même non chimistes.

NOTIONS DE BASE

Mais, bien entendu, nous devons répondre également au désir de ceux qui souhaitent aller plus avant dans l’approfondissement des problèmes et établir une connexion entre les considérations pratiques exposées dans la partie centrale (le cœur du Traité) et les théories fondamentales dont ces considérations découlent. C’est pourquoi le Traité débutera par une partie réservée aux questions théoriques et dénommée : Notions de Base.

Nous nous efforcerons, dans cette partie préliminaire, d’éviter les spéculations de caractère trop hypothétique. En dehors de généralités introductives sur le problème général des unités de mesure et sur les différents états de la matière, s’y trouveront rassemblées les explications scientifiques de base dont un ingénieur peut souhaiter disposer sur les trois thèmes de la partie centrale du traité : Opérations unitaires, Réacteurs chimiques et Procédés chimiques unitaires.

Les Opérations unitaires s’appuient avant tout sur les lois de transfert de chaleur, de matière et de quantité de mouvement.

Les transferts de chaleur se rencontrent partout dans l’industrie, surtout là où la récupération thermique est considérée comme une économie d’exploitation. C’est encore plus vrai dans l’industrie chimique où les réactions sont naturellement accompagnées de dégagement ou d’absorption de chaleur.

Les transferts de manière et de quantité de mouvement sont, eux, plus spécifiques de l’industrie chimique : c’est le cas de l’extraction par solvants ou de l’échange d’ions pour les premiers ; de la filtration, de la décantation ou de la centrifugation pour les seconds.

Mais ces transferts sont souvent complexes et beaucoup d’opérations unitaires (ta distillation par exemple ou le séchage), qui reposent sur des équilibres entre phases, sont caractérisées par un transfert simultané de chaleur et de matière. Elles peuvent aussi être accompagnées de transferts de quantité de mouvement dus, entre autres, à l’agitation artificielle des fluides. D’importants articles de fond traitent donc au plan théorique les principes gouvernant ces différents modes de transfert et leur enchevêtrement.

Quant aux réacteurs chimiques qui ont pour raison première d’offrir aux réactions les moyens de confinement les plus appropriés à leur développement, ils font appel à des considérations d’équilibres chimiques et de vitesses de réaction. D’où la présence également dans les Notions de Base d’articles sur la thermodynamique chimique, la cinétique et la catalyse. De la même façon, puisque, pour la commodité des choses, nous assimilerons les électrolyseurs à des réacteurs, cette partie du Traité comprendra un fascicule sur l’électrochimie.

Il n’est évidemment pas question, à propos des Procédés chimiques unitaires de se livrer à des développements sur les différentes fonctions chimiques que l’on trouve dans tous les manuels. Par contre, de nombreux mécanismes réactionnels ne s’interprètent aisément que moyennant un minimum de connaissances sur la structure des atomes et les liaisons chimiques, ce qui nous conduit à prévoir dans les Notions de Base un article sur l’atomistique.

SCHÉMAS D’UNITÉS INDUSTRIELLES

La dernière partie du Traité, située en aval de la partie centrale, s’inscrit dans son esprit en prolongement direct de ce qui a été dit sur les Procédés chimiques unitaires, puisqu’elle est consacrée à la présentation de Schémas (en anglais : flow sheets) d’unités industrielles modernes choisies parmi les plus représentatives de l’industrie chimique. Ces schémas sont bien entendu limités aux contours du Procédé lui-même dont ils expliquent la mise en œuvre : ils ne prennent par conséquent pas en compte ce qui se rapporte aux services annexes ou généraux des usines.

Plusieurs schémas, représentant les différentes techniques en compétition sur le marché, peuvent être présentés concurremment pour un même produit.

Chaque schéma est suivi de renseignements d’ordre économique, notamment sur les capacités de production mondiale et les principaux producteurs, ainsi que d’une fiche détaillant les différentes caractéristiques du produit fabriqué.

Cette dernière partie du Traité constitue aussi le complément logique des deux autres.

En résumé, le Traité GÉNIE ET PROCÉDÉS CHIMIQUES comprend donc trois parties consacrées :

Conformément à la tradition des TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR, les articles sont rédigés par des personnalités choisies pour leur compétence, de façon à former un ensemble homogène et complet.

Le plan du Traité, établi d’après les résultats d’une enquête approfondie auprès des différents milieux industriels, universitaires et d’ingénierie, est tel que le lecteur, suivant la nature des renseignements qu’il cherche, pourra consulter un article sans être obligé d’avoir préalablement assimilé ce qui se trouve en amont, mais la lecture de cet article pourra également le conduire, s’il le désire, à se reporter aux Notions de Base pour approfondir le sujet, et aux Schémas d’unités industrielles pour l’illustrer.

Puissions-nous ainsi aider dans leur travail les ingénieurs de conception et d’exploitation, dont les contingences de la vie industrielle moderne ne facilitent pas toujours la tâche.

Les Opérations unitaires de type purement physique ou mécanique, qui ne font intervenir ni transfert de chaleur, ni transfert de matière, se trouvent rassenblées dans la reliure :

A 10 Séparaton. Mélange

Les mots-clés des articles correspondants ont été réunis avec ceux des quatres précis J dans la table alphabétique J 12 de la brochure rouge annexée au présent traité.

Les autres précis complémentaires pour former l’ensemble GÉNIE CHIMIQUE – pris dans son sens le plus large – sont :

A8 Usines et ateliers : conception et exploitation

A7 Matériaux industriels

A4 Tuyauteries. Réservoirs

B4 Vide. Pression

B2 I Chauffage

B2 II Froid. Énergie nouvelle

Chacun de ces précis peut être acquis séparément.