CHIMIE INDUSTRIELLE - Gramme

CHIMIE INDUSTRIELLE
Première partie
INTRODUCTION
A LA CHIMIE INDUSTRIELLE
Notes rédigées par Christian CHARLIER

Déconfuture
Extrait du "Latéroscope"
de Luc De Brabendere
Beaucoup de livres commencent par un "avertissement au lecteur". Les lignes qui suivent
doivent être considérées comme "un avertissement à l'auteur".
Le futur a beaucoup changé en se mutant en présent. N'est-ce pas, Messieurs les experts ? Car
si vous avez vu clair parfois, vous vous êtes le plus souvent trompés. Quand hier, vous voyiez
demain, vous n'imaginiez pas aujourd'hui. La seule prévision correcte que vous avez donc à
faire est de prévoir qu'elle sera probablement fausse !
Mais rassurez-vous : c'est plus une tradition qu'une nouveauté. Avant vous, de grands
scientifiques ont commis des erreurs aussi magistrales que leurs découvertes. Lors du
triomphe de la mécanique, Laplace n'a-t-il pas affirmé : "Il n'y aura pas deux Newton car il
n'y a qu'un seul monde à découvrir." ? Berthelot n'a-t-il pas écrit en 1887 : "L'univers est
désormais sans mystère." ? Douze ans avant, n'assistait-on pas à la démission du directeur du
Bureau américain des brevets qui avait déclaré : "Pourquoi rester, il n'y a plus rien à
inventer." ? Quant à Arrhénius, il proclamait en 1923 que le "rythme insensé" de la
production tarirait les réserves de pétrole vers 1940 et certainement avant 1960 ! John
Watkins, lui, annonçait pour bientôt la disparition des moustiques et autres insectes
nuisibles ! Albert Robida enfin déclarait, toujours à la même époque, que l'Italie serait
transformée en un parc européen consacré uniquement au tourisme.
Qu'ils soient chimiste, physicien, astronome ou mathématicien, ils ont peut-être une excuse
par rapport à vous : celle de ne pas avoir disposé des mêmes outils, de ne pas avoir connu, par
exemple le microscope électronique ou l'ordinateur.
Sans être médecin, permettez-moi quand même de passer quelques-unes de vos prévisions
récentes à l'autopsie, surtout celles concoctées au cours des "sixties", dans l'euphorie de la
croissance et de la griserie technologique.
"Lune, Mars, Vénus, dans cinq ans seulement !" prédisait en 1965 la revue "Science et vie".
Quant au "Figaro", lorsque Apollo XI se posa effectivement sur la lune en 1969, il titra : "La
science-fiction est morte !". Si les hommes ont bien foulé, cette année-là, le sol lunaire, Mars
et Vénus sont, elles, toujours vierges aujourd'hui, et les voyages Terre-Lune en trois heures
vingt-sept minutes (notez la précision) ne sont encore accessibles qu'au Capitaine Flamme et
autres héros de dessins animés.
Dans la liste des cent innovations techniques très probables dans le dernier tiers du XX ème
siècle, dressée en 1967 par le Hudson Institute sous l'impulsion de Herman Kahn, figurent,
entre autres, l'installation de l'homme en permanence sur la Lune et sur les satellites, des
voyages interplanétaires, des plates-formes volantes individuelles, ... Onze ans plus tôt, si
Arthur C. Clarke, dans "Profiles of future", annonce à juste titre l'alunissage pour 1970, il
prévoit déjà, dans la foulée, la jonction d'autres planètes pour 1980 et leur colonisation pour
l'an 2000 ...
Les sciences de la vie n'échappent pas davantage à l'exaltation de ces mêmes experts qui,
après l'hibernation et la vie artificielle, n'hésitent pas à nous promettre ... l'immortalité, mais

seulement en 2100 ! De quoi affoler et confondre les démographes. Qu'en dirait, par exemple,
C. Putnam qui, en 1952, prévoyait trois milliards d'habitants sur la Terre en 1975, alors que la
population mondiale a atteint, cette année-là, le chiffre de quatre milliards pour passer à cinq
douze ans plus tard ?
En technique mais aussi en économie, les erreurs de prévision abondent. Certaines sont de
taille, comme celles du VII e plan français qui, en 1975, annonce le plein emploi pour 1980
(en réalité : plus d'un million et demi de chômeurs !) ou celles du groupe de Louis Armand
qui a évalué la puissance nucléaire civile installée pour l'Europe des six à 32 GW en 1970 et
55 GW en 1975, alors qu'elle ne s'est montée respectivement qu'à 3.4 et 9.4 GW. Quant aux
électrochocs pétroliers des années septante, personne n'a été capable de les prévoir.
Il est aussi de nombreuses autres méprises, qualitatives celles-là, nées d'une mauvaise
appréhension du comportement social des individus face aux innovations. N'entendait-on pas
dire en 1923 que la motoculture retiendrait l'ouvrier des campagnes parce qu'elle faisait appel
à son intelligence et non plus à sa force musculaire ?
Sont-ce des raisons pour se méfier de toutes les prévisions ? Non, bien sûr. Entre celles qui
pèchent par timidité ou rigidité et celles qui pèchent par présomption ou par enthousiasme, il
en est qui ont échappé à la surévaluation et à la sous-estimation ou que les hasards et les
coïncidences ont épargnées.
Mais qu'elles se soient révélées exactes, qu'elles aient été prises en flagrant délit d'optimisme
ou de pessimisme, elles ont toutes le mérite de nous faire réfléchir à l'avenir et/ou de nous
faire rire.
A en juger par l'exemple du Minitel, la déconfuture a en tout cas toujours un bel avenir devant
elle. Ce ne sont pas ces quelques "paroles d'experts" citées par Christopher Cerf et Victor
Nevasky qui me contrediront :
"Nous n'aimons pas le son de ces Beatles, et en plus les groupes de guitaristes sont en voie de
disparition."
L'administrateur de Decca Record Company, 1962
"Grâce à la grandeur du Shah, l'Iran est un îlot de stabilité dans le Moyen-Orient."
Jimmy Carter, 1977
"Il n'y a aucune raison pour que des particuliers aient un ordinateur chez eux."
Ken Olson, Président de Digital Equipment Company, 1977
Et je voudrais y rajouter l'extraordinaire "Je vous avais bien dit que j'étais malade", lu un jour
sur la tombe d'un créatif inconnu.
Il ne faut néanmoins pas désespérer. Dans un célèbre rapport sur l'avenir publié en 1964 par
la Rand Corporation, il est prévu en 2012 la possibilité d'utiliser des médicaments pour élever
le niveau de l'intelligence.
Courage, on y est presque ...
A méditer

Table des Matières
1. Généralités .............................................................................................................2
1.1. Exemples illustrant les catégories industrielles énoncées.........................5
1.2. Caractéristiques de l'industrie chimique....................................................8
2. Mots clés de l'industrie chimique ............................................................................9
2.1. Matières premières ...................................................................................9
2.1.1. Résumé .....................................................................................12
2.2. Energie....................................................................................................12
2.3. Production...............................................................................................14
2.4. Types d'ingénieurs..................................................................................15
3. Généralités sur les bilans pour le (l’avant) projet..................................................16
3.1. Etablissement du schéma général..........................................................16
3.2. Exemples de flow sheet ..........................................................................18
3.3. Bilans matériels.......................................................................................22
3.3.1. Exemple de schéma du point de vue matériel...........................24
3.4. Bilans énergétiques ................................................................................25
3.4.1. Exemple de schéma du point de vue énergétique.....................26
3.5. Bilans de quantité de mouvement...........................................................27
3.6. Conclusions sur les bilans de projet........................................................28
3.7. Première approche du calcul d'un procédé : méthode simple.................29
3.7.1. Appareillage de l'industrie chimique - Représentation
graphique .............................................................................................30
3.7.1.1. Le réacteur...................................................................30
3.7.1.2. Les colonnes et séparateurs........................................32
3.7.1.3. Les échangeurs ...........................................................33
3.7.1.4. Les appareils à pression..............................................34
3.7.1.5. Les tuyauteries.............................................................35
3.7.1.6. Les diviseurs et les mélangeurs...................................35
3.7.2. Application de la méthode des bilans à un procédé ..................36
3.7.3. Application des bilans de matière : boucle de synthèse
d’ammoniac..........................................................................................43
4. Quelques grands noms de l'industrie genre chimique ..........................................54
5. Questions relatives au chapitre ............................................................................56
6. Index.....................................................................................................................77

Chimie Industrielle Introduction
INTRODUCTION
à la
CHIMIE INDUSTRIELLE
"Ne maudissez pas la pénombre,
allumez une bougie."
Confucius
Il nous faut bien l'admettre ou le constater d’urgence, les produits de l'industrie
chimique sont utilisés dans pratiquement tous les domaines de la vie quotidienne.
Quelques exemples doivent ou devraient suffire pour le montrer ou le démontrer :
- la croissance et l'augmentation des besoins alimentaires qu’ils soient végétaux ou
animaux, nécessitent des engrais de nature chimique, des insecticides, des
désinfectants, etc.,
- beaucoup de matériaux intervenant dans la construction ont été réalisés par des
procédés chimiques, c'est le cas des aciers ou autres métaux comme le cuivre, du
ciment et du béton, des peintures, du verre, des plastiques, etc.,
- les chaînes vestimentaires utilisent des fibres synthétiques et des teintures, qui
peuvent toutes deux être fabriquées par synthèse chimique,
- les divers moyens de transport ont besoin d'essence ou de diesel ou de kérosène,
pour leur fonctionnement, des métaux, des plastiques pour leur construction,
- les livres ou autres publications du même acabit utilisent le papier et l'encre,
- la santé et l'hygiène sont entretenues par l'utilisation de médicaments, de savons,
de détergents, de désinfectants, etc.,
- 1 -

Chimie Industrielle Introduction
- pour en terminer, dans cette énumération non exhaustive, l'industrie chimique ellemême
peut s’y ajouter, celle-ci est en effet son propre gros consommateur. Cela
doit se comprendre plus loin, du moins c'est l'espoir avoué et espéré.
1. Généralités
Il est difficile de donner une définition générale de l'industrie chimique sans le risque
de la voir incomplète, malgré de louables efforts. Une définition toute fois simple et
acceptable peut être la suivante (mais le débat reste ouvert) :
La chimie industrielle regroupe tous les procédés qui
visent à transformer des matériaux, intitulés réactifs ou
matières premières, en d'autres matériaux considérés
comme plus utilitaires intitulés produits, au moyen de
toutes sortes d'appareils intitulés unités ou appareils.
Suite à cet éclairage, il est donc possible de proposer un schéma type général de
l'industrie chimique, à savoir :
Ce schéma à trois "étapes" sera toujours retrouvé, quel que soit le procédé
industriel. Une "étape" représente bien entendu un ensemble de techniques et
l’importance de chaque "étape" variera très certainement d'un procédé à l'autre. Ce
schéma met également en évidence trois domaines typiques du procédé industriel,
nécessitant chacun une approche spécifique en vue de sa maîtrise.
C'est aussi par ce schéma type qu’est mis en évidence le type général d'opérations
rencontrées dans le procédé chimique. C'est tout naturellement ce schéma qui
introduit également le Génie Chimique, qui conduit à la classification des diverses
opérations permettant leurs études spécifiques.
- 2 -

Chimie Industrielle Introduction
D’ailleurs, l’étude des procédés de l'industrie chimique et le Génie Chimique [1] sont
indissociables. La première se sert abondamment du second pour toutes les
opérations d'ingénierie que requiert le fonctionnement d'une installation.
Afin de cerner d’importants aspects de classification et de précision de termes
communément et classiquement utilisés, la modeste représentation suivante tente
d’illustrer schématiquement les interconnexions existant entre l'industrie chimique et
ses divers domaines.
Ingéniérie
Absorption,
Adsorption,
Centrifugation,
Cristallisation,
Diffusion, Distillation,
Mélangeage,
Evaporation, Filtration,
Séchage,
Homogénéisation,
Sédimentation,
Broyage, Extraction,
Epaississage
Equipement
Alkylation,
Bénéficiation,
Blanchissage,
Chlorination,
Métallurgie,
Oxychlorination,
Polymérisation,
Combustion,
Craquage, Oxydation,
Nitration,
Fermentation,
Hydrogénation,
Sulfonation,
Vulcanisation,
Désalination, Pyrolyse,
Isomérisation, …
Minerais, Minéraux,
Air, Eau, Gaz naturel,
Pétrole, Charbon,
Lignite, Tourbe
- 3 -
Acides, Alcools, Aldéhydes, Alcalis, Amines,
Ammoniac, Acides aminés, Hydrates de carbones,
Dioxyde de carbone, Enzymes, Esters, Ethers,
Graisses, Furanes, Hydrocarbures, Hydrogène,
Cétones, Métaux, Azote, Oxydes, Oxygène,
Peptides, Peroxydes, Protéines, Pyridine, Sels,
Acide sulfurique, Terpènes, Levures, …
Essentiels Classiques
OPERATIONS
TECHNOLOGIE
MATERIAUX
PROCEDE
CHIMIQUE
ENERGIE
PRODUITS
INDUSTRIELS
ET DE
CONSOM-
MATION
Synthétiques
Acryliques, Alkyles,
Allyles,
Elastomères, Fibres,
Phénoliques, Plastiques,
Polyesters, Polyéthylène,
Polystyrènes, Résines,
Rayonne,
Caoutchouc, Silicones,
Uréthanes, Vinyls, …
Fonctionnels
Accélérateurs,
Aérosols, Antioxydants,
Détergents, Teintures,
Emulsifiants, Herbicides,
Insecticides, Lubrifiants,
Papier, Savons, Cires,
Huiles, Solvants
Inorganiques
Abrasifs, Alliages,
Batteries, Catalyseurs,
Colles, Explosifs,
Fertilisants, Verre,
Isolation, Peinture,
Pigments, Silicates,
Semi-conducteurs, Acier
[1]
C'est-à-dire la science de l'ingénieur plutôt genre chimiste mais vraiment pas obligatoirement.

Chimie Industrielle Introduction
Alors que cette présentation ne prétend même pas épuiser le sujet, il est déjà permis
de se rendre compte de l'étendue de la chimie industrielle et une réflexion pertinente
impose qu'il n'est humainement pas possible de voir tout dans les détails [2] .
Les précédentes figures doivent aussi suggérer que l'industrie chimique est un point
de vue global. En effet, en premier lieu, on perçoit tout de suite l'aspect pratique,
des matières premières sont transformées en produits utilitaires. Par la suite, la
démarche logique consiste à se demander avec quels appareils ou quels types
d'appareils ou quelles techniques ou quelles quantités d’énergie, telle ou telle
opération est réalisée dans le procédé. Puis, comment fonctionnent ces appareils,
peut-on les améliorer, quelles seront leurs dimensions, etc. En fait, à partir du
moment où l'on s'intéresse à l'appareillage et presque obligatoirement à son
fonctionnement, ses dimensions etc., on entre dans le domaine du Génie Chimique,
c'est-à-dire dans le point vue unitaire.
Il convient encore de préciser que le dernier schéma, malgré son abondance
d’informations, ne distingue pas assez clairement la chimie industrielle fine et la
chimie industrielle de base. Cette dernière distinction est fonction de plusieurs
critères.
La chimie industrielle de base est considérée comme celle des gros tonnages, des
grandes productions et c'est celle des chaînes de fabrications rapides et
automatisées, où le produit obtenu est un produit de base ou un intermédiaire dans
la chaîne industrielle. Son prix est normalement le plus bas possible.
Compte tenu de ces aspects, il est généralement acquis que l’industrie de base se
répartit dans les catégories suivantes :
- l'industrie organique ou chimie du carbone, c’est-à-dire surtout la pétrochimie, qui
a pris une part considérable ces dernières décennies compte tenu des possibilités
énormes fournies par la composition du pétrole lui-même car celui-ci n'est plus
seulement utilisé comme combustible. Les applications dans la vie courante, au
départ du pétrole, sont très nombreuses (plastiques, essence, LPG, polymères,
etc.).
- L'industrie minérale ou dite encore inorganique (par opposition à la précédente),
est une des plus anciennes industries chimiques, elle traite plus spécialement de
substances qu'on ne trouve pas dans le pétrole, comme l'ammoniac (substance
basique, produit essentiel de l'industrie pour la fabrication des engrais ou de l'acide
nitrique ou en pharmacie, etc.), ou les acides sulfurique, nitrique ou encore
phosphorique (substances acides, produits essentiels pour la fabrication des
engrais ou des savons ou des explosifs ou des polymères, etc.), ou encore les
sels (produit de base pour l'industrie alimentaire, ou du verre, ou des colorants, ou
textile, etc.).
[2]
Ouf ...
- 4 -

Chimie Industrielle Introduction
- L'industrie des polymères (plastiques, etc.) qui est en fait issue en droite ligne de
l'industrie organique, mais dont la nature même des constituants, des produits,
ainsi que des procédés, en font une industrie à part entière et en croissance
continue.
- L'industrie des métaux ou métallurgie, qui met en oeuvre essentiellement des
matériaux solides extraits de minerais, reste une industrie très importante et
essentielle, les utilisations sont très nombreuses (comme les possibilités), les
produits obtenus comme l'acier et la fonte sont des produits de base pour
l'industrie automobile, ou le génie civil, ou les transports, etc. Les métaux sont
utilisés depuis les âges les plus profonds de l'histoire.
- L'industrie du verre et du ciment ou encore industrie des matériaux silicatés dont
les applications dans la vie courante sont tout aussi nombreuses (constructions,
routes, verrerie, céramiques, etc.).
Dans les catégories industrielles précédentes, on peut dégager les principaux
produits de base, que l'industrieux a l'habitude d'appeler intermédiaires de base ou
produits élémentaires primaires ou encore "commodity chemicals" en anglais qui
est l’ensemble littéraire le plus souvent utilisé.
Ces intermédiaires de base ou "commodity chemicals" vont intervenir par la suite
dans l'immense diversité des procédés industriels plus spécifiques. Bien sûr, il peut
arriver que ces intermédiaires de base soient aussi directement utilisables [3] .
Les catégories précédentes ont également en commun le traitement initial qui est
toujours réalisé avec des matières premières extraites de la nature même, c'est-àdire
du sol (gisements, mines, etc.), ou de l'air ou encore de l'eau.
L'industrie qui va utiliser les intermédiaires ou produits de base sera plutôt appelée
industrie fine ou parachimie. Ce sont des industries où les chaînes de production
sont plus spécifiques et plus sensibles. C'est le cas des industries pharmaceutiques,
cosmétiques, textiles, des peintures, de constructions automobiles, de mise en
forme, etc. Les produits obtenus sont finis, très variés, plus chers et plus proches du
consommateur.
1.1. Exemples illustrant les catégories industrielles énoncées [4]
L'éthane (C2H6), produit de l'industrie …...., va être utilisé pour fabriquer de
l'éthylène (C2H4), un autre produit de l'industrie …...., qui sera lui-même utilisé pour
fabriquer par exemple du polyéthylène, produit de l'industrie …...., qui aboutira
finalement à la fabrication de sachets en plastique. C’est-à-dire un exemple de
finalité parmi tant d'autres, c'est en fait une question de choix ou de stratégie
[3]
Le lecteur captivé et attentif ne manquera pas de trouver des exemples de bon aloi.
[4]
Exemples à vocation hautement didactique, à compléter par les mordus.
- 5 -

Chimie Industrielle Introduction
commerciale. Cet éthylène peut aussi être utilisé comme gaz liquéfié dans l'industrie
du froid.
L'ammoniac (H3N) et les acides (comme le sulfurique et le nitrique), produits de
l'industrie …...., vont être utilisés pour fabriquer des engrais. Un exemple assez
proche de fabricants chimiques de ce type de produits est PRAYON-RUPEL s.a.
L'acier et la fonte, produits de l'industrie …...., seront utilisés pour fabriquer des
chaudières ou des radiateurs ou des voitures ou des câbles ou des poutrelles, etc.,
selon leur possibilité. C'est une question de propriétés mais aussi une question
d'orientation, de marché visé par l'entreprise qui met en oeuvre le produit de base.
La pâte de verre, produit de l'industrie …...., pourra être mise sous diverses formes
pour obtenir des vitres ou des récipients.
Le laitier, produit ou plutôt sous-produit de l'industrie ….., sera utilisé dans la
fabrication des ciments, produits de l'industrie des ….., ce qui contribuera à une
bonne intégration des productions forcées.
Etc.
Le tableau suivant, à consulter à l'aise, fournit encore moult exemples.
Catégorie
Industrie
Inorganique
Produits typiques
Utilisation finale
Acide sulfurique
Fertilisants, pigments, explosifs,
raffinage, produits chimiques
divers, traitement des métaux.
Acide nitrique Explosifs, fertilisants.
Ammoniac Fertilisants, produits chimiques
divers.
Soude caustique Produits chimiques, Rayonne,
raffinage, papier, savons, lessive,
traitement des métaux, nettoyant.
Industrie Essence Combustible pour voiture.
Organique Kérosène Combustible pour avion.
Huiles Lubrifiants, chauffage.
Méthanol Antigel, solvant, fabrication de
formaldéhyde.
Formaldéhyde Plastiques
Ethanol Solvant, produits chimiques,
alimentation.
Ethylène glycol Antigel, Cellophane, dynamite,
fibres synthétiques.
Styrène Caoutchouc synthétique,
plastiques.
- 6 -

Chimie Industrielle Introduction
Industrie Polyéthylène } Applications variées
des Polypropylène } sous formes de plastiques
Polymères Polystyrène } ou de produits courants
Polyvinyle } etc.
Polyester }
Polyisoprène Caoutchouc naturel,
pneus, semelles, isolation.
Polynéoprène Caoutchouc synthétique,
pneus, semelles, isolation.
Rayonne } Fibres synthétiques
Nylon } pour le vestimentaire.
Polyacrylique }
Industrie Verre Vitres, verrerie.
des Céramique Briques, pavés.
silicates Ciment Béton.
Industrie Acier Automobiles, constructions.
Métallurgique Fonte Chaudronnerie.
Cuivre Electricité.
Aluminium Alliage léger.
Industrie Papier Livres, journaux, feuilles.
du papier Carton Boîtes, emballages.
Industrie Oxyde de zinc } Pigments pour peintures,
des peintures Oxyde de titane } encres, céramiques,
Noir de carbone } etc.
Résines Laques, vernis.
Industrie Produits pharmaceutiques, } Applications sanitaires
biochimique drogues } et médicales.
Pénicilline Produit médical.
Ethanol Boissons, solvant.
Ce tableau ne se veut pas et ne saurait être complet, sans le risque d'être
gigantesque. Attirons aussi l’attention que la catégorisation des produits dans des
procédés types ne doit pas être prise au pied de la lettre. Elle est bien évidemment
entachée d'un certain arbitraire. Elle permet juste de fixer certaines idées mais pas
de manière indiscutable.
Dans ce tableau, sont également classées, des industries chimiques qui utilisent des
procédés moins classiques. C’est le cas de l'industrie du papier ou de celle des
colorants ou des teintures. Ces procédés, souvent séparés de l'étude des procédés
chimiques généraux, relèvent plus souvent de "l'art" ou de "la pratique". Ils
conduisent à des produits plus élaborés et plus complexes dont la fabrication est
- 7 -

Chimie Industrielle Introduction
plus spécifique et moins générale que la fabrication de produits de base. Ils relèvent
en fait des procédés de la parachimie.
Les procédés biochimiques concernent les produits pharmaceutiques, les produits
de fermentation et l'alimentation. Ils impliquent une action biologique ou biochimique.
La fermentation, un des plus vieux procédés industriels, est toujours utilisée comme
procédé industriel pour produire des boissons alcoolisées mais elle n'est plus
compétitive pour la production de substances de base comme l'acétone ou l'acide
acétique car elle a été dépassée par l'industrie de base pétrochimique (organique).
Finalement et quel que soit le type d'industrie de base, il faut définir un schéma
industriel de transformation pour partir d'une matière première et aboutir à un
produit demandé par le marché. Sans oublier maintenant de travailler dans des
conditions acceptables pour l'environnement.
1.2. Caractéristiques de l'industrie chimique
Dans l’industrie chimique, il est très important de se rendre compte que tout est lié,
ce qui revient à dire que les procédés sont fortement dépendants l'un de l'autre. De
sorte qu’il n’est pas facile d’innover, d'autant plus que la chimie intervient dans la
quasi totalité des activités de production.
Quelques exemples doivent permettre de fixer les idées. En effet, quand il est décidé
de faire de l'essence sans plomb, cela implique une réduction du taux de
compression, qui entraîne une nouvelle option pour l'industrie automobile. Si on veut
mettre de l'alcool dans l'essence, le système doit être parfaitement imperméable car
il faut savoir que l'alcool se dissout mieux dans l'eau et qu'on risque donc d'en
retrouver partout en concentration croissante [5] .
Une autre caractéristique de l'industrie chimique est que la plupart des procédés ne
débouchent pas sur le seul produit intéressant. Il faut donc tenir compte des
coproduits ou productions fatales et prévoir de les éliminer ou mieux de prévoir un
débouché, ce qui est de plus en plus la tendance à l'heure actuelle.
Par exemple, SOLVAY a proposé un procédé pour faire de la "soude" (Na2CO3)
mais on obtient aussi du chlore excédentaire [6] , c'est ainsi que SOLVAY a développé
des usines pour fabriquer du PVC pour mettre en oeuvre le chlore, reconnu comme
nuisible à l'environnement.
L'industrie chimique est relativement jeune et elle connaît une diversification et un
développement liés à l'évolution technologique. Un produit chimique sur deux aurait
actuellement moins de dix ans d'âge.
[5]
Cela peut être un problème pour le citoyen moyen car la plupart des alcools de la chimie organique ne
sont pas aussi bons qu'on ne l'imagine.
[6]
C'est un procédé de chimie industrielle inorganique ou minérale.
- 8 -

Chimie Industrielle Introduction
C'est aussi une industrie en expansion puisque les marchés sont encore en
croissance et qui se mondialise afin de se prémunir contres les fluctuations des
différents coûts comme celui des monnaies, de la main d'oeuvre, des matières
premières, etc.
C'est une industrie de capitaux où les coûts de production et les investissements
sont fort importants, ce qui entraîne des problèmes de surcapacité si la demande
vient à diminuer, l'adaptabilité est donc limitée.
On peut aussi dire que c'est une industrie où l'effort de recherche et de
développement est et doit être considérable car la croissance s'articule sur le
renouvellement continu de la gamme des produits et sur l'innovation interne.
L'industrie chimique est donc une industrie savante qui consacre jusqu'à 10% de son
chiffre d'affaires à la R&D. Elle compte également un staff technico-intellectuel
particulièrement important. La tendance est aussi à la robotisation et à l'installation
de moyens de mesures et d'analyses performants, ainsi qu'à la prise en compte
de la sécurité et de l'environnement.
Pour terminer et c'est primordial à comprendre, l'industrie chimique possède sa
logique propre, qui lui arrive de s'écarter de la chimie académique et de ses
généralisations car elle a l’obligation de s'adapter aux contraintes économiques,
techniques, environnementales, etc.
Les exemples ne manqueront pas de démontrer ces affirmations par la suite.
2. Mots clés de l'industrie chimique
2.1. Matières premières
Les matières premières sont généralement des produits naturels d'origine minérale
ou animale ou végétale. La répartition des éléments de la croûte terrestre, c'est-àdire
une couche d'une bonne trentaine de km d’épaisseur, y compris les mers et
l'atmosphère, est présentée à la figure suivante (proportions en % massique).
- 9 -

Autres
Ti 0.6%
K 1.8%
Na
2.3%
Mg 2.8%
Ca
4.7%
Fe
6.2%
Chimie Industrielle Introduction
O 45 %
Al
8.3%
Si 27%
On remarque que le carbone n'est pas repris, sa proportion est seulement de 0.018
% en poids (soit 180 grammes par tonne de croûte terrestre). Cependant, il n'est pas
considéré comme un élément rare puisqu’il est présent dans les grandes ressources
de matières premières comme le pétrole et le charbon. En fait, un élément est tenu
pour rare s'il est difficile à atteindre et à extraire mais c'est le point de vue industriel.
Les matières premières peuvent se rencontrer sous toutes les formes de la matière,
c'est-à-dire solide (charbon, minerai, minéraux), liquide (eau, pétrole) ou encore
gazeuse (gaz naturel, air).
L'utilisation des matières premières de par leur nature, détermine le domaine
industriel d'utilisation, ainsi que les moyens de transformation et les produits finaux.
Par exemple, pour la chimie organique industrielle, il faut généralement aboutir à des
produits qui contiennent peu de carbone, c’est-à-dire un ou deux carbones, voire un
peu plus, accompagné(s) d'hydrogène ou d'oxygène. C’est le cas du CH4, du CO, du
CH3OH, du C2H4, du C3H6, du C6H6, etc. On trouve essentiellement ce carbone
dans :
- le pétrole, le charbon (fossiles),
cependant, par rapport au pétrole et dans l'industrie organique, un des principaux
inconvénients du charbon est d'être précisément un solide ce qui ne facilite pas
l'utilisation en général,
- la biomasse,
- le CO2 (dioxyde de carbone) et les carbonates.
Compte tenu de leur nature et leur contenu, ces matières sont utilisées, décrites et
analysées dans le domaine de la chimie industrielle organique.
- 10 -

Chimie Industrielle Introduction
Dans la chimie industrielle inorganique, il faut aboutir à des produits comme le NH3
ou le H2SO4 ou HNO3 ou NaCl ou encore Na2CO3. Donc, il faut des minéraux ou
des minerais qui renferment les éléments essentiels comme S, Cl, Na. Les autres
comme O ou H, sont aisément trouvés dans l'air et l'eau.
Dans l'industrie des polymères, l'industrie organique fournira les matières
essentielles, appelées d’ailleurs monomères. Ceux-ci constituent les petites
molécules de base de départ. La matière première est donc un produit industriel de
base. C'est aussi un produit plus compliqué et très spécial. Il contient
nécessairement des doubles liaisons comme l'éthylène ou C2H4, le chlorure de
vinyle ou CH2CHCl, etc., qui interviendront dans des réactions très spéciales, se
déroulant en chaîne. Ce sont les réactions de polymérisation. Plus d'informations
dans les cours ou les livres traitant des polymères.
Pour la sidérurgie, qui est une branche de la chimie industrielle métallurgique, un des
buts principaux est l’utilisation du fer. C'est dans les minerais d'oxyde de fer comme
l'hématite ou la magnétite qu'il faudra le puiser. Le charbon est aussi un produit
indispensable de cette industrie, ainsi que l'air, afin d’assurer la combustion du
charbon pour apporter les calories nécessaires à la réalisation des réactions
chimiques à haute température. De plus, le carbone intervient dans la composition
du produit final. La sidérurgie n'est pas toute la chimie industrielle métallurgique, ce
n'est donc pas seulement le fer, mais aussi d'autres métaux communs comme le
cuivre, le zinc, l'aluminium, l'étain, le plomb, etc. qui sont tout aussi nécessaires dans
les besoins habituels. Ils sont également enfermés dans des minerais. Par exemple,
le cuivre se trouve dans le sulfure de cuivre, le zinc dans la galène, l'aluminium dans
la bauxite, etc.
Pour l'industrie des silicates, le sable (ou silice ou SiO2) est un des constituants
essentiels ainsi que certains minéraux (NaCl, KCl, CaO, etc.) qui conduisent aux
diverses variétés de verres. Le ciment puise un des constituants principaux dans le
laitier des hauts fourneaux, on voit ici une utilisation très intéressante d'un sousproduit
de l'industrie sidérurgique.
Quel que soit le type d'industrie, les facteurs déterminants principaux des matières
premières restent :
- leur quantité ou y en a-t-il assez ?
La plupart des matières premières de base sont en quantité limitée sur la planète.
Elles sont classées d'un point de vue économique en ressources exploitées ou
réserves (notion plutôt économique) et ressources exploitables ou ressources (non
utilisées parce qu'encore trop chères à exploiter, c'est une notion plutôt technique),
donc il existe très certainement des ressources à encore découvrir.
- Leur qualité ou quel est le pourcentage de matière intéressante ?
La qualité obéit au critère économique pour l'exploitation d'une matière, on va
d'abord utiliser les matières les plus riches pour réduire les coûts de séparation.
- 11 -

Chimie Industrielle Introduction
- L'approvisionnement c’est-à-dire où s'en procurer ?
Il faut acheminer les matières premières vers le site industriel, donc l'accessibilité
et la facilité d'exploiter sont encore des facteurs à prendre en considération pour
l'économie du procédé. Etre sur le site même d'exploitation de la matière première
est souvent admis comme idéal.
Ces facteurs sont importants économiquement parce qu'ils vont cautionner le prix de
la matière première et par voie de conséquence l'économie du procédé. Il y a une
liaison importante et quasi directe entre le prix de revient du produit et celui de la
matière première. Les exemples de la vie courante sont assez nombreux, citons le
prix de l'essence qui connaît actuellement et a connu et connaîtra encore diverses
fortunes. L'occasion d'y revenir pour chaque type d'industrie et de production se
présentera dans les études spécifiques.
2.1.1. Résumé
Type d'industrie Matières premières Produits
Chimie organique Pétrole HC à quelques C, etc.
Chimie inorganique Air, eau, minerais Acide, base, sel
Chimie des polymères Monomères Polymères
Chimie des métaux Minerai, charbon Fonte, acier, métaux
Chimie du verre Sable, minéraux Verre, ciment
2.2. Energie
Dans pratiquement tous les cas, les échanges énergétiques sont élevés. En effet, la
plupart des réactions chimiques de transformation se déroulent à des températures
élevées pour des questions de cinétique, d’équilibre, etc. D'ailleurs l'industrie
chimique vient très loin en tête des industries qui utilisent de l'énergie.
Actuellement, c'est encore souvent le pétrole qui représente une des principales
ressources d'énergie, en plus d'être une matière première destinée à fournir des
produits élémentaires de base. Approximativement, sur 100 kg de pétrole, plus de 90
sont utilisés dans le secteur énergétique et un peu plus de 5 environ pour fabriquer
des produits nécessaires à l'industrie chimique. Cela contribue à diminuer
rapidement les réserves de pétrole, aussi essaye-t-on de trouver de nouvelles
possibilités d'énergie pour réserver le pétrole à des tâches plus chimiques
qu'énergétiques.
En sidérurgie, c'est plutôt le charbon, souvent utilisé sous forme de coke, qui est du
charbon épuré, donc plus cher mais plus propre, ce qui est d'autant plus nécessaire,
qu'il intervient dans la composition du produit final telle la fonte ou l'acier.
- 12 -

Chimie Industrielle Introduction
Quelques ordres de grandeurs indicatifs de valeur énergétique :
charbon (coal) 8.3 kWh kg -1 30000 kJ kg -1
coke (coke) 8 kWh kg -1 29000 kJ kg -1
tourbe (peat) 4.2 kWh kg -1 15000 kJ kg -1
gaz de cokerie (coke gas) 5 kWh m -3 18000 kJ Nm -3
gaz naturel (natural gas) 10 kWh m -3 36000 kJ Nm -3
bois (wood) 5.5 kWh m -3 20000 kJ kg -1
papier (paper) 4.4 kWh m -3 16000 kJ kg -1
détritus (waste) 5.5 kWh m -3 20000 kJ kg -1
Les besoins énergétiques deviennent de plus en plus un souci majeur dans un
procédé industriel car l'énergie devient de plus en plus chère compte tenu de
l’épuisement des ressources et du plus grand nombre de consommateurs. Il est donc
capital que le procédé soit bien intégré énergétiquement. Il est de moins en moins
question à l'heure actuelle de gaspiller de l'énergie, il faut nécessairement s'arranger
pour récupérer les excédents énergétiques, quelque part dans l'installation.
En fait, utiliser les matières énergétiques à la fois comme source d'énergie et comme
matières premières, devient de plus en plus une caractéristique de l'industrie
chimique.
L'importance de l’aspect énergétique peut être soulignée par un exemple.
Supposons que la réaction chimique qui transforme les réactifs en produits soit
fortement exothermique. Ce qui est encore un cas fréquent, les réactions
d'oxydations et d'hydrogénations sont généralement exothermiques. Grâce à
l’exothermicité de la réaction, les produits sont portés à une température élevée. Il
convient bien sûr de refroidir avant de séparer les produits mais cela doit se faire
avec l’idée de la récupération de la chaleur pour fabriquer, par exemple, de la vapeur
surchauffée. Celle-ci pourra alors être utilisée pour faire tourner une turbine qui
entraînera un compresseur. Ce dernier fournira un travail à un fluide quelconque en
augmentant sa pression, c'est-à-dire en le comprimant. Cette vapeur peut aussi être
vendue à un autre utilisateur ou servir à produire de l'énergie électrique.
Malheureusement, la récupération d’énergie n'est jamais totale mais elle doit
s'effectuer le plus efficacement possible. Cet aspect de répartition et/ou récupération
de l'énergie conduit à ce qu'on appelle la synthèse énergétique du procédé.
Science qui devient de plus en plus importante de nos jours (on aura l'occasion de
revenir sur la synthèse énergétique plus tard [7] ).
Compte tenu des rendements et de l'impossibilité de transformer toute l'énergie
calorifique en énergie mécanique ou électrique alors que l'inverse est possible, on
définit actuellement la notion d'exergie ou énergie utilisable sous forme de travail.
Dans un processus à pression constante, la notion d'énergie libre de GIBBS est
utilisée pour calculer cette exergie. Il s’agit de :
[7]
Ce qui ne veut pas dire dans la soirée.
- 13 -

∆G = ∆H -T0 ∆S
Chimie Industrielle Introduction
∆G est l'énergie laissée libre pour être transformée totalement en travail, par rapport
à l'enthalpie ∆H qui est toute l'énergie disponible, tandis que T0 ∆S représente
l'énergie perdue ou anergie. T0 est la température de la source, c’est-à-dire
généralement l’ambiance.
Il est difficile d'en dire plus surtout ainsi ou plus simplement, aussi une consultation
avantageuse des ouvrages modernes sur la question sera-t-elle de mise.
2.3. Production
Dans tous les cas, la production du produit final doit être suffisante pour que la
chaîne industrielle soit rentable, c'est-à-dire qu'elle conduise à un profit.
Ce dernier est indispensable au fonctionnement de l'entreprise pour de multiples
raisons. Il faut pouvoir acheter des matières premières et des appareils, des
nouveaux ou de remplacement, il faut pouvoir payer le personnel et les fournisseurs,
et surtout il faut pouvoir financer de la recherche et investir. Il est souvent nécessaire
de découvrir et donc lancer des nouveaux produits, c'est-à-dire de se renouveler
avant que les anciens produits ne saturent le marché ou que la concurrence ne les
propose à un meilleur prix. Tous les produits ont une durée de vie limitée mais celleci
est très variable d'un produit à l'autre. Les produits de l'industrie de base ont une
vie plus longue, cependant il peut arriver que des quantités moindres soient
nécessaires.
En fait, la production est aussi fixée par les lois de l'offre et de la demande, il faut
donc que la chaîne industrielle ait une certaine souplesse pour subir les variations du
marché, d'où l'importance stratégique des stocks.
Souvent la diversité dans la production est un facteur qui permet à l'entreprise de se
maintenir à flot. Les industries des savons ou détergents sont un exemple type où la
diversité des produits est essentiel.
La société DU PONT DE NEMOURS est un exemple classique d'industrie chimique
qui a su diversifier ses produits. Cette société a démarré ses activités vers 1802 en
fabriquant toutes sortes d'explosifs. Cent ans plus tard, une politique de gestion
agressive, faisait que la société DU PONT acquérait plus de 120 autres petites
sociétés qui fabriquaient d'autres explosifs. Par la suite, grâce à l'établissement d'un
laboratoire de recherche, la société recherchait de nouveaux produits, dont ceux
basés sur la cellulose. Ensuite, elle s'orienta vers les teintures, les plastiques, les
peintures ou autres recouvrements, en plus des explosifs. DU PONT fut le premier à
produire la rayonne (selon un procédé français) en 1920 et à introduire la Cellophane
en 1923. Plus tard encore, en 1939, elle introduisit la fibre synthétique de Nylon et
plus récemment, les fibres Dacron et Orlon. Ainsi, maintenant, cette société
confectionne des milliers de produits différents et a multiplié son prix de vente de
- 14 -

Chimie Industrielle Introduction
1902 par 200. Les explosifs quant à eux, constituent maintenant une petite partie des
ventes annuelles.
En conclusion, il apparaît que la bonne connaissance de l'industrie, implique la prise
en compte des aspects économiques comme les investissements, les coûts de
fonctionnement, le prix de revient, les marges bénéficiaires, l'étude du marché, etc.
Ces divers aspects doivent compléter une étude rigoureuse d'installation en avantprojet
(faisabilité de lancement du produit) et même en projet (santé du produit).
Faisons remarquer que le prix est la valeur acceptée par l'utilisateur, en tout cas la
plupart du temps dans une situation de marché libre. Si ce prix est supérieur au prix
de revient, alors les affaires seront bonnes.
2.4. Types d'ingénieurs
Maintenant, on a dû comprendre que l'industrie chimique est certainement une des
industries dont les produits sont parmi les plus variés (pharmacie, biochimie,
métallurgie, engrais, explosifs parfums, détergents, alimentation, etc.), ce qui
implique un large panel de nécessaires connaissances dans de nombreux domaines
(mathématiques, physique, chimie, thermodynamique, etc., on renvoie à un tableau
des connaissances dans un célèbre cours de Génie Chimique).
Outre la diversité des industries, les types de carrières qui s'offrent à l'ingénieur
chimiste sont aussi assez variées, on peut y distinguer :
- l'ingénieur de procédé (process engineer), dont le rôle principal est de développer
des avant-projets d'usine à l'aide de résultats effectués en laboratoire ou par une
recherche dans la littérature scientifique. Il a un travail de préparation pour le
bureau d'études.
- L'ingénieur de bureau d'études (project engineer, design engineer), à l'aide des
renseignements fournis par l'ingénieur de procédé, il réalise les plans du projet,
aussi détaillés que possible, et il établit le devis de l'installation (le coût), il
transforme l'avant-projet en un projet.
- L'ingénieur d'exécution (executive engineer), celui-ci va se charger de la
construction et du démarrage de l'usine, ainsi que des problèmes
d'approvisionnement, de coût et de délai.
- L'ingénieur de production (production engineer), une fois l'usine construite, il va
s'occuper de son fonctionnement, de sa production et de son entretien. Il devra
donc être attentif aux performances de l'usine en fonctionnement.
- L'ingénieur technico-commercial (technical engineer, sale engineer, market
engineer) a un rôle de liaison, il doit assurer le lien entre le client et le producteur
(problèmes techniques).
- 15 -

Chimie Industrielle Introduction
On s'aperçoit qu'il y en a pour tous les goûts et toutes les compétences. Un ingénieur
peut éventuellement travailler dans une ou plusieurs de ces catégories qui doivent
être prises dans un sens assez large. Quoi qu'il en soit, il faut retenir que de toutes
façons, l'ingénieur sera amené à travailler en équipe afin de permettre le
déroulement du projet depuis son élaboration jusqu'à sa réalisation ou tout
simplement dans son fonctionnement.
A propos du rôle fondamental du travail en équipe, on ouvre une petite parenthèse
philosophique en pensant qu'il est intéressant de lire le texte suivant :
Il n'y a pas dx dxfaut à cxttx machinx, sauf unx touchx qui fonctionnx mal. Lxs
quarantx cinq autrxs touchxs fonctionnxnt trxs bixn, mais cxttx sxulx xt uniqux
touchx qui fait dxfaut provoqux unx sxrixusx diffxrxncx, vous nx trouvxz pas ?
Ainsi vous pourrixz vous dirx par xxxmplx qux vous xtxs sxulxmxnt unx unitx xt
qux cxla nx fait donc pas la diffxrxncx sxlon qux vous coopxrixz ou non. Mais
cxttx façon dx voir xst xrronxx; lxs autrxs ont bxsoin dx vous, ils comptxnt sur
vous !
La prochainx fois qux vous pxnsxrxz nx pas xtrx important ou tout sxul,
rappxlxz-vous cxttx machinx à xcrirx.
Xn xffxt, %mag%nxz qux dxux touchxs fonct%onnxra%xnt mal ...
Xt qux d%rx s'%l y xn &v&%t tro%s; vo%rx qu&;rx s%mul;&nxmxn; ?
En fait, nous sommes complémentaires et interdépendants.
Signalons aussi l'ingénieur de recherche, dont le rôle est d'explorer des domaines
encore inconnus ou tout simplement mal connus. Il est arrivé plusieurs fois que le
réacteur de laboratoire devienne un réacteur industriel (par exemple SOLVAY et sa
fabrication de soude pour penser belge).
3. Généralités sur les bilans dans le cadre des projets
3.1. Etablissement du schéma général
Un schéma général d'installation ou de procédé, est un plan des différents
appareils nécessaires à la réalisation d'un objectif (un produit) avec tous les
circuits parcourus par la matière en cours d'élaboration. C'est généralement un
système ouvert où il entre et sort continûment de la matière et de l'énergie et où le
fonctionnement est généralement considéré comme stationnaire.
Les divers appareils d'un schéma général (flow sheet en anglais, les français disent
humblement rhéogramme) sont généralement appelés des unités et les lignes ou
circuits reliant les appareils entre eux, sont appelés des flux.
- 16 -

Chimie Industrielle Introduction
Ces notions sont couramment utilisées dans le cadre de la simulation [8] ou de la
validation, c’est-à-dire dans l’étude informatique des procédés chimiques.
Si le procédé est en voie de conception (projet), il faut mettre les appareils dans
un ordre logique qui va assurer le bon déroulement des transformations, mais le
premier ordre logique imaginé, n'est pas nécessairement le définitif. En fait, les
appareils ne sont pas indépendants les uns des autres puisqu’ils se suivent et leur
fonctionnement doit être justement coordonné (il ne faut pas arriver liquide à l'entrée
d'un compresseur). Il faut fixer adéquatement les conditions de fonctionnement de
chaque appareil et c'est seulement quand elles seront correctement déterminées,
que pourra débuter l'étude.
Cependant, cette étude pourra remettre en cause certains choix et amènera à réviser
certaines hypothèses ou conditions de fonctionnement. Il faut comprendre que
l'établissement d'un schéma général d'un projet se fait par approximations ou étapes
successives.
Quand un projet est en conception, il passe nécessairement par les étapes
suivantes :
- avant-projet de recherche (1 unité monétaire), le projet est d'abord étudié au
laboratoire, à la bibliothèque, au bureau, afin de voir si le procédé laisse espérer
une bonne rentabilité,
- projet pilote (10 unités monétaires), l'étape intermédiaire qui permet d'étudier le
fonctionnement à une plus large échelle, il faut alors que le procédé se révèle plus
économique encore et surtout extrapolable, avant la dernière étape,
- projet industriel (200 unités monétaires), la réalisation grandeur nature et la
production, il s'agit alors là de fonctionner tous les jours de manière fiable.
Les diverses catégories d'ingénieurs dont on a parlé ci-dessus, se retrouvent ici,
dans les diverses étapes de la conception de l'unité de production.
Par contre, si le procédé existe, on peut en étudier le schéma général afin de voir
s'il est possible d'améliorer celui-ci. Une telle étude demande en général de
nombreuses mesures [9] sur l'installation existante afin de pouvoir construire des
modèles susceptibles de reproduire exactement les sorties en connaissant les
entrées et les conditions de fonctionnement des appareils [10] . C'est après que l'on
[8]
La simulation d'un procédé est le calcul détaillé des flux (les connexions ou lignes) et des unités
(appareils) par des moyens mathématiques et informatiques, surtout si le procédé est complexe.
[9]
Les mesures, les plus nombreuses possibles, faites sur un procédé sont entachées d'erreurs
inévitables. Elles doivent donc d'abord être validées, c'est-à-dire étudiées et corrigées afin qu'elles
vérifient les bilans (voir à ce propos des ouvrages sur la validation).
[10]
Les modèles ne sont que des représentations mathématisées des appareils. Ils peuvent être plus ou
moins sophistiqués selon les hypothèses admises pour traduire l’appareil.
- 17 -

Chimie Industrielle Introduction
pourra envisager d'optimaliser le procédé et éventuellement de le changer si le gain
obtenu par amélioration du procédé permet de vite regagner les investissements qu'il
faudrait faire pour modifier ce procédé.
Dans les deux cas qui précèdent, l'ingénierie assistée par ordinateur (Computer Aid
Process Engineering ou C.A.P.E.) est la science nouvelle qui est proposée à
l'ingénieur de l'avenir, tant l'informatique semble repousser loin les limites de la
complexité.
3.2. Exemples de flow sheet (ou schéma général ou rhéogramme)
La figure ci-après représente un flow sheet qu'il est assez courant de rencontrer
dans l'industrie, par exemple dans la salle des contrôles avec des petites lampes à
gauche et à droite [11] .
[11]
Au milieu aussi.
- 18 -

Chimie Industrielle Introduction
Cette première figure est le flow sheet (presque) complet d'une colonne de
distillation, où sont représentés tous les appareils nécessaires au fonctionnement en
régime de la colonne. On peut y voir un appareil très important en industrie, à savoir
le régulateur qui est le garant du "régime stationnaire". Cet appareil (complexe)
assure la constance au cours du temps des différentes variables du système
(comme la température, les débits, les niveaux, les pressions, etc.). C'est grâce à
cela qu'on parle de régime.
L'étude des régulateurs doit être faite dans le cadre d'un cours de dynamique des
systèmes, de sorte que l'on va toujours considérer modestement que les procédés
étudiés sont en régime stationnaire.
La figure suivante présente alors un schéma général un peu plus délayé, qui reprend
juste ce qui est nécessaire pour une première approche de flow sheet.
- 19 -

H
M
RCT
Alimentation
65 kmol h -1
T = 600 °C
R
A
Chimie Industrielle Introduction
Déshydrogénation du propane en propylène
C
P = 10 bars
Sortie
78 kmol h -1
Diam = 5 m
Haut = 60 m
R
Recyclage = 100 kmol h -1
RCT = réacteur
D = tour de désorption
C = compresseur
M = mélangeur
R = réfrigérant
B = bouilleur
- 20 -
P = 7 bars
Sur ce schéma, il est souvent convenu d'assurer :
D CD
- l'identification des appareils (leur nom et leur fonction),
DI
B
P = 5 bars
CO
A = tour d'absorption
CD = colonne de distillation
CO = condenseur
H = réchauffeur
P = pompe
DI = diviseur
- l'identification des fluides ou matières (aussi identifiés par des noms),
P
Propylène
48 T j -1
Nbre plat = 50
Diam = 3 m
Haut = 40 m
- les valeurs connues des débits, des niveaux de température et de pression,
- les dimensions nécessaires des appareils (surface, diamètre, nombre de tubes,
hauteur, etc.).
Les deux premières exigences consistent juste à savoir de quels appareils il s'agit et
où ils se trouvent dans le procédé, ainsi que de voir quelles sont les différentes
liaisons ou flux entre les appareils ou unités. C'est l'aspect purement géographique.
L'exigence suivante va permettre de se rendre compte des valeurs des débits des
différents constituants mis en jeu dans le procédé, ainsi que les valeurs des
températures et des pressions.
B

Chimie Industrielle Introduction
Si le procédé est en projet, on n'aura guère que les valeurs d'entrée et plus
spécialement celles de sortie car c'est ce qu'on souhaiterait avoir. Les valeurs
intermédiaires sont alors à déterminer.
Si le procédé existe, on doit normalement disposer d'une information abondante pour
toutes les sortes de flux quelles que soient leurs positions dans l'installation
puisqu'on a la possibilité de faire des mesures sur le site.
La dernière exigence permet de préciser des caractéristiques d'appareils qui peuvent
s'avérer indispensables pour les calculs et à ce propos, il y a principalement deux
attitudes :
- the inlets of the apparatus and their main charactéristics are known. Il doit alors
être possible de determine the outlets en utilisant les ressources du Génie
Chimique. C'est ce qu'on appelle la simulation (idem en anglais).
- Les entrées et les sorties des appareils sont connues. Les sorties sont connues,
soit parce qu'elles ont été imposées par un objectif, soit parce qu'elles ont été
mesurées sur un procédé existant. Il faut alors déterminer les caractéristiques de
l'appareil par l'opération inverse à la précédente. C'est ce qui est désigné par la
conception ou encore le dimensionnement (le "design" en anglais).
Quand un schéma général est donné, il faut alors l'étudier afin de connaître les
quantités de matières qui passent dans les lignes (les tuyaux), pour voir à quelles
températures et pressions ces matières sont soumises, afin de savoir quelles
quantités d'énergie sont nécessaires, etc.
Ceci nous amène tout naturellement à définir les variables clés du procédé que
l'ingénieur doit absolument connaître ou mesurer, de toute façon déterminer. Ce
sont [12] :
- la température (temperature), une des plus importantes variables du procédé, car
pratiquement tout dépend de la température. Par exemple, les propriétés
physiques d'une substance ou d'une matière, les constantes d'équilibres, etc. La
température est une mesure de l'énergie des molécules. C'est une variable
intensive, elle est mesurée en Celsius ou en Kelvin.
- La pression (pressure), elle exprime la force moyenne par unité de surface, qui
résulte des collisions des molécules sur cette surface. La pression peut être liée
au déplacement des matières. C'est une variable intensive et elle est mesurée en
bar ou en pascal ou en atm.
- Les débits (flowrate), ce sont les quantités de matière exprimées en masse ou en
mole par unité de temps. Ce sont des variables extensives et elles sont mesurées
en kmole s -1 ou kg s -1 .
[12]
Précisons le tout de même : entre parenthèses se trouve la traduction anglaise usuelle.
- 21 -

Chimie Industrielle Introduction
D’autres sont importantes, comme la masse spécifique (density), qui est le rapport
de la masse d'un corps à son volume. Elle dépend de la température et de la
pression. Pour l'eau à 4°C, 1 kg occupe un volume de 1 dm 3 . C'est une variable
intensive et elle est mesurée en kg dm -3 ou kg m -3 . C’est aussi une donnée
fondamentale car ses valeurs ne sont pas uniquement fonction du procédé.
Les variables comme les compositions (composition), qui sont exprimées
généralement de 2 ou 3 manières, soit :
- en fraction massique (mass fraction), c'est le rapport de la masse d'une substance
à la masse totale, la somme des fractions est égale à 1,
- en fraction molaire (molar fraction), c'est le rapport du nombre de moles d'une
substance au nombre de moles total, la somme des fractions est égale à 1,
- en fraction volumique (volume fraction), c'est notamment le cas des gaz,
- en concentration massique ou molaire, exprimée en kg m -3 ou en kmole m -3 .
Les compositions sont des variables intensives mais ce sont aussi des variables de
liaisons. Elles sont calculées à partir des débits et elles les lient dans des rapports
conventionnels.
Les informations nécessaires à la connaissance des variables du procédé que l'on
vient de décrire, sont obtenues à l'aide des bilans sur la matière, l'énergie et la
quantité de mouvement. Ces bilans vont être passés en revue pour les situer d'un
point de vue chimie industrielle. Les formules "mathématiques" exprimant les bilans,
doivent être prises du (d'un) cours de Génie Chimique.
Avant de passer à la revue, précisons que ces informations serviront aussi à calculer
les appareils indépendamment les uns des autres grâce aux techniques
développées par le Génie Chimique.
3.3. Bilans matériels
Le bilan matériel d'une installation est la comptabilisation rigoureuse des matières
entrant et sortant du procédé. On devrait aussi envisager les matières qui
s'accumulent ou s'épuisent dans les appareils, mais comme on considère le procédé
en régime permanent, les accumulations sont généralement nulles [13] .
Pour étudier un procédé à l'aide des bilans de matière, on se sert fatalement des
équations de bilans matière et de certaines données qui sont des valeurs de débits
ou des équations supplémentaires, de sorte qu'on ait autant d'équations que
d'inconnues. Si c'est le cas, on a une chance de résoudre le problème mais pas
nécessairement de trouver une solution satisfaisante.
Dans l’étude de procédé, on sait cependant que l’on se retrouve dans deux types de
situations que l'on peut considérer comme extrêmes.
[13]
Ce n'est donc pas une loi absolument et irréversiblement définitive.
- 22 -

Chimie Industrielle Introduction
Si le procédé existe, comme cela a été écrit plus haut, on fera de nombreuses
mesures sur les débits de matières, leurs compositions, les températures, les
pressions et on vérifiera que les contraintes constituées par les équations de bilans
sont satisfaites. Une nouvelle notion ou concept apparaît donc ici. Puisque de
nombreuses mesures sont faites, le nombre de contraintes sera sûrement supérieur
au nombre d'inconnues, à savoir les variables qui resteraient à mesurer si on
décidait de presque tout mesurer. Si un nombre de contraintes plus restreint peut
être utilisé pour résoudre le problème, il faut néanmoins vérifier que les contraintes
restantes ou redondantes sont également satisfaites. En fait, il faut que toutes les
équations de bilans soient satisfaites. Cet aspect du problème concerne la
validation des procédés qui est la première étape à accomplir avant tout autre
calcul, c'est-à-dire avant un calcul de simulation puis d'optimalisation.
Si le procédé n'existe pas, c'est-à-dire qu'il est en (avant-)projet, on possède
généralement un nombre restreint de données et les équations de bilans ne suffisent
pas pour tout résoudre. Il faudra donc fixer certaines inconnues comme par exemple
la teneur en impuretés du produit fini. Ces hypothèses doivent être soigneusement
choisies car elles auront une influence très importante sur l'économie ou même la
faisabilité du procédé. Un exemple de cette faisabilité reposant sur le
dimensionnement des appareils, si on désire distiller un produit afin qu'il titre 99.9%
alors que la distillation est difficile, le nombre de plateaux, c'est-à-dire la hauteur de
l'appareil, risque d'être considérablement considérable.
En ce qui concerne la résolution, lorsqu'il n'y a pas de réaction chimique, les bilans
peuvent être exprimés en masse. Dans le cas où des réactions chimiques prennent
place, il est plus commode d'établir les bilans en mole(s) [14] .
Notons également que dans la plupart des procédés industriels, on est amené à
recycler de la matière pour revaloriser le rendement du procédé. En effet, les
réactions ne sont pas toujours (jamais) complètes et le recyclage les réactifs non
transformés est nécessaire. Par conséquent, l'alimentation totale au réacteur est
constituée de l'alimentation fraîche plus la matière recyclée. De même, la production
totale du réacteur est constituée de la production nette due à l'alimentation fraîche et
de la production supplémentaire due à la matière recyclée.
Précisons que le bilan matériel net du procédé se fera en égalant l'alimentation
fraîche à la production nette alors que le bilan matériel total du réacteur se fera en
égalant l'alimentation totale à la production totale. Les exemples et exercices doivent
le montrer par la suite.
Remarquons aussi qu'un recyclage envisagé, sera très certainement limité par
l'accumulation de matières inertes, c'est-à-dire des impuretés qui ne réagissent pas.
En effet, s'il n'y a pas une sortie prévue pour ces impuretés, elles vont s'accumuler
dans le système et peuvent même conduire à l'inhibition, voire à l'empêchement la
réaction. Dans un tel cas, il convient de purger la matière recyclée (faire un
soutirage) de manière à limiter la concentration des impuretés.
[14]
C'est même méga HACHEMENT conseillé pour les réactions chimiques.
- 23 -

Chimie Industrielle Introduction
Toutes ces importantes considérations données en vrac, apparaîtront probablement
plus clairement dans les applications et notamment dans l'exemple vu ci-dessous.
3.3.1. Exemple de schéma du point de vue matériel
La figure suivante montre un schéma général où sont indiquées les valeurs connues
mesurées ou calculées de certains débits et de certaines compositions pour
quelques flux.
Les données qui figurent sur le schéma général ne sont peut-être pas suffisantes
pour calculer tous les autres débits de chacun des flux. Si c'est le cas, il faudra en
imposer d'autres.
L'établissement des bilans de matières risque de fournir un ensemble assez
volumineux d'équations dont l'analyse doit permettre de déterminer les valeurs de
tous les débits à condition que le nombre de données soit suffisant.
- 24 -

Chimie Industrielle Introduction
Précisons tout de même que l'on ne détermine tous les débits que si cela est
nécessaire mais ce le sera s’il est nécessaire de dimensionner tous les appareils.
C'est bien là le but de l'utilisation des bilans matériels, la détermination des débits
pour conduire au dimensionnement de l'appareillage [15] .
L'utilisation des bilans matières et la recherche des valeurs des débits sont montrées
plus loin par des exemples.
3.4. Bilans énergétiques
En principe, dans l’application rigoureuse de la conservation de l'énergie, il faut
comptabiliser toutes les formes d'énergies entrant et sortant du système. Ce sont
notamment l'énergie interne, l'énergie cinétique, l'énergie des forces dérivant d'un
potentiel et d'autres encore (magnétique, de surface, etc.) pour être complet.
Cependant, dans un procédé chimique, elles ne sont pas toutes sur un pied d’égalité.
L'énergie interne (symbolisée généralement par U) représente la chaleur sensible
de la matière. C'est-à-dire sa capacité à être portée à une certaine température, ainsi
que l'énergie potentielle échangée lors d'un changement d'état (chaleur de
condensation, de cristallisation, de réaction, etc.). L'énergie interne absolue n'est pas
calculable, on n’en détermine en fait que les variations d'un état à l'autre. On peut
parler d'énergie interne relative en se servant d'un état de référence et parmi les
références les plus célèbres, on peut citer l'état de référence du gaz parfait à 1 atm
et 298.15 K, ou encore l'état de référence de l'eau à 0 C et pression d'une atm.
m v2
L'énergie cinétique, (pour rappel, E = 2 ) qui dépend de la vitesse moyenne des
débits de matières, est généralement négligeable comparé aux autres (en tout cas
dans les cas de nature chimique qui nous occupent).
L'énergie des forces dérivant d'un potentiel est due principalement à la gravité et
à la pression. La force de gravité produit une énergie m g h où h est l'élévation de la
matière de masse m soumise à l'accélération de la pesanteur g, cette (variation d')
énergie est généralement éliminée. Par contre, les forces de pression produisent un
travail P V sur un volume de matière (fluide) V, ce travail est additionné à l'énergie
interne et l'on obtient ce qu'on appelle l'enthalpie H = U + P V. La notion d'enthalpie
est fondamentale dans les bilans énergétiques du procédé chimique comme on le
constatera.
Par souci d'être complet, il a été mentionné les énergies magnétiques, les énergies
de surface, etc., mais dans un procédé chimique, ces dernières sont encore plus
négligeables que les négligeables.
[15]
Donc au Génie Chimique, yes sir.
- 25 -

Chimie Industrielle Introduction
Il ne faut pas oublié l'énergie extérieure apportée ou enlevée au système sous
forme de travail ou de chaleur.
En résumé, il faut comprendre que dans un procédé chimique industriel, c'est
l'enthalpie, symbolisée habituellement par H, qui entre et qui sort du procédé dont il
faut surtout tenir compte ainsi que des énergies apportées ou enlevées au systèmeprocédé.
Toutes sont généralement des formes de l'enthalpie. Ceci revient à dire que
le bilan énergétique est surtout dans le cas qui nous préoccupe, un bilan thermique
ou enthalpique de l'installation.
3.4.1. Exemple de schéma du point de vue énergétique
Ci-dessous, un schéma d'installation. Pour information, il s’agit d’un flow sheet
sommaire de la production d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir de gaz à
l'eau, où sont représentés notamment les échanges d'énergie (enthalpie, chaleur et
travail) avec le système extérieur.
Ainsi, dans le bilan énergétique à considérer pour une telle installation, il faut tenir
compte :
- 26 -

Chimie Industrielle Introduction
- des enthalpies des matières qui entrent, qui sortent, qui sont générées ou
absorbées,
- des chaleurs échangées entre le procédé (le système) et l'extérieur (l'ambiance)
par des intermédiaires privilégiés (les échangeurs),
- des travaux qu'il est nécessaire de fournir au procédé par l'intermédiaire des
compresseurs ou des pompes ou des travaux que l'on peut espérer récupérer à
l'aide de turbine(s).
Il est très important de noter que dans ces deux derniers cas, on n'échange pas
toute la chaleur ou tout le travail. Il y a des pertes à l'ambiance à cause des
frottements, par manque d'isolation, par échauffement des parois, etc. Ainsi les
opérations d’échange sont-elles toujours affectées d'un certain rendement [16] .
On souligne avec force que température et enthalpie sont intimement liées. Pour
être plus complet, le flow sheet précédent devrait proposer certaines valeurs de
températures ou d'enthalpies pour permettre de dresser les bilans d'énergie.
C'est par la résolution de l'ensemble des bilans thermiques que l'on va déterminer
les valeurs des températures de chacun des flux du schéma général.
On peut conclure que le but des bilans thermiques est de déterminer les besoins
en énergie du procédé ainsi que les niveaux de température qui vont influencer le
choix des matériaux.
3.5. Bilans de quantité de mouvement
Quoique ce bilan ait surtout une grande importance au niveau du procédé parce qu'il
assure le mouvement des matières, on considère qu'il est relativement "simple" et
"facile" à résoudre dans l'étude du procédé chimique.
Il faut effectivement faire bouger les matières pour les faire passer dans les tuyaux
ainsi que les appareils. Il faut donc leur appliquer une force, qui entraîne
nécessairement un certain travail nécessaire à ce déplacement.
Dans le cas des fluides, ce sont les forces de pression qui les font bouger. Les
différences de pression sont les gradients de force, c'est-à-dire les moteurs qui
assurent le transfert des fluides de l'entrée à la sortie du procédé et/ou de l'appareil.
Ces forces de pression maintiennent le système des tuyaux ou des appareils à des
pressions considérées comme constantes mais ces forces de pression servent aussi
à vaincre les pertes de charges à travers ces mêmes tuyauteries et ces mêmes
appareils. Le maintien de la pression et les pertes de charge sont donc assurées par
[16]
Une définition assez générale pour le rendement pourrait être la suivante :
le rendement est égal au rapport de ce qui est vraiment disponible à ce qui a été réellement fourni.
- 27 -

Chimie Industrielle Introduction
l'utilisation de pompes pour les liquides ou de compresseurs ou ventilateurs pour les
gaz.
Cependant, il se peut aussi qu'un fluide soit détendu par passage au travers d'une
vanne ou que l'on veuille récupérer de l'énergie mécanique d'un fluide par passage
dans une turbine. Ces deux opérations ont pour effet de diminuer la pression du
fluide.
Dans le cas des pertes de charge, l'énergie communiquée au fluide est perdue mais
dans le cas d’une turbine, elle peut servir à faire tourner un arbre de compresseur.
Pour les matières solides, on communique une énergie cinétique ou potentielle au
solide en le déplaçant sur un tapis roulant ou en l'élevant au-dessus d'un récipient,
mais comme on a eu l'occasion de le voir, l'énergie communiquée qui coûte aussi de
l'argent, ne bouleverse pas les bilans énergétiques et n’est pas considérée comme
importante (voire négligée) par rapport à d’autres énergies. D'ailleurs, cela
n'engendre ni une différence de pression, ni une différence de température dans les
matières.
Cet ensemble de considérations conduit à dire que le bilan de quantité de
mouvement est pratiquement et essentiellement un bilan de pression. Que celui-ci
est souvent résolu en premier lieu suite aux hypothèses effectuées pour calculer le
procédé représenté par le flow sheet.
De plus, une hypothèse souvent admise en première approximation, est de négliger
les pertes de charge dans les tuyauteries ou encore de reporter celles-ci
symboliquement et numériquement dans les appareils.
Le but des bilans d'impulsion est la connaissance des niveaux de pression qui a
une influence sur la résistance des matériaux car cela va intervenir dans les
calculs d'épaisseur de parois.
3.6. Conclusions sur les bilans de projet
De toute manière, il doit être entendu que toute étude de schéma général est basée
sur la résolution :
- des bilans de matières, qui permettent de calculer les différents débits circulant
d'un appareil à un autre,
- des bilans énergétiques ou bilans de chaleur, qui permettent de calculer les
niveaux thermiques, c’est-à-dire les températures, les besoins en calories, les
possibilités de récupérations, etc.,
- des bilans d'impulsion ou bilans de pressions qui permettent de déterminer les
différents niveaux de pression et de vaincre les pertes de charges.
- 28 -

Schématiquement :
Chimie Industrielle Introduction
Bilans de matières → débits totaux et partiels → dimensionnement
Bilan de chaleur → températures et enthalpies → besoins + matériaux
Bilan d'impulsion → pressions → mouvement, résistance
Pour rappel ou confirmation, dans le contexte du Génie Chimique, les bilans
matières et énergétiques sont largement utilisés avec des considérations
supplémentaires pour calculer les appareils plus spécifiquement, c'est-à-dire à
l'échelle individuelle ou unitaire de l'appareil.
Dans le cadre de la chimie industrielle, ils sont plutôt utilisés à l'échelle globale de
l'installation pour établir les valeurs des différents flux (températures, débits, etc.),
afin de contrôler ces flux ou de les utiliser par la suite pour dimensionner.
De toute façon, la formulation à utiliser (voir Génie Chimique) est (et reste) :
A = E - S pour une opération physique
A = E - S + G pour une opération chimique
où A est l'accumulation dans le système,
E est tout ce qui entre dans le système,
S est tout ce qui sort du système,
G est la génération nette de matière par la (les) réaction(s) chimique(s)
exprimée molairement [17] .
Les unités des variables sont toujours à préciser selon le cadre de l'utilisation.
Elles seront molaires ou massiques pour les bilans matières, celles de l'énergie pour
le bilan thermique (ou d'énergie) et celles de la pression pour le bilan d'impulsion.
Sans oublier l’unité de temps si le système est ouvert.
3.7. Première approche du calcul d'un procédé : méthode simple
Dans la suite et parce qu'il s'agit aussi d'une tout autre étude (dynamique), il est
considéré que les procédés analysés, ainsi que les appareils qui le composent,
fonctionnent en régime stationnaire. Comme il y a des entrées et des sorties
permanentes, les procédés seront donc des systèmes ouverts en régime stabilisé.
[17]
G est non nul et est uniquement utilisé pour les bilans matière avec réaction chimique. Il est presque
toujours exprimé en unité de mole (par unité de temps ou non). En kg, c'est possible mais plus que
certainement source à problèmes. Les unités doivent toujours sauver la mise.
- 29 -

La stationnarité du procédé implique que :
Chimie Industrielle Introduction
- le terme d'accumulation (A) sera nul pour les cas abordés par la suite,
- les variables extensives comme l'enthalpie (H), les débits (Z), etc., seront
exprimés par rapport à l'unité de temps (s, h, j, an, etc.).
3.7.1. Appareillage courant de l'industrie chimique - Représentation graphique
Une liste des appareils les plus souvent rencontrés dans les schémas généraux ou
"flow sheets" ainsi que les symboles graphiques convenus, est présentée et
brièvement analysée par la suite. Les symboles graphiques ne sont pas vraiment
standardisés mais ce sont à peu de choses près les représentations admises les
plus courantes. De toute façon, ce seront les conventions utilisées ici et dans les
autres cas, elles sont précisées sur tout flow sheet digne de ce nom.
Une définition simple pour chaque appareil ainsi que de l'établissement global des
bilans matières et thermiques est fournie en vue d’une utilisation simplifiée.
Le bilan d'impulsion n'est pas toujours donné, en général il sera simplement, avec P
comme symbole de la pression totale :
ou bien
Pentrée = Psortie
Pentrée = Psortie + pertes de charge
Précisons encore que les appareils étudiés dans le cadre de la chimie industrielle,
c’est-à-dire le point de vue global, sont normalement l'objet de développements plus
détaillés dans le cadre du Génie Chimique ou point de vue unitaire avec le
dimensionnement optimal comme objectif.
C’est pourquoi il n'apparaît donc pratiquement pas de considérations de dimensions
et les variables principales sont les variables macroscopiques du procédé telles
qu'elles ont été décrites dans le paragraphe sur les variables du procédé (T, P,
débits).
3.7.1.1. Le réacteur
Le réacteur est probablement l’appareil clé du procédé. C’est un volume déterminé
où se déroule la transformation des réactifs en produits. La nature des constituants
varie, ainsi que leurs quantités respectives. Il n’y a en général qu’un flux d’entrée et
qu’un flux de sortie et la représentation symbolique est :
- 30 -

Bilan matière pour chaque constituant :
0 = Z 0 i - Zi + Gi i = 1, N
Chimie Industrielle Introduction
0
Z
i
Z
i
où Z 0 i est le débit molaire de la substance i à l'entrée du réacteur,
Zi est le débit molaire de la substance i à la sortie du réacteur,
Gi est la génération nette de substance i due aux R réactions chimiques,
N est le nombre total de substances entrant et sortant du réacteur.
Les débits Zi ainsi que Gi, sont le plus facilement exprimés en unités molaires par
unité de temps, par exemple kmol s -1 , kmol h -1 , mol s -1 , etc.
Bilan de chaleur :
0 = Hin - Hout + Echange(s) de chaleur éventuel(s)
où Hin est l'enthalpie totale à l'entrée du réacteur,
Hout est l'enthalpie totale à la sortie du réacteur.
Les enthalpies et autres énergies, s'expriment en unité d'énergie par unité de temps,
par exemple en kJ s -1 , kcal h -1 , kW, etc.
Dans le cadre d’une détermination de tous les débits d’entrée et de sortie, il est
nécessaire de faire une analyse des spécifications pour connaître le nombre de
données à s’imposer ou à fixer.
D’un point de vue bilan matière, pour N substances dans 2 flux et avec R réactions, 2
* N + R inconnues sont dénombrées pour N bilans de matières. Il faut donc imposer
ou fixer N + R données ou contraintes pour calculer tous les débits.
Les éventuelles équations exprimant l'équilibre chimique, peuvent être ajoutées
comme contraintes supplémentaires ainsi que des rendements ou des conversions,
etc. Il peut y avoir R équilibres ou R conversions par réaction. En général il n’y a
qu’un rendement.
La détermination du volume du réacteur ou du temps de séjour ou de la masse
catalytique, etc., relève du Génie Chimique.
- 31 -

3.7.1.2. Les colonnes et séparateurs
Chimie Industrielle Introduction
La séparation simple consiste en une séparation en une seule étape, dans un ballon
ou une petite colonne, de la phase vapeur et de la phase liquide.
Par contre, la distillation est une technique de séparation qui accumule les
séparations simples.
L'absorption (désorption) et l'extraction sont également des séparations, dans des
colonnes assez grandes en général, d'une (de) substance(s) au moyen d'une (d')
autre(s).
Les séparateurs ont de 1 à plusieurs flux d’entrée et minimum deux flux de sortie.
Les représentations graphiques sont respectivement :
Z1
Q
Z2
Z3
Séparation simple Distillation Absorption - Désorption
Bilan matière pour chaque constituant :
0 = Z1i - Z2i - Z3i i = 1, N pour séparation, distillation
0 = Z1i + Z2i - Z3i - Z4i i = 1, N pour absorption, extraction
où les symboles sont définis sur la figure ci-dessus.
Les débits Z sont exprimés en général en unités molaires ou massiques par unité de
temps, par exemple kmol h -1 , kg h -1 , t j -1 , etc. Dans ces cas, l’utilisation des unités
massiques est moins restrictive et tout aussi facile ques les unités molaires car il n’y
a pas de réaction chimique..
- 32 -

Chimie Industrielle Introduction
Il est très courant de faire intervenir ou d’utiliser les fractions massiques ou molaires,
c'est-à-dire :
Zi = zi Z
où Zi est le débit molaire ou massique de la substance i,
zi est la fraction molaire ou massique de la substance i,
Z est le débit total molaire ou massique.
Bilan de chaleur :
0 = H1 - H2 - H3 + Echange(s) de chaleur éventuel(s) séparateur
0 = H1 - H2 - H3 - Qcondenseur + Qbouilleur colonne à distiller
0 = H1 + H2 - H3 - H4 + Echange(s) de chaleur éventuel(s) absorbeur
où Hi sont les enthalpies totales autour des systèmes considérés (voir figure),
Q sont les quantités de chaleur fournies ou retirées au système.
D’un point de vue bilan matière, pour N substances dans 3 flux (1 d’entrée et deux
de sortie), 3 * N inconnues sont dénombrées pour N bilans de matières. Il faut donc
imposer ou fixer 2 * N données ou contraintes pour calculer tous les débits.
Les éventuelles équations exprimant l'équilibre physique par des constantes de
partage, peuvent être ajoutées comme contraintes supplémentaires. Ces contraintes
sont souvent au nombre de N.
Le dimensionnement de ces appareils, à savoir le calcul des conditions opératoires
et la hauteur ou le volume, est réalisé dans le cadre du Génie Chimique.
3.7.1.3. Les échangeurs
Les échangeurs permettent le passage de la chaleur du fluide chaud vers le fluide
froid sans toutefois modifier les flux de matières.
Q
Z1 Z2
- 33 -
Z4
Z1 Z2
Les bilans matières sont donc immédiats car il n'y a normalement pas de mélange
entre les fluides de sorte que les débits sont simplement conservés (Z1 = Z2, Z3 =
Z4).
Z3

Bilan de chaleur :
Chimie Industrielle Introduction
0 = H1 - H2 + Q premier type d'échangeur
0 = H1 + H3 - H2 - H4 deuxième type d'échangeur
Les symboles ne changent pas de sens et ont donc déjà été définis (voir plus ci
avant et les figures).
Les équations exprimant l'échange thermique doivent en général être ajoutées mais
pas nécessairement.
Ces appareils sont également dimensionnés par les techniques du Génie Chimique
où les calculs de la surface d’échange et la charge thermique de l’échangeur
apparaissent comme les plus importants.
3.7.1.4. Les appareils à pression
Les appareils à pression modifient fortement la pression des flux entrants par une
action mécanique sans modifier les débits massiques.
Compresseur Turbine Vanne Pompe
Le bilan matière est immédiat puisque les débits massiques sont conservés.
Bilan de chaleur :
0 = Hin - Hout + Puissance compresseur ou pompe
0 = Hin - Hout - Puissance turbine
0 = Hin - Hout vanne
Pour les vannes, le bilan enthalpique est conservé et comme ces appareils
introduisent seulement une modification de pression, la température n'est
pratiquement pas modifiée [18] . Au point de vue énergie, il s'agit de transfert énergie
[18]
L’enthalpie est peu influencée par la pression cependant une modification de température importante
risque de se présenter dans le cas du changement de phase d'un mélange.
- 34 -

Chimie Industrielle Introduction
potentielle et/ou énergie cinétique, énergies dont l’importance est faible dans les
bilans enthalpiques. Donc s’il faut faire des bilans énergétiques précis sur les
vannes, il faut tenir compte de ces énergies.
Les compresseurs sont pour les gaz et les pompes pour les liquides. Dans le premier
cas la température change beaucoup alors que pour le second, elle change peu
(incompressibilité relative du liquide).
Le bilan d'impulsion reste toujours simple car pour ces appareils, la chute ou le gain
de pression effectué (ou désiré)est précisé.
Les équations exprimant l'action mécanique doivent en général être ajoutées et leur
dimensionnement spécifique relève du Génie Chimique.
3.7.1.5. Les tuyauteries
Les tuyauteries sont les connexions entre les appareils. Elles contiennent la matière
mais il n’est pas nécessaire de faire de bilan dessus car il ne s'y passe rien de
spécial, la matière est seulement transférée.
Les pertes de charge éventuelles dans les tuyauteries sont souvent symbolisées par
des vannes ou encore comprises dans les appareils précédents.
3.7.1.6. Les diviseurs et les mélangeurs
Le mélangeur a pour simple but de mélanger deux ou plusieurs flux pour en faire un
seul sans aucun apport de travail. Par contre, le diviseur fait l'inverse, il sépare un
flux en deux voire plus (rare) mais toujours sans apport de travail.
Z3
Z1 Z2
Bilan matière pour chaque constituant i :
Mélangeur Diviseur
0 = Z1i - Z2i - Z3i i = 1, N diviseur
- 35 -
Z1
Z2 Z3
0 = Z1i + Z2i - Z3i i = 1, N mélangeur

où les symboles sont précisés sur la figure ci-dessus.
Chimie Industrielle Introduction
Les remarques faites sur les unités des variables Zi ainsi que sur leurs fractions
molaires ou massiques relatives aux substances, restent valables ici (voir plus haut).
Bilan de chaleur :
0 = H1 + H2 - H3 mélangeur
0 = H1 - H2 - H3 diviseur
où Hi sont les enthalpies totales autour des systèmes considérés (voir figure).
Le mélangeur ne nécessite aucune équation supplémentaire tandis que pour le
diviseur, on précise souvent le taux de purge ou coefficient de soutirage, par
exemple :
t = Z2
Z1
où Z1 et Z2 sont les débits totaux.
- 36 -
(0 ≤ t ≤ 1)
Le diviseur est aussi appelé purgeur à cause de son rôle dans le procédé. Il ne
modifie pas les compositions du flux qui entre de sorte que celles-ci sont conservées
dans les deux ou plusieurs sorties. Par conséquent, le taux de purge est applicable à
n’importe quel débit de substance du flux d’entrée.
3.7.2. Application de la méthode des bilans à un procédé
Soit un petit procédé (très courant en industrie) fonctionnant en régime stationnaire
et représenté par le schéma général suivant :
0
M1 R1
1
4
Dans ce type de schéma, les liaisons représentées par les lignes sont donc appelées
flux et ceux-ci sont numérotés de 0 à 4. Un flux est censé représenter un mélange de
substances définies chacune par un débit partiel (de préférence en nombre de moles
par unité de temps s’il y a une réaction chimique en jeu), ainsi qu'une température
(en K) et une pression (en bar). Pour rappel ou pour confirmation, on considère qu'un
2
S1
3

Chimie Industrielle Introduction
flux est complètement déterminé quand toutes les variables précédentes ont été
calculées.
La connaissance de ces variables permet aussi de calculer l'enthalpie qui est la
donnée nécessaire pour écrire et résoudre les bilans de chaleur. Les bilans de
matière et de chaleur ne sont qu’assez rarement indépendants.
Les appareils représentent respectivement un mélangeur, un réacteur et un
séparateur du type colonne. Ces appareils sont appelés des unités et leur rôle
essentiel est de modifier les flux, c'est-à-dire de changer les températures ou les
pressions ou les débits ou encore toutes les précédentes variables à la fois.
Dans ce schéma général, on peut y voir le flux 0 qui est le seul flux d'entrée du
procédé, où il est supposé contenir trois substances nommées A, B et C.
Le mélangeur M1 mélange simplement les flux 0 et 4 sans échange de chaleur avec
l'extérieur, ni apport de travail.
Le réacteur R1 réalise la réaction isotherme :
ν A A + ν B B → ν C C
où ν A , ν B et ν C sont des coefficients stoechiométriques quelconques mais connus.
Le séparateur S1 est normalement un appareil qui devrait séparer le flux 2 selon un
mode de fonctionnement à préciser mais fixé.
Dans ce procédé, et uniquement pour faciliter la tâche, on suppose que la
température et la pression ne varient pas. Le procédé est considéré comme
isotherme et isobare. Ainsi, il ne sera pas nécessaire de faire intervenir les bilans
d'énergie permettant de calculer la température et d'impulsion concernant surtout la
pression. On considère que les températures seront toutes égales à T0 et les
pressions à P0, qui sont la température et la pression du flux d'entrée (flux 0).
Dans un procédé réel, aucun échange de chaleur et aucune perte de charge sont
des hypothèses évidemment tout à fait irréalistes et d'ailleurs quasi irréalisables. Par
contre envisager les bilans de matières seuls pour aborder et dégrossir le problème
est tout à fait courant. Les précautions prises ci avant n'étaient donc pas strictement
nécessaires.
Afin de se rendre compte de la faisabilité du problème, on réalise une analyse des
spécifications ou du nombre de degré de liberté afin de dénombrer les inconnues du
système et les données. Cela permet alors de savoir si le nombre de bilans de
matière sera suffisant pour calculer les variables qui ne seraient pas données.
D’un point de vue général, les inconnues à déterminer sont tous les débits partiels
(en nombre de moles par unité de temps) de chaque substance dans chaque flux, ce
sont :
- 37 -

A0 A1 A2 A3 A4
B0 B1 B2 B3 B4
C0 C1 C2 C3 C4
Chimie Industrielle Introduction
Soit donc 3 substances * 5 flux = 15 inconnues au total, ce qui implique de trouver 15
relations ou équations indépendantes pour résoudre entièrement le système [19] .
Ces relations sont tirées des bilans de matières, des équations de liaison faisant
intervenir les variables du système (par exemple le % d’un substance dans un flux),
soit encore des données.
On obtient une partie des relations en écrivant d'abord tous les bilans de matières
autour de chaque appareil à l'aide de la formule vraiment très générale de bilan A =
E - S + G (ici, A = accumulation = 0 car régime admis comme stationnaire). Tous les
bilans sont exprimés en nombre de moles par unité de temps de préférence s’il y a
réaction chimique. On a alors, pour chaque appareil et pour chaque substance :
Mélangeur M1
0 = A0 + A4 - A1
0 = B0 + B4 - B1
0 = C0 + C4 - C1
Réacteur R1
0 = A1 - A2 + GA
0 = B1 - B2 + GB
0 = C1 - C2 + GC
Séparateur S1
0 = A2 - A4 - A3
0 = B2 - B4 - B3
0 = C2 - C4 - C3
Tous ces bilans de matière donnent neuf équations "seulement", c’est-à-dire 3
appareils * 3 substances. Cependant, trois inconnues supplémentaires sont
introduites et ce sont les générations nettes dans le réacteur, soit de A, soit de B ou
soit de C.
Par conséquent, on peut dire qu'il y a 15 + 3 inconnues pour 9 équations, ce qui
donne un excès de 9 inconnues. Le problème possède 9 degrés de liberté. Cela
[19]
Relation ou équation est donc pris au sens le plus large, de sorte que A0 = une valeur est considérée
comme une équation au même titre que A0 + A4 = A1, même si celle-ci contient plusieurs variables.
- 38 -

Chimie Industrielle Introduction
veut dire qu'on est libre d'imposer 9 valeurs à 9 inconnues choisies
judicieusement, pour trouver les autres à l'aide des équations obtenues. Imposer
des valeurs n'est cependant pas toujours une chose simple et seule la résolution de
plusieurs problèmes apporte l'expérience nécessaire à cette pratique délicate.
Toujours dans le cas où une seule solution est recherchée (cadre de la simulation) et
avant d'imposer des valeurs, il faut essayer de trouver des équations
supplémentaires. Ceci implique alors d'examiner un rien plus intimement, le
fonctionnement des appareils. On peut dire que :
- le mélangeur ne fait guère plus qu'un mélange, donc pas d'équation
supplémentaire.
- Le réacteur réalise la réaction unique :
ν A A + ν B B ⇔ ν C C
donc quand une mole de A disparaît, une mole de B disparaît aussi et une mole de
C apparaît. Supposons que cette transformation [20] en nombre de moles soit
imposée à la valeur AVAN (représentant l’avancement de la réaction mesuré en
unité de mole par unité de temps) et que cette valeur est fixée. On a alors :
GA = ν A AVAN
GB = ν B AVAN
GC = ν C AVAN
avec AVAN (en nombre de moles par unité de temps) comme valeur connue et
constante (vu la stationnarité du procédé).
Cela fait trois équations supplémentaires, AVAN n'est plus une inconnue si celle-ci
est supposée fixée.
- Le séparateur réalise une séparation assez idéale, on peut admettre qu'on a
suffisamment étudié ce séparateur au laboratoire ou expérimentalement de sorte
qu'il est possible de dire que chaque constituant suit la loi simple :
A4 = SEPA A2
B4 = SEPB B2
C4 = SEPC C2
avec SEPi (adimensionnel, i =1,3) qui sont considérés comme des facteurs de
partage connus et constants.
De nouveau, 3 relations supplémentaires sont obtenues (même remarque pour les
facteurs SEPi que pour AVAN).
[20]
Le mot conversion est en quelque sorte un mot dangereux s’il est utilisé abusivement. En fait, une
définition précise existe et se trouve dans les cours ou dans les livres traitant du Génie Chimique.
- 39 -

Chimie Industrielle Introduction
Ces informations supplémentaires (3 + 3) montrent qu'il n'y a donc plus que 3 vrais
degrés de liberté au système car les équations sont des contraintes et non des
libertés.
Ainsi, en se donnant la peine de réarranger l'ensemble des équations selon le
système ci-après où les inconnues du flux 3 sont directement éliminées pour
simplifier avantageusement ce système (cela consiste d’ailleurs à perdre 3
inconnues et 3 équations, c'est donc une opération blanche) :
0 = A0 - A1+ A4
0 = B0 - B1 + B4
0 = C0 - C1 + C4
0 = A1 - A2 + ν A AVAN
0 = B1 - B2 + ν B AVAN
0 = C1 - C2 + ν C AVAN
0 = A4 - SEPA A2
0 = B4 - SEPB B2
0 = C4 - SEPC C2
Il s'agit bien un système de 9 équations indépendantes mais il y a 12 inconnues
(AVAN et SEPi étant considérés constants et connus). Cela confirme donc les 3
degrés de liberté.
Comme tout ce qu'il était possible d'écrire a été écrit, pour résoudre le système, il est
bien obligatoire de fixer trois inconnues, ce qui revient à fixer les trois degrés de
libertés pour trouver une seule solution qui doit nécessairement être physique.
Il arrive encore assez souvent que l'on s'impose le flux d'entrée soit A0, B0 et C0.
C'est le mode classique de simulation où les entrées sont considérées comme
connues. Le système à résoudre devient alors :
- A0 = - A1 + A4
- B0 = - B1 + B4
- C0 = - C1 + C4
- ν A AVAN = A1 - A2
- ν B AVAN = B1 - B2
- ν C AVAN = C1 - C2
0 = - SEPA A2 + A4
0 = - SEPB B2 + B4
0 = - SEPC C2 + C4
Si et seulement si ce système est un système d'équations indépendantes, ce qui
doit être la cas si l’analyse des degrés de liberté a été bien menée alors il sera
possible de trouver une solution unique.
- 40 -

Chimie Industrielle Introduction
En résolvant [21] ce système, la solution analytique suivante est obtenue :
A4 =
B4 =
C4 =
A0 SEPA + ν A AVAN SEPA
1 - SEPA
B0 SEPB + ν B AVAN SEPB
1 - SEPB
C0 SEPC + ν C AVAN SEPC
1 - SEPC
Les débits du flux 4 sont déterminés uniquement en fonction de valeurs connues
(AVAN, SEPi et les débits d'entrée). Les débits de chaque substance des autres flux
se déduisent de la connaissance acquise du flux 4.
Supposons pour illustrer numériquement que A0 = B0 = 1 kmole s -1 , C0 = 0.1 kmole
s -1 , les coefficients stoechiométriques de la réaction sont tous égaux à 1 [22] , AVAN =
0.9 kmole s -1 et SEPA = 0.8, SEPB = 0.5, SEPC = 0.2, on obtient alors
respectivement (en kmole s -1 et donc sous-entendu ci-dessous) :
A4 = 0.4
B4 = 0.1
C4 = 0.25
le débit recyclé est donc égal à 0.75
A2 = 0.5
B2 = 0.2
C2 = 1.25
A3 = 0.1
B3 = 0.1
C3 = 1
A1 = 1.4
B1 = 1.1
C1 = 0.35
Une vérification importante et très utile peut (doit) être faite en utilisant le bilan de
matière en masse sur tout le système. La conservation de la matière en régime
stationnaire impose que tout ce qui entre en masse est égal à tout ce qui sort
en masse. S'il entre 1 kg dans le système, il doit sortir 1 kg puisque le régime est
[21]
Il y a plusieurs manières de résoudre ce système, dont les moyens informatiques mais c'est tout de
même un système de 9 équations à 9 inconnues pour un procédé simple. Avant d'utiliser la grosse
artillerie, il faut d'abord faire marcher sa tête chercheuse et ici, des remplacements successifs
donnent la solution.
[22]
Dans les bilans matériels, le Génie Chimique soumet les coefficients stoechiométriques à une
convention de signe, à savoir négatif pour les réactifs, positifs pour les produits et nuls pour les
inertes. Ici, on a donc νA = -1 ,νB = -1 et νC =1.
- 41 -

Chimie Industrielle Introduction
stationnaire, ce qui implique qu'il n'y a pas d'accumulation de matière même s'il y a
une (des) réaction(s) chimique(s).
Supposons que la masse moléculaire de A soit de MMA = 10 kg kmole -1 et que celle
de B soit de MMB = 20 kg kmole -1 , alors la réaction chimique :
ν A A + ν B B → ν C C
impose toujours que celle de C soit de
- 42 -
ν A MMA + ν B MMB
ν C
kg kmole -1 .
Exprimons que tout ce qui entre en masse = tout ce qui sort en masse, soit :
MMA A0 + MMB B0 + MMC C0 = MMA A3 + MMB B3 + MMC C3
Numériquement
10 * 1 + 20 * 1 + 30 * 0.1 = 10 * 0.1 + 20 * 0.1 + 30 * 1 (= 33 kg par u.t.)
Une autre vérification (ou approche de résolution) peut être obtenue en globalisant le
système comme une grosse unité réacteur avec une entrée, le flux 0, une sortie, le
flux 3 et la réaction d'avancement connu. On peut alors appliquer le bilan matière à
cette grosse unité et pour chaque substance, de sorte qu'on a (avec les valeurs
numériques) :
0 = A0 - A3 + ν A AVAN ⇒ A3 = A0 + ν A AVAN = 0.1
Vu les données, la réponse est rapide et un esprit observateur voit que cela revient à
manipuler les équations précédentes. On ferait de même avec les autres substances
et on trouverait tout aussi aisément.
Quoi qu'il en soit, on peut affiner et résumer succinctement une méthode de
résolution :
Faire un schéma soigneux simplifié et correctement numéroté.
Faire le compte précis des substances (étape déterminante).
Faire le compte précis des réactions (autre étape déterminante).
Evaluer le nombre d'inconnues et le nombre d'équations (sens large).
Evaluer le nombre de degré(s) de liberté.
Ecrire les équations de bilans (toutes).
Ecrire les équations supplémentaires.
Imposer ou éliminer des valeurs pour résoudre le problème.
Résoudre avec calme, réflexion, observation et surtout sérénité.
Vérifier le bon aloi des valeurs trouvées par le bilan massique global.

Chimie Industrielle Introduction
3.7.3. Application des bilans de matière : boucle de synthèse d’ammoniac
L’exemple présenté ici ne se contente plus de symboles alphabétiques et de
situations idéalisées. Il traite et concrétise l’étude d’une partie du procédé de
fabrication d’ammoniac par les bilans matières.
Plusieurs aspects sont envisagés et mis en évidence pour montrer la difficulté des
choix et la portée des décisions. En effet, la lecture d’un rapport (ou énoncé ou
compte rendu) d’un problème conduit presque inévitablement à envisager plusieurs
possibilités de résolution.
Cependant, celles-ci ne sont pas toutes nécessairement bonnes, notamment
physiquement. On admet sans trop de peine qu’en tout état de cause, une solution
acceptable ne peut comporter que des débits positifs.
En vue d’un redimensionnement, on se propose ici d’étudier les bilans de matière de
la boucle de synthèse d’ammoniac, assurant une production journalière d’ammoniac
de 500 tonnes. Cette boucle est classiquement représentée par le schéma général
simplifié suivant :
La connaissance expérimentale du procédé permet d'admettre que les pertes de
charge sont "fort" faibles et que les températures régnant dans les appareils sont
assez uniformes. Dans ce cas, on peut affirmer que le rendement du réacteur est de
16.86% et que la fraction vaporisée au séparateur simple est de 91% (% molaire).
L'alimentation au compresseur est composée d’azote, d’hydrogène (71% volumique),
d’argon et de méthane (tous deux à 2.1% en volume). Dans la boucle de synthèse et
après le séparateur, la composition volumique du gaz est de 20% d’azote, 65.3%
d’hydrogène, 4.8% d’argon et 4% de méthane alors que le débit horaire d’ammoniac
est mesuré à 18075.2 Nm 3 .
- 43 -

Chimie Industrielle Introduction
Avec cet ensemble d'informations, il s’agit entre autre de calculer les débits molaires
journaliers totaux et partiels du flux de production du procédé et du flux de purge.
La valeur du débit total molaire et massique de recyclage sera également bien mise
en évidence.
La détermination des valeurs des rendements du réacteur et du procédé en vue
d’une évaluation des performances du recyclage, ainsi que la pureté de l’ammoniac
obtenu, est tout aussi requise.
Après le calcul des débits nécessaires, on vérifiera que l’accumulation dans le
système par le bilan massique global, est bien nulle.
Compte tenu de la seule résolution des bilans de matière, on obtient le schéma
général légèrement simplifié suivant (toutes notations utiles comprises) :
Vu les choix de notation, autour de chaque appareil, on a les bilans suivants :
N7 + N1 = N2 N3 = N2 - ξ N3 = N4 + N5 N5 = N6 + N7
H7 + H1 = H2 H3 = H2 - 3 ξ H3 = H4 + H5 H5 = H6 + H7
A7 + A1 = A2 A3 = A2 + 2 ξ A3 = A4 + A5 A5 = A6 + A7
R7 + R1 = R2 R3 = R2 R3 = R4 + R5 R5 = R6 + R7
M7 + M1 = M2 M3 = M2 M3 = M4 + M5 M5 = M6 + M7
Calcul des degrés de liberté (ou spécifications) :
5 substances * 4 appareils = 20 équations
5 substances * 7 flux = 35 inconnues
Il faut donc 35 - 20 = 15 spécifications
Le flux d'entrée apporte 4 spécifications (3 pourcentages et pas d'ammoniac).
- 44 -

Chimie Industrielle Introduction
Le réacteur apporte 1 équation de conversion (la conversion est une inconnue en
plus mais elle est donnée), soit 1 spécification, cependant l'avancement de réaction ξ
reste à déterminer, d'où pas vraiment de spécification.
Dans la boucle de synthèse, après le séparateur, on a 4 pourcentages (vu le fait du
purgeur, ces pourcentages restent les mêmes en 5, 6 et 7 mais cela ne fait tout de
même que 4) et un débit d’ammoniac mesuré, soit 5 spécifications.
Le séparateur fixe la fraction de débit entre 3 et 5, soit 1 spécification.
Le diviseur apporte 4 spécifications (5 équations supplémentaires mais faisant
apparaître un taux de purge inconnu).
Le flux de sortie donne une production, soit 1 spécification.
Au total, 4 + 1 - 1 + 5 + 1 + 5 - 1 + 1 = 15
Par conséquent, il ne faut pas plus de données que celles fournies pour résoudre ce
problème.
En tenant compte de certaines données (notamment la purge), on obtient
rapidement le tableau et les bilans suivants (en gras, ce qui est donné ou imposé, en
italique, ce qui est calculé ou déduit rapidement) :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 24.8% ? ? ? 20% 20% 20%
H 71% ? ? ? 65.3% 65.3% 65.3%
A 0 ? ? donné 5.9% 5.9% 5.9%
R 2.1% ? ? ? 4.8% 4.8% 4.8%
M 2.1% ? ? ? 4% 4% 4%
Z ? ? ? ? ? ? ?
n7 Z7 + n 1 Z1 = N2 N3 = N2 - ξ N3 = N4 + n5 Z5 N5 = N6 + N7
h7 Z7 + h1 Z1 = H2 H3 = H2 - 3 ξ H3 = H4 + h5 Z5 H5 = H6 + H7
a7 Z7 = A2 A3 = A2 + 2 ξ A3 = A4 + a5 Z5 A5 = A6 + A7
r7 Z7 + r1 Z1 = R2 R3 = R2 R3 = R4 + r5 Z5 R5 = R6 + R7
m7 Z7 + m1 Z1 = M2 M3 = M2 M3 = M4 + m5 Z5 M5 = M6 + M7
avec les bilans totaux (non indépendants mais parfois utiles) :
Z7 + Z1 = Z2 Z3 = Z2 - 2 ξ Z3 = Z4 +Z5 Z5 = Z6 + Z7
Avec les équations supplémentaires :
A4 = 500 T j -1 = 29411.8 kmol j -1 = 5.787 kg s -1 fract. vap. = 0.91 = Z5
Z3
t = Z6
Z5 d'où N7 = (1 - t) N5 etc. pour H, A, R et M
ξ = f ξmax ξmax = N2 ou 1/3 H2 f = 0.1686
- 45 -

Chimie Industrielle Introduction
Le réactif limitant n’est pas clairement déterminé, en effet, à l’alimentation, N est en
excès alors qu’au recyclage H est en excès. Comme le rendement du réacteur est
assez faible on peut concevoir que le recyclage est plus important que l’alimentation.
Par conséquent N doit être le limitant mais par prudence, on peut établir la condition
déterminante (basée sur l'entrée du réacteur) entre le débit d’alimentation Z1 et le
débit de recyclage Z7, soit :
N2 ≤ 1/3 H2
ou N1 + N7 ≤ 1/3 (H1 + H7)
ou n 1 Z1 + n7 Z7 ≤ 1/3 (h1 Z1 + h7 Z7)
soit la condition (n 1 - 1/3 h 1 ) Z 1 ≤ (1/3 h 7 - n 7 ) Z 7
avec les valeurs du tableau, Z 1 ≤ 1.5588 Z 7 , très facilement réalisé vu le
rendement faible du réacteur, N est bien le limitant.
Le débit horaire d’ammoniac est mesuré dans la boucle de synthèse, après le
séparateur selon l'énoncé, mais on ne précise pas clairement si c’est juste après le
séparateur (A 5 ) ou un petit peu plus loin (A 7 ). On se rappelle que les compositions
sont les mêmes dans cette boucle de retour (5, 6 et 7), du fait de la nature de
l’appareil de purge. Deux possibilités de résolution peuvent donc être envisagées.
1) Soit A 7 = 18075.2 Nm 3 h -1 ou 19354.2 kmol j -1 et résolution par recherche d’un
système simple avec le moins d’équations et d’inconnues possibles.
De A 7 , on déduit le débit total 7 et tous les autres (les % sont connus), ainsi que A 2
(= A 7 ). On a alors le système d’équations suivant :
n7 Z7 + n 1 Z1 = N2 N3 = N2 - f N 2 N3 = N4 + n5 Z5 N5 = N6 + N7
h7 Z7 + h1 Z1 = H2 H3 = H2 - 3 f N 2 H3 = H4 + h5 Z5 H5 = H6 + H7
A7 = A2 A3 = A2 + 2 f N 2 A3 = A4 + a5 Z5 a5 Z5 = a6 Z6 + A7
r7 Z7 + r1 Z1 = R2 R3 = R2 R3 = R4 + r5 Z5 R5 = R6 + R7
m7 Z7 + m1 Z1 = M2 M3 = M2 M3 = M4 + m5 Z5 M5 = M6 + M7
Z7 + Z1 = Z2 Z3 = Z2 - 2 f N 2 Z3 = Z4 +Z5 Z5 = Z6 + Z7
Z 5 = 0.91 Z 3
Les deuxième et troisième équations de A sont fonctions de Z 1 par N 2 et de Z 5 par
A 3 . Il faut trouver une autre équation liant ces deux débits pour résoudre le problème.
Les équations de bilans totaux (en Z) l’apporte pour les mêmes raisons, on a :
A4 + a5 Z5 = A2 + 2 f (n7 Z7 + n 1 Z1)
1
0.91 Z5 = Z7 + Z1 - 2 f (n7 Z7 + n 1 Z1)
c'est-à-dire (mathématiquement parlant) :
a5 Z5 - 2 f n 1 Z1 = A2 - A4 + 2 f n7 Z7
- 46 -

1
0.91 Z5 + (2 f n 1 - 1) Z 1 = Z7 - 2 f n7 Z7
Avec les valeurs numériques, on trouve (en kmol j -1 ) :
Chimie Industrielle Introduction
Z 5 = (A2 - A4 + 2 f n7 Z7) (2 f n 1 - 1) + (Z7 - 2 f n7 Z7) 2 f n 1
a5 (2 f n 1 - 1) + 2 f n 1 1
0.91
Z 1 =
(Z7 - 2 f n7 Z7) a5 - (A2 - A4 + 2 f n7 Z7) 1
0.91
a5 (2 f n1 - 1) + 2 f n1 1 = 126629.9
0.91
- 47 -
= 383978.7
Z 3 lié à Z 5 et les débits partiels en 1 et 5 sont rapidement déduits par les % et ainsi
le tableau de valeurs devient :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 31404.2 ? ? ? 76795.7 20% 65607.4
H 89907.2 ? ? ? 250738 65.3% 214208
A 0 19345.2 ? 29411.8 22654.7 5.9% 19345.2
R 2659.2 ? ? ? 18431.0 4.8% 15745.8
M 2659.2 ? ? ? 15359.1 4% 13121.5
Z 126630 ? 421955 ? 383979 ? 328037
Avec les autres équations de bilans, toutes les valeurs de N, H, A, R et M tombent
rapidement (surtout vu l’alimentation Z 1 ), en effet de 1 et 7, on tire 2 puis 3, et vu 5,
on a 4 puis 6. Les résultats complets sont mis en évidence dans le tableau suivant :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 31404.2 97011.2 80655.5 3859.7 76795.7 11188.3 65607.4
H 89907.2 304115 255047 4308.8 250738 36529.9 214208
A 0 19345.2 52066.5 29411.8 22654.7 3300.6 19345.2
R 2659.2 18405 18405 -25.97 18431.0 2685.2 15745.8
M 2659.2 15780.7 15780.7 421.6 15359.1 2237.7 13121.5
Z 126630 454667 421955 37975.9 383979 55941.6 328037
Le taux de purge = débit total 6 sur débit total 5 = 14.57%
Le taux de purge ne change pas si il avait été fait référence à une même substance
vu que la composition n'est pas changée.
η réacteur = 16.86% (fatal) < η procédé =
% massique de l’ammoniac en 4 = 80.33%
Recyclage 7 = 328037 kmol j -1 = 3434.22 tonnes j -1
0.5 (29411.8 - 0)
31404.2 = 46.83%

Chimie Industrielle Introduction
On a cependant finement remarqué que le débit de R en 4 est négatif. Cela est
probablement dû à une erreur dans les données (qui sont généralement des
mesures). Par calcul, on montre qu’une valeur légèrement supérieure à 4.81, permet
d’obtenir un débit positif pour le R en 4. Ci-après les valeurs obtenues si r 5 = 4.82%
(certaines valeurs, en gras, restent inchangées) :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 30713.3 96543.9 80266.6 3746.1 76520.7 10689.9 65830.6
H 87929.3 302866 254034 4194.8 249839 34902.6 214937
A 0 19345.2 51908.8 29411.8 22497.0 3142.8 19345.2
R 2600.7 18465.9 18465.9 24.45 18441.4 2576.3 15865.2
M 2600.7 15766.8 15766.8 462.7 15304.1 2138.3 13166.1
Z 123844 452997 420442 37839.8 382603 53449.6 329153
Le taux de purge = débit 6 sur débit 5 = 13.97%
η réacteur = 16.86% (fatal) < η procédé =
% massique de l’ammoniac en 4 = 80.43%
Recyclage 7 = 329153 kmol j -1 = 3447.42 tonnes j -1
- 48 -
0.5 (29411.8 - 0)
30713.3 = 47.88%
2) Soit A 5 = 18075.2 Nm 3 h -1 ou 19354.2 kmol j -1 et résolution par recherche d’un
système simple avec le moins d’équations et d’inconnues possibles.
De A 5 , on déduit le débit total 5 et tous les autres (les % sont connus). De Z 5 , on tire
Z 3 ainsi que Z 4 . On connaît aussi A 4 , ce qui permet de trouver A 3 . On a alors le
système suivant :
n7 Z7 + n 1 Z1 = N2 N3 = N2 - f N 2 N3 = N4 + n5 Z5 N5 = N6 + n7 N7
h7 Z7 + h1 Z1 = H2 H3 = H2 - 3 f N 2 H3 = H4 + h5 Z5 H5 = H6 + h7 H 7
a 7 Z 7 = A2 A3 = A2 + 2 f N 2 A3 = A4 + A5 a5 Z5 = a6 Z6 + a 7 Z 7
r7 Z7 + r1 Z1 = R2 R3 = R2 R3 = R4 + r5 Z5 R5 = R6 + r7 R 7
m7 Z7 + m1 Z1 = M2 M3 = M2
M3 = M4 + m5 Z5 M5 = M6 + m7 M 7
Z7 + Z1 = Z2 Z3 = Z2 - 2 f N 2 Z3 = Z4 +Z5 Z5 = Z6 + Z7
Z 5 = 0.91 Z 3
Les deux premières équations de A sont fonctions de Z 1 et Z 7 par N 2 et de Z 7 par
A 2 . Il faut trouver une autre équation liant ces deux débits pour résoudre le problème.
Les équations de bilans totaux (Z) l’apporte pour des raisons similaires et on a :
A3 = a 7 Z 7 + 2 f (n7 Z7 + n 1 Z1)
Z3 = Z7 + Z1 - 2 f (n7 Z7 + n 1 Z1)

c'est-à-dire (mathématiquement parlant) :
(a 7 + 2 f n7) Z7 + 2 f n 1 Z1 = A3
(1 - 2 f n7) Z7 + (1 - 2 f n 1 ) Z 1 = Z3
Avec les valeurs numériques, on trouve (en kmol j -1 ) :
Z 7 =
Z 1 =
Chimie Industrielle Introduction
Z3 2 f n1 - A3 (1 - 2 f n1 ) +
2 f n1 (1 - 2 f n7 ) - (1 - 2 f n1 ) (a7 + 2 f n7) = 383904
A3 (1 - 2 f n7) - Z3 (a7 + 2 f n7)
2 f n1 (1 - 2 f n7 ) - (1 - 2 f n1 ) (a7 + 2 f n7) = 2691.5 (fort faible !)
Les débits partiels en 1 et 7 sont rapidement déduits par les % et ainsi :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 667.5 ? ? ? 65607.4 20% 76780.9
H 1911 ? ? ? 214208 65.3% 250690
A 0 ? 48766 29411.8 19354.2 5.9% 22650.4
R 56.5 ? ? ? 15745.8 4.8% 18427.4
M 56.5 ? ? ? 13121.5 4% 15356.2
Z 2691.5 ? 360480 32443 328037 ? 383904
Avec les autres équations de bilans, toutes les valeurs de N, H, A, R et M tombent
rapidement (vu l’alimentation Z 1 et le recyclage Z 7 ), en effet de 1 et 7, on tire 2 puis
3, et vu 7 et 5, on a 6. Les résultats sont mis en évidence dans le tableau suivant :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 667.5 77448 64390.3 < 0 65607.4 < 0 76780.9
H 1911 252599 213426 < 0 214208 < 0 250690
A 0 22650.4 48766 29411.8 19354.2 < 0 22650.4
R 56.5 18483.9 18483.9 2738.1 15745.8 < 0 18427.4
M 56.5 15412.7 15412.7 2291.2 13121.5 < 0 15356.2
Z 2691.5 386594 360480 32443 328037 -55867 383905
Voir que certains débits sont négatifs, ne relève plus de la finesse car la situation est
plus grave et beaucoup de débits, ainsi que le taux de purge, sont négatifs (tous les
6 et deux de 4). Le choix de la valeur du débit de A mesuré pour A 5 ne s’adapte pas
vraiment aux données. Par recherche pertinente, on peut s’apercevoir que c’est le
pourcentage n 7 qui influence le plus la valeur de Z 1 (voir le système des deux
équations à deux inconnues précédent) et si n 7 dépasse légèrement 20.37, sans
toutefois dépasser 20.65, alors tous les débits seront respectés. Pour une valeur de
20.4 pour n 7 , on a les résultats suivants (certaines valeurs, en gras, restent
inchangées) :
- 49 -

Chimie Industrielle Introduction
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 17136.2 87978.4 73145.3 1358.8 71786.4 944.18 70842.3
H 49059.2 275824 232911 3124.4 229787 3022.3 226765
A 0 19099.6 48766 29411.8 19354.2 254.56 19099.6
R 1451 18119.8 18119.8 1228.9 16890.9 222.16 16668.8
M 1451 15412.7 15412.7 1265.9 14075.8 185.13 13890.6
Z 69097.4 416363 386697 34803 351894 4628.4 347266
Le taux de purge = débit 6 sur débit 5 = 1.32% (fort faible)
η réacteur = 16.86% (fatal) < η procédé =
% massique de l’ammoniac en 4 = 82.16%
Recyclage 7 = 347266 kmol j -1 = 3650.81 tonnes j -1
- 50 -
0.5 (29411.8 - 0)
17136.2 = 85.82%
3) Dans le cas où A 7 = 18075.2 Nm 3 h -1 ou 19354.2 kmol j -1 , plutôt que de chercher
à réduire le système, ce qui demande de l’observation, de la patience et peut-être
une certaine dose de chance, on peut procéder par approximations successives
basées sur des calculs les plus simples possible.
Si on s’impose le débit total Z 1 , ce qui n’est pas permis puisqu’il n’y a plus de degré
de liberté, le calcul va s’enchaîner rapidement. En effet, la connaissance de Z 1 et de
Z 7 , qui a été déduit de A 7 , ainsi que des données %, permet de calculer les débits en
2 puis en 3, puis en 4. Cependant, en 4, le débit de A (ammoniac) est imposé à 500
tonnes j -1 ou 29411.8 kmol j -1 , et il serait étonnant, voire très chanceux, que la valeur
choisie et quelconque pour Z 1 , aboutisse à une valeur A 4 calculée et égale à celle
qui a été imposée par le problème. Cette contradiction est normale puisqu’en
imposant le débit total 1, on consomme un degré de liberté (ou une spécification)
qu’il faut bien relibérer quelque part. La confrontation entre la valeur calculée A 4 par
le choix de Z 1 et la valeur imposée pour A 4 , permet de corriger le choix de Z 1 jusqu’à
ce qu’il y ait concordance. Deux calculs suffiront si le système d’équations est
linéaire car on peut alors extrapoler linéairement la prochaine valeur (la troisième).
En partant donc de la situation générale retracée par le tableau suivant :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 24.8% ? ? ? 20% 20% 65607.4
H 71% ? ? ? 65.3% 65.3% 214208
A 0 19345.2 ? 29411.8 5.9% 5.9% 19345.2
R 2.1% ? ? ? 4.8% 4.8% 15745.8
M 2.1% ? ? ? 4% 4% 13121.5
Z ? ? ? ? ? ? 328037

Chimie Industrielle Introduction
En choisissant Z 1 = 100000 kmol j -1 , et en ne faisant que les calculs de valeurs
strictement utiles, à savoir N 1 = n1 Z1, N 2 = N7 + N1, A 3 = A 2 + 2 f N 2 , Z 2 = Z7 + Z1,
Z 3 = Z 2 - 2 f N 2 , Z 5 = 0.91 Z 3 , A 5 = a 5 Z 5 , pour avoir enfin A 4 = A 3 - A 5 , on obtient :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 24800 90407.4 ? ? 20% 20% 65607.4
H 71% ? ? ? 65.3% 65.3% 214208
A 0 19345.2 49839.6 28495.0 21344.6 5.9% 19345.2
R 2.1% ? ? ? 4.8% 4.8% 15745.8
M 2.1% ? ? ? 4% 4% 13121.5
Z 100000 428037 397552 ? 361772 ? 328037
En choisissant Z 1 = 110000 kmol j -1 , on obtient de nouveau :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 27280 92887.4 ? ? 20% 20% 65607.4
H 71% ? ? ? 65.3% 65.3% 214208
A 0 19345.2 50675.8 28839.3 21836.6 5.9% 19345.2
R 2.1% ? ? ? 4.8% 4.8% 15745.8
M 2.1% ? ? ? 4% 4% 13121.5
Z 110000 438037 406715 ? 370111 ? 328037
Par conséquent, vu la linéarité des équations, on peut déduire :
Z 1 = 100000 +
110000 - 100000
28839.3 - 28495 (A4 - 28495)
Soit si A 4 = 29411.8, Z 1 = 126628, la même valeur que pour la première résolution
aux erreurs numériques près bien sûr. Les autres valeurs sont alors calculées
rapidement pour obtenir un tableau déjà présenté au cas 1.
Il était nécessaire de faire deux calculs pour deux valeurs du débit total 1 car si Z 1
est nul, on ne trouve pas A 4 nul (mathématiquement, on dirait que la droite ne passe
pas par l'origine).
4) Dans le cas où A 5 = 18075.2 Nm 3 h -1 ou 19354.2 kmol j -1 , plutôt que de chercher
à réduire le système, ce qui demande de la patience, de l’observation, etc., il est
également possible de procéder par approximations successives basées sur des
calculs les moins compliqués possible.
Si l'on s’impose de nouveau le débit Z 1 , en relâchant la contrainte du tonnage
d’ammoniac (A 4 = 500 tonnes j -1 ou 29411.8 kmol j -1 ), on essaie de calculer le plus
économiquement possible le débit A 4 . Cela s’avère cependant plus désagréable car
on ne connaît pas Z 7 , et le moyen rapide de le trouver ne saute pas aux yeux. Si le
- 51 -

Chimie Industrielle Introduction
découragement ne guette pas trop et que l'esprit d'observation reprend le dessus, on
est en quelque sorte sauvé par le bilan global :
Z 4 + Z 6 = Z 1 - 2 f N 2
Z 4 + Z 5 - Z 7 = Z 1 - 2 f (N 1 + n 7 Z 7 )
Z 7 = (Z 4 + Z 5 - Z 1 - 2 f N 1 ) (1 - 2 f n 7 ) -1
Et en partant de la situation générale retracée par le tableau suivant :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 24.8% ? ? ? 65607.4 20% 20%
H 71% ? ? ? 214208 65.3% 65.3%
A 0 ? 48766 29411.8 19345.2 5.9% 5.9%
R 2.1% ? ? ? 15745.8 4.8% 4.8%
M 2.1% ? ? ? 13121.5 4% 4%
Z ? ? 360480 32443 328037 ? ?
En choisissant Z 1 = 100000 kmol j -1 , et en ne faisant que les calculs de valeurs
strictement utiles, à savoir N 1 = n1 Z1, Z 7 = ( Z 4 + Z 5 - Z 1 - 2 f N 1 ) (1 - 2 f n 7 ) -1 , A 7 =
a 7 Z 7 = A 2 , nécessairement A 3 = A 2 + 2 f N 2 , pour calculer A 4 = A 3 - A 5 , on obtient :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 24800 ? ? ? 65607.4 20% 20%
H 71% ? ? ? 214208 65.3% 65.3%
A 0 17008.8 44813.3 25459.1 19345.2 5.9% 17008.8
R 2.1% ? ? ? 15745.8 4.8% 4.8%
M 2.1% ? ? ? 13121.5 4% 4%
Z 100000 ? 360480 32443 328037 ? 288285
En choisissant Z 1 = 110000 kmol j -1 , on obtient de nouveau :
kmol j -1 1 2 3 4 5 6 7
N 27280 ? ? ? 65607.4 20% 20%
H 71% ? ? ? 214208 65.3% 65.3%
A 0 16429 44407.1 25052.9 19345.2 5.9% 16429
R 2.1% ? ? ? 15745.8 4.8% 4.8%
M 2.1% ? ? ? 13121.5 4% 4%
Z 110000 ? 360480 32443 328037 ? 278458
Par conséquent, vu la linéarité des équations, on peut déduire :
Z 1 = 100000 +
110000 - 100000
25052.9 - 25459.1 (A4 - 25459.1)
Soit si A 4 = 29411.8, Z 1 = 2691, c'est-à-dire la même faible et horribilisante valeur
que pour la première résolution aux erreurs numériques près bien sûr. Le reste en
- 52 -

Chimie Industrielle Introduction
découle rapidement et le tableau du cas 2 est ainsi obtenu. Auquel se joignent les
mêmes remarques.
Pour en terminer et pour chaque situation de résolution étudiée (même celles avec
débits négatifs), il est vérifié que les bilans massiques totaux se vérifient.
Par exemple, pour le premier cas (A 7 = 18075.2 Nm 3 h -1 ou 19354.2 kmol j -1 ), le
bilan massique total (1 = 6 + 4) s'écrit :
28 * 31404.2 + 2 * 89907.2 + 17 * 0 + 40 * 2659.2 + 16 * 2659.2
= 1208.05 tonnes j -1
28 * (3859.9 + 11188.3) + 2 * (4308.8 + 36529.9) + 17 * (29411.8 + 3300.6) + 40 * (-
25.97 + 2685.2) + 16 * (421.6 + 2237.7)
= 1208.05 tonnes j -1
ou dans la situation correspondante mais corrigée (r 5 = 4.82%)
28 * 30713.3 + 2 * 87929.3 + 17 * 0 + 40 * 2600.7 + 16 * 2600.7
= 1181.47 tonnes j -1
28 * (3746.1 + 10689.9) + 2 * (4194.8 + 34902.6) + 17 * (29411.8 + 3142.8) + 40 *
(24.45 + 2576.3) + 16 * (462.7 + 2138.3)
= 1181.48 tonnes j -1
Si les calculs mathématiques sont correctement menés à l'aide d'un tableur par
exemple), il n'y aura même pas une petite différence numérique ou à peine.
En conclusion, c’est dingue tout ce qu’on peut faire avec un "bête exercice" et avec
quelques caractères alphanumériques bien sûr, et ceci pour illustrer un problème
très sérieux, qui est celui de la prise et de la précision des mesures obtenues.
- 53 -

4. Quelques grands noms de l'industrie genre chimique
Chimie Industrielle Introduction
Les entreprises chimiques sont généralement, et de plus en plus, des sociétés
géantes impliquant des capitaux gigantesques dépassant les centaines de milliards
d’euros (pour ne pas oser dire plus mais les investissements sont énormes) et dont
les bénéfices (ou cash flow) sont de l’ordre des dizaines de milliards d’euros.
Ce sont généralement des multinationales qui font toutes les sortes de produits
chimiques différents, allant des constituants de base aux produits chimiques finis
plus complexes. L’idée est de faire de l’intégration horizontale en vue d’une
économie d’échelle et de moyens, mais aussi de permettre une meilleure résistance
aux fluctuations monétaires et aux coûts énergétiques. Cependant, il faut reconnaître
que les liaisons entre leurs différents organes ne sont pas toujours faciles à
comprendre.
Ci-dessous, une modeste liste loin d'être complète bien entendu et toujours remise
en question par des fusions ou des absorptions. Eventuellement à compléter par
l'usine de père ou celle du voisin ou encore celle d'une connaissance, etc.
Du Pont de Nemours U.S.A.
Union Carbide U.S.A.
Eastman Kodak U.S.A.
Dow Chemical U.S.A.
Standard Oil U.S.A.
Monsanto U.S.A.
Exxon U.S.A.
Merck U.S.A.
Air Products U.S.A.
ALCAN Canada
Nova Chemicals Canada
I.C.I. [23] Grande Bretagne
B.P. [24] Grande Bretagne
Shell Grande Bretagne - Pays-Bas
Akzo Nobel Pays-Bas
Mitsubishi Chemicals Japon
B.A.S.F. [25] Allemagne
Bayer Allemagne
Hoechst Allemagne
Wacker Allemagne
Linde Allemagne
Montecatini Italie
Agip Italie
[23]
I.C.I. = Imperial Chemical Industry
[24]
B.P. = British Petroleum
[25]
B.A.S.F. = Badische Anilin & Soda Fabrik
- 54 -

Ferruzzi Italie
CIBA-Geigy Suisse
Sandoz Suisse
Rhône Poulenc France
Elf aquitaine France
Air Liquide France
Péchiney (ALCAN) France
Total Belgique-France
Solvay - Rhodia Belgique
Prayon Rupel Belgique
Métallurgie Hoboken Overpelt Belgique
ARCELOR-MITTAL Groupe mondial
Chimie Industrielle Introduction
La liste n’est pas, ne se veut pas ou encore n’oserait pas être un classement.
Précisons que fin des années 80 et encore dans les années 90, Hoechst, Bayer et
BASF formaient le podium olympique des groupes chimiques mondiaux avec un
chiffre d'affaires qui dépasse les 20 milliards de dollars (environ bien sûr). La société
Dupont Nemours conteste régulièrement ce podium par une autre approche
pécuniaire.
En ce qui concerne la Belgique, les entreprises de base ont la vie dure car ce sont
de très grosses unités qui prennent beaucoup de place et qui visent une rentabilité
maximale où les prix des matières premières, de l’énergie et de la main d’œuvre
devraient être les plus bas possible …
- 55 -

5. Questions relatives au chapitre
Chimie Industrielle Introduction
Après une lecture aussi passionnante qu'intéressée, proposez une définition
personnelle de l'industrie chimique.
Quel est le schéma mégagénéralisé de l'industrie chimique ?
Complétez le tableau du paragraphe concernant la liste des industries, en
recherchant dans la littérature, les produits principaux qui sont fabriqués par les
entreprises énumérées.
Recherchez des exemples de la vie courante de la chimie industrieuse qui illustrent
les opérations suivantes : transfert de chaleur, évaporation, déshumidification,
séchage, extraction solide-liquide, filtration ?
Quelles sont les principales industries de base, les matières premières qu'elles
utilisent et les produits auxquels elles conduisent ?
Qu'est-ce qu'un produit, une matière première ?
Définissez le schéma général ou rhéogramme ou "flow sheet".
Quelles sont les variables importantes du procédé ?
Quels sont les types d'équations qui permettraient de réaliser le contrôle d’un
procédé industriel ?
Qu’entend-t-on par équation de liaison ?
Expliquez et comparez la simulation et la conception.
Expliquez et comparez la simulation et la validation.
Quelles sont les principales énergies qui interviennent dans un procédé de chimie
industrielle ?
Que va apporter la résolution des différentes sortes de bilans ?
Les bilans matières sont-ils indépendants des bilans de chaleur et réciproquement ?
D'une manière générale, qu'en est-il des différents bilans entre eux ?
Dessinez un schéma général (flow sheet) simplifié à partir de la description
suivante :
De l'oxygène pur est fabriqué en liquéfiant de l'air, puis en le distillant pour récupérer
l'oxygène et l'azote. L'air entrant est mis en contact avec de l'hydroxyde de
potassium dans une tour d'absorption pour enlever le dioxyde de carbone. L'air
épuré est alors envoyé dans une série de 4 compresseurs pour augmenter sa
- 56 -

Chimie Industrielle Introduction
pression à 200 bars (la température sera portée à 30 C). Après chaque
compresseur, l'air est refroidi par un échangeur à eau froide pour diminuer la
température de l'air qui a été comprimé. Cet air est ensuite refroidi dans un
échangeur à ammoniac, pour être porté à une température de –30 C. De nouveau, la
température de l'air est portée à –180 C par passage dans des échangeurs qui
utilisent l'azote et l'oxygène produits comme réfrigérants. L'air ainsi refroidi entre
alors dans la colonne de distillation après passage dans une vanne de détente. L'air
est distillé pour donner un distillat de 98 % d'azote et un résidu de 99 % d'oxygène.
Réalisez l’analyse des spécifications du procédé précédent pour déterminer les
degrés de liberté afin de faire les bilans de matières de l'installation sachant que
celle-ci doit traiter 100000 Nm 3 h -1 d'air.
Commentez un schéma général au point de vue bilan matériel, au point de vue bilan
de chaleur (= énergie).
A quoi se résume généralement le bilan d'énergie dans un procédé chimique ?
Réaliser l'interview d'un ingénieur travaillant dans l'industrie :
a) Quelle est sa position dans l'entreprise ?
b) Quel est son domaine de responsabilité et d'autorité ?
c) Quelles sont ses tâches journalières ?
d) A qui doit-il faire rapport et comment ?
e) Quelle a été (sera) sa carrière ?
Soit un procédé fonctionnant en régime stationnaire et représenté par le schéma
général suivant :
Ce procédé est pratiquement semblable à celui présenté au paragraphe 3.7.2, sauf
le dernier appareil qui est un simple diviseur (ou purgeur). Cela signifie que la
séparation sera réalisée selon un autre mode que celui du séparateur S1.
Les hypothèses de travail sont les mêmes que précédemment au point de vue
pression et température.
Le réacteur réalise toujours une réaction unique mais selon l'équation :
A + 1
B → C
2
Si on suppose que le nombre de moles converties est un certain pourcentage P de la
substance A qui entre dans le réacteur, on aura la définition suivante :
nombre de moles transformées = P
100 (ce qui entre en substance A)
On donne aussi les informations suivantes :
- 57 -

Chimie Industrielle Introduction
A0 = B0 = 1 kmole s -1 , C0 = 0.1 kmole s -1 (indice 0 pour l'alimentation), P = 50%.
Il n’est pas impossible que le débit de recyclage soit mesuré à 3 kmole s -1 .
Déterminez les débits de chaque substance de chaque flux.
Vérifiez qu'il n'y a pas accumulation.
La production de formol (HCHO) par oxydation gazeuse du méthanol (CH3OH) selon
le procédé MONTECATINI, est représenté schématiquement par le schéma général
suivant :
CH 3 OH
Mélangeur Réacteur
Echangeur
- 58 -
Air
Production
Gaz
Eau
Séparateur
Dans le réacteur, la formation du formol est réalisée sur des oxydes métalliques, ce
qui permet de limiter les réactions secondaires et ainsi d'obtenir un schéma
réactionnel simplifié, à savoir :
CH3OH + 1
2 O2 ⇔ CH2O + H2O réaction principale
CH2O + 1
2 O2 ⇔ CO + H2O réaction secondaire
D'ailleurs la conversion et la sélectivité en méthanol, affichent toutes deux
l'excellente valeur de 96%.
Au mélangeur, on mélange du méthanol presque pur (1% de diméthyléther) à de l'air
afin d'obtenir une teneur volumique maximum de 6.3% en méthanol à l'entrée du
réacteur et ce, pour des raisons de limites d'explosibilité.
Après diverses étapes de conditionnement en température, le mélange réactionnel
entre dans un séparateur où est également introduite de l'eau pure pour faciliter la
séparation. Les gaz qui sortent en tête ne contiennent ni méthanol, ni formol et
seulement une teneur volumique de 3.5% d'eau. Le flux de production contient 40%
en poids de formol mais aucun gaz dissous.
On demande de calculer les différents débits du procédé pour réaliser un tonnage
journalier en formol de 250 tonnes.
Vérifiez également le bilan massique global de l'installation afin de constater qu'il n'y
a pas d'accumulation de matière.
Peut-on envisager un recyclage du gaz sortant du séparateur ?
Quels sont les rôles des échangeurs ?
Comment peut-on améliorer le pourcentage de formol dans le flux de production ?
Peut-on obtenir une solution de formol titrant plus de 80% en poids ?

Chimie Industrielle Introduction
Une unité de production de formol par oxydation du méthanol par le procédé à
l’argent est représentée par le schéma général suivant :
Le réacteur est constitué d’un lit catalytique mince de granules d’argent où se
déroulent les réactions suivantes :
CH3OH + 1
2 O2 ⇔ CH2O + H2O réaction principale 1
CH3OH ⇔ CH2O + H2 réaction principale 2
CH2O + 1
2 O2 ⇔ CO + H2O réaction secondaire
CO + 1
2 O2 ⇔ CO2
réaction secondaire
A l’entrée du réacteur, les rapports molaires de méthanol et d’oxygène, ainsi que de
méthanol et d’eau sont ajustés respectivement à 1 pour 0.4614 et 1 pour 1.92.
Après le réacteur, les gaz entrent dans une série de séparateurs d’absorption de
sorte que les gaz résiduels sont saturés en eau (4.24% en volume), mais ne
contiennent ni méthanol, ni formol, alors que le flux de production ne contient plus
aucun gaz. Les gaz sortant de la série d’absorbeurs ont une composition volumique
sur gaz secs de 4.54% CO2 , 0.3% CO, 13.5 H2 , 0.6 O2 et 81.06 N2 , alors que la
solution du flux de production titre 30% en poids de formol.
A l’alimentation, on utilise du méthanol pur et de l’air classique (rapport 3.7279).
Toute l’eau qui est utilisée dans les flux, est également pure.
On demande d’évaluer les différents débits du procédé pour réaliser un tonnage
annuel en formol de 25000 tonnes.
Comme le procédé est considéré stationnaire, vérifiez par le bilan massique global
de l'installation qu'il n'y a pas d'accumulation de matière.
Peut-on envisager un recyclage du gaz sortant du séparateur ?
Par des choix judicieux de conditions de fonctionnement, et à des fins de
dimensionnement, on demande également de déterminer les débits circulant entre
les deux absorbeurs.
- 59 -

Chimie Industrielle Introduction
Soit un petit procédé fonctionnant en régime stationnaire et représenté par le
schéma général suivant :
Alimentation
Mélangeur
Réacteur
- 60 -
Diviseur
Purge
Séparateur
Production
Le procédé peut être considéré quasi isotherme et isobare. La température est T et
la pression P, pour le seul flux d'entrée du procédé. Ce flux d'alimentation contient
quatre substances A, B, C et E dont les débits de l'alimentation sont respectivement
pour A et B de 1 kmole s-1 , pour C de 0.01 kmole s-1 et E de 0.5 kmole s-1 . La
substance D n'est pas présente dans l'alimentation.
Le mélangeur est un simple mélangeur et le réacteur réalise la réaction à
température constante 2 A + 3 B → C + D avec une conversion de 50%.
Le premier appareil de séparation est un purgeur et soit t en %, le taux de purge
réalisé (ici t = 10%), on a :
t
Zout = 100 Zin
où Zin représente le débit total du flux entrant dans le purgeur,
Zout est le débit total du flux soutiré.
Le séparateur est un appareil qui devrait séparer le flux d'entrée selon la loi pour
chaque substance :
X out
i = SEPi X in
i
où X in
i est le débit molaire de la substance i entrant dans le séparateur,
X out
i est le débit molaire de la substance i sortant en haut du séparateur,
SEPi = 1
2 i avec i = 1 pour D et E, 2 pour C, 3 pour B et 4 pour A.
Calculez les sorties du procédé et vérifiez qu'il n'y a pas accumulation.
Quel est le rôle de la purge dans ce procédé ?
L'endroit de la purge est-il bien choisi ?
Peut-on envisager une augmentation de production en augmentant un des réactifs ?

Chimie Industrielle Introduction
La fabrication d'acide phosphorique (H3PO4) par voie sèche se déroule selon le
schéma général présenté ci-après :
A l'aide des différentes informations fournies sur le schéma général, vérifiez qu'il y a
suffisamment de données pour calculer les différents débits du procédé afin de
produire 750 tonnes d'acide par jour.
On précise encore (à toute fin utile) que :
- les entrées des mélangeurs sont généralement des constituants qui peuvent être
considérés comme purs,
- le rendement (ou la conversion) de la réaction du four est de 95%, par contre, on
peut considérer que les autres réactions (oxydation et absorption) sont complètes,
- pour réaliser l'oxydation, on doit prendre un excès d'air de 10% en volume,
- dans le flux de production, la composition de l'acide est en % pondéral de H3PO4.
Peut-on envisager de faire des recyclages dans ce procédé ? Expliquez.
Faites également le bilan massique global de l'installation pour vérifier la cohérence
des calculs effectués.
Peut-on envisager l'utilisation d'air enrichi voire d'oxygène ?
Quelles sont les pertes en oxygène en tête du séparateur d'acide ?
Quel est le tonnage journalier de P2O5 ?
- 61 -

Chimie Industrielle Introduction
La fabrication classique d'acide sulfurique (H2SO4) concentré se déroule selon le
schéma général simplifié présenté ci-après :
S pur
Mélangeur
Air
Réacteur de peroxydation
Eau pure
Mélangeur
Réacteur d'oxydation
S+O 2 !SO 2
SO 2 +0.5O 2 !SO 3
Mélangeur
- 62 -
Air
Réacteur d'absorption
H 2 O+SO 3 "H 2 SO 4
Soufre
Séparateur
du soufre
Séparateur
d'acide
Production
d'acide à 98%
N 2
O 2
SO2 SO3 A l'aide des différentes informations fournies sur le schéma général, vérifiez qu'il y a
suffisamment de données pour calculer les différents débits du procédé. On
demande alors, de toute façon, de faire le nécessaire afin d'évaluer les entrées pour
produire 500 tonnes d'acide par jour.
Les renseignements suivants sont généreusement fournis :
- les entrées des mélangeurs sont généralement des constituants considérés
comme purs ou de composition classique,
- l'air n'est pas enrichi pour aucun des mélangeurs,
- la conversion de la réaction d'oxydation est de 99%, tandis que celle de la réaction
de peroxydation est de 95%,
- pour la réaction d'absorption, on peut considérer que la réaction est quasi
complète (99.9% de rendement),
- pour la première réaction, on règle l'air de telle manière à obtenir 12% de SO2 en
volume à la sortie du réacteur,
- pour la peroxydation, on doit prendre un excès d'air de 185% en volume,
- dans le flux de production, la composition de l'acide est en % pondéral.
Vérifiez le bilan massique global.
Evaluez la pollution par les oxydes de soufre au séparateur d'acide.
Peut-on envisager le recyclage du flux contenant du trioxyde de soufre ?

Chimie Industrielle Introduction
Une unité de production d’acide acétique (CH3COOH) de 80000 tonnes par an par
oxydation de l’acétaldéhyde (CH3CHO) en phase liquide, est représentée par le
schéma général ci-après :
Le réacteur est du type colonne à bulle avec principalement une phase liquide où
barbotte de l’air, de sorte que les réactions suivantes ont lieu :
CH3CHO + 1
2 O2 ⇔ CH3COOH réaction principale
CH3CHO + CH3COOH + O2 → CH3COOCH3 + CO2 + H2O
réaction secondaire
CH3CHO + 1
2 O2 ⇔ 2 CO2 + 2 H2O réaction secondaire
A la sortie de ce réacteur, les compositions molaires sont stabilisées de sorte qu’on a
pu mesurer 80% d’acide acétique, 7% d’acétaldéhyde, 2% d’acétate de méthyle et le
reste en eau dans le flux qui sort du premier séparateur et qui est orienté vers la
colonne. De ce même séparateur sort un flux considéré gazeux, qui est orienté vers
le séparateur 2 pour y être lavé et où on y a détecté entre autres, la présence de
dioxyde de carbone, d’acide acétique, d’acétate de méthyle et d’eau. Il est impératif,
que dans ce flux, la teneur d’oxygène ne dépasse pas 7% en volume. Le rapport
molaire acétate de méthyle - acide acétique à la sortie du réacteur est de 2.8%.
Les gaz qui entrent dans le séparateur 2, sont lavés par de l’eau pure et une solution
d’acide acétique, ainsi les gaz sortant, qui sont évacués à l’atmosphère, ne
contiennent plus d’acétaldéhyde, d’acide et d’acétate mais ils sont saturés en eau
(0.5% volumique). Le flux résultant du lavage ne contient plus de gaz dissous et est
recyclé vers les mélangeurs.
La colonne extrait parfaitement un flux d’acétaldéhyde pur, qui est renvoyé vers le
réacteur d’oxydation, tandis que l’autre flux qui ne contient plus d’acétaldéhyde, titre
20% molaire en eau.
- 63 -

Chimie Industrielle Introduction
Le rendement global de l’installation en acide acétique sortant aux flux de production
par rapport à l’acétaldéhyde entrant est de 93%.
A l’alimentation, l’air a une composition volumique de 79% d’azote et 21%
d’oxygène, alors que l’acétaldéhyde est considéré comme pur, comme l’eau de
procédé utilisée en général.
On demande de résoudre les bilans de matières du procédé afin d’estimer les divers
débits de matière, en vue d’un dimensionnement.
Faites également le bilan massique global de l'installation pour vérifier la cohérence
des calculs effectués.
Evaluez aussi le rendement du réacteur pour le comparer à celui du procédé.
Une unité de production annuelle de 200000 tonnes d'acrylonitrile (CH2=CH-CN),
important intermédiaire pour la fabrication des fibres acryliques, est représentée par
le schéma général ci-après :
C 3 H 6
NH 3
Air
Mélangeur Réacteur
C 2 H 3 N, H 2 O
Colonne
Production
de C 3 H 3 N
Séparateur
HCN
- 64 -
Gaz
Absorbeur
Désorbeur
La réaction de base se déroule dans un réacteur à lit fluidisé au départ d'un mélange
de propylène (C3H6), d'ammoniac (NH3) et d'air. Le pourtant très bon catalyseur ne
peut empêcher quelques réactions secondaires, de sorte que le schéma réactionnel
à considérer est :
C3H6 + NH3 + 3
2 O2 ⇔ CH2=CH-CN + 3 H2O réaction de base
2 C3H6 + 3 NH3 + 3 O2 ⇔ 3 CH3-CN + 6 H2O
C3H6 + 3 NH3 + 3 O2 ⇔ 3 HCN + 6 H2O
C3H6 + 9
2 O2 ⇔ 3 CO2 + 3 H2O
A la sortie du réacteur, une analyse de la composition des gaz donne les résultats
suivants : azote 81.3%, oxygène 2.7%, ammoniac 0.35%, propylène 0.65%, propane
0.9%, acrylonitrile 7.2%, acétonitrile 0.9% acide cyanhydrique 2.4% et dioxyde de
carbone 3.6% (analyse sur gaz secs).

Chimie Industrielle Introduction
Les gaz sortant du réacteur passent dans un absorbeur pour subir un lavage à l'eau
qui recueille tous les nitriles et l'acide cyanhydrique. Les autres substances comme
l'ammoniac, le propylène, le dioxyde de carbone et autres gaz sont ainsi éliminés
totalement. Ces gaz sont cependant saturés d'eau et on estime le % volumique de
cette eau à 3%. Le liquide absorbant (l'eau) qui entre en tête de l'absorbeur à un
débit molaire égal à la moitié des gaz entrant.
La solution qui sort du désorbeur, est donc principalement un mélange de nitriles
dans de l'eau, elle entre dans un premier séparateur pour éliminer totalement l'acide
cyanhydrique (pur en tête de séparateur).
Le dernier appareil réalise la difficile séparation des nitriles et de l'eau pour obtenir
un flux de production qui contient de l'acrylonitrile à 99.5% en poids.
On demande d'effectuer les bilans de matières afin d'estimer les débits des divers
flux du procédé et notamment les entrées que l'on peut considérer comme
constituées de réactifs purs.
Il faut vérifier qu'il y assez de données sachant que l'on fournit encore les
informations suivantes (on ne sait jamais) :
- l'air a une composition volumique de 21% d'oxygène et de 79% d'azote,
- les gaz qui n'ont pas été absorbés, seront incinérés,
- le propylène contient une impureté qui est le propane présent à 5% (ou moins, on
hésite) en volume.
On demande aussi de calculer la conversion en propylène et en ammoniac, ainsi que
de calculer la sélectivité et le rendement en acrylonitrile par rapport au propylène, au
niveau du réacteur.
Evaluez aussi le rendement du procédé pour comparer.
Dans une petite unité de production de synthèse du méthanol (CH3OH), dont le
schéma général peut être résumé par la figure suivante :
Alimentation
Mélangeur Réacteur
Echangeur
- 65 -
Diviseur
Séparateur
Purge
Production
On demande de déterminer les débits d'alimentation à réaliser pour produire
journalièrement X tonnes de méthanol compte tenu que le réacteur possède un très
bon catalyseur autorisant la seule réaction de synthèse du méthanol, dont la
conversion est de 55%.
A l'alimentation, le mélange contient en volume deux fois plus d'hydrogène que de
monoxyde de carbone, tandis que le volume de méthane est égal à celui de l'eau. Au

Chimie Industrielle Introduction
total, les inertes (composés de méthane, de dioxyde de carbone et d'eau) ne
dépassent pas 20% en volume.
Le séparateur sépare parfaitement et totalement le méthanol (le produit tant désiré)
et l'eau (l'impureté avec le méthanol) qui se retrouvent dans le flux de production,
des autres gaz (considérés à juste titre comme fort volatils), recyclés et purgés.
Le diviseur est en fait une nécessaire purge dont le taux massique de purge est de
10%.
Les ingénieurs se demandent s'il ne manque pas une donnée et se voient proposer
les possibilités suivantes (non exhaustives) :
- perte en % massique de méthanol à la purge,
- débit de recyclage après la purge,
- pureté du méthanol dans la production après le séparateur,
- % de méthane à l'alimentation du mélangeur,
- % de monoxyde de carbone à l'alimentation du mélangeur,
- le rapport volumique méthane-dioxyde de carbone à l'alimentation,
- l'année de construction du réacteur,
- % de l'eau à l'alimentation du mélangeur,
Calculez, comparez et commentez le rendement du réacteur et le rendement de
l'installation.
On étudie la production de dérivés chlorés selon un procédé qui est schématisé par
le flow sheet suivant :
Chlore
Gaz
naturel
Mélangeur Réacteur
Séparateur 1
HCl,
Chlore
Purge
Séparateur 2
Produits
chlorés
Le mélangeur mélange un flux de chlore pur (Cl2), un flux de gaz naturel (95% de
CH4 et 5% de N2) et un flux de recyclage. Le débit de chlore est de 0.65 kmol s
- 66 -
-1 . On
désire et on contrôle, qu'après l'opération de mélangeage, le pourcentage d'azote ne
dépasse pas une dizaine de % en volume. Le taux de purge du diviseur est d'ailleurs
réglé en fonction de cette contrainte (9.9% d'azote par exemple).
Le réacteur fonctionne sans échange de chaleur et accueille les bilans réactionels de
substances suivants :
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

Chimie Industrielle Introduction
CH4 + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH4 + Cl2 → CHCl3 + HCl
La consommation de chlore est quasiment totale et elle se répartit de telle manière
que l'avancement de la première réaction vaut 30% molaire du débit de chlore
entrant dans le réacteur, l'avancement de la deuxième vaut 23% molaire du débit de
chlore entrant dans le réacteur et celui de la troisième vaut 7.5% molaire du débit de
chlore entrant dans le réacteur. Le flux de sortie du réacteur titre alors 65% en
volume de méthane.
Un premier échangeur refroidit le flux sortant du réacteur afin que le premier
séparateur puisse absorber parfaitement et totalement, par de l'eau, le chlore et
l'acide chlorhydrique du reste.
Après un nouvel échange de chaleur adéquat, le deuxième séparateur, sépare le
mélange en deux flux, tel que le flux qui est recyclé, contient 75% de méthane et
11.9% d'azote, tandis que le flux de produits chlorés, contient 39% de
monochlorométhane, 45% de dichlorométhane et 14% de trichlorométhane (tous
pourcentages molaires).
Un papier peut-être important, a cependant été retrouvé à la salle de contrôle, en fait,
il met en évidence les mesures suivantes :
- azote à l'entrée du réacteur, 6.9% volumique,
- méthane à la sortie du réacteur, 66% volumique,
- à la sortie du séparateur (bas, c'est-à-dire la production), on a un mélange des
différents chlorométhanes qui titre 32% de mono, 50% de di et 17% de tri (%
molaire),
- à la sortie du séparateur (haut, donc recyclage), en % volumique, il y a 73% de
méthane et 7.6% d'azote.
Cependant les erreurs de mesures ne sont pas mentionnées.
Calculez les sorties et les entrées du procédé dans les deux cas et tirez les
conclusions qui s'imposent.
Dans chaque cas, vérifiez par le bilan massique global qu'il n'y a pas accumulation.
Quel est le tonnage du produit chloré le plus important ?
Calculez le rendement du réacteur et le rendement de l'installation.
Est-il utile de savoir que le procédé se déroule en phase gazeuse ?
- 67 -

Chimie Industrielle Introduction
La production de cyclohexane (C 6 H 12 ) par hydrogénation du benzène (C 6 H 6 ) en
phase liquide se déroule selon un procédé qui est schématisé par le flow sheet
suivant :
Afin d’assurer une conversion optimale, le processus réactionnel est réparti sur deux
réacteurs qui accueillent chacun le même et unique bilan réactionnel de substances :
C 6 H 6 + H 2 ⇔ C 6 H 12
Chacun des réacteurs a une conversion de 60% et le débit d’hydrogène est réglé de
manière à ce qu’il soit toujours en excès de 20% pour chaque réacteur. Après le
réacteur 1, un séparateur fournit un flux exempt d’hydrogène qui est envoyé vers le
réacteur 2, tandis que l’autre flux est envoyé à l’incinération, il contient molairement
1% de benzène et 0.5% de cyclohexane.
Après le réacteur 2, un autre séparateur réalise une séparation semblable au
précédent, de sorte que le flux qui est orienté vers le réacteur 1 contient en mole 2%
de benzène et 1% de cyclohexane, alors que l’autre flux ne contient plus
d’hydrogène. Ce dernier flux est envoyé vers une colonne qui fournit un flux de
cyclohexane à 99.5%en poids et un flux de benzène qui ne contient que 2% en poids
de cyclohexane.
Aux alimentations, on peut considérer que l’hydrogène est pur alors que le benzène
est accompagné de 1% en poids de toluène.
On demande de déterminer tous les débits des différents flux du procédé pour
assurer une production journalière de 50 tonnes de cyclohexane.
Le procédé est stationnaire ce qu’on vérifiera en constatant qu'il n'y a pas
d'accumulation par un bilan massique global.
- 68 -

Chimie Industrielle Introduction
Une usine de fabrication de soude caustique (NaOH) assure une production
journalière d'environ 30 tonnes. Le schéma général mais néanmoins simplifié du
procédé est donné à la figure suivante :
Soude
Mélangeur 1 Réacteur
Chaux éteinte
Mélangeur 2
Séparateur 1
Solution de NaOH cc Boues
- 69 -
Eau
Séparateur 2
Mélangeur 3
Séparateur 3
Les réactifs (soude ou Na2CO3 et chaux éteinte ou Ca(OH)2) entrent en quantités
stoechiométriques dans le premier mélangeur.
Le réacteur accueille la réaction Ca(OH)2 + Na2CO3 ⇔ 2 NaOH + CaCO3, dont la
conversion est admise égale à 95%.
Les trois séparateurs sont des épaississeurs de type DORR et ils fonctionnent avec
un bon rendement du fait des recyclages.
La solution concentrée de NaOH sortant du premier séparateur, a une concentration
de 0.095 tonne de NaOH par tonne d'eau. Tandis que les boues sortant du troisième
séparateur contiennent 50% en poids d'eau et tout le CaCO3 produit dans le
réacteur.
On peut dire aussi que le flux sortant du premier séparateur et allant au deuxième,
ainsi que le flux sortant du deuxième séparateur et allant au troisième, contiennent
également 50% d'eau en poids.
On peut aussi considérer que la soude est également répartie en masse dans les
flux de sortie de chacun des deux derniers séparateurs.
L'eau qui alimente le dernier séparateur a un débit de 360 tonnes par jour.
Faites le bilan matériel de l'installation et évaluez les pertes en NaOH dans les
boues. Calculez aussi le rendement de chaque épaississeur, le produit important
étant la soude caustique (ou NaOH).

Chimie Industrielle Introduction
Un industriel fabrique un produit C de haute importance. Le procédé, qui fonctionne
normalement en régime stationnaire, est représenté par le schéma général suivant :
Alimentation
Mélangeur Réacteur
Echangeur
- 70 -
Séparateur
Production
Le flux d'alimentation, dont le débit total journalier est de X tonnes, contient quatre
substances A, B, C et I. Dans cette alimentation, la quantité molaire de B est 4 fois
plus importante que celle de A et on peut considérer que la quantité de C est plus
que négligeable. Les masses moléculaires de A et B valent respectivement 10 et 20
kg kmol-1 .
Le réacteur accueille la réaction A + B ⇔ C et on a constaté qu'à la sortie du
réacteur, les substances sont à l'équilibre chimique. L'expression de la constante
d'équilibre est d'ailleurs donnée par la formule :
K = C
A B
où A, B et C sont les quantités molaires (par unité de temps ou non) à l'équilibre. La
valeur de cette constante est de 1 (en unités adéquates).
Le séparateur du genre flash, répartit chaque substance suivant la loi :
X in1
i = Ki X in2
i
où X in1
i est le débit molaire de la substance i sortant en haut du séparateur,
X in2
i est le débit molaire de la substance i sortant en bas du séparateur.
Les ingénieurs qui s'occupent du fonctionnement du séparateur, affirment que les
valeurs des coefficients de séparation sont respectivement de 4 (ou KA pour la
substance A), 5 (KB) et 0.1 (KC).
Calculez les quantités de matière en kmol s -1 de chaque substance du flux de sortie
(5) du procédé.
Quelle est la proportion de C à la sortie et quelle est la production journalière en
tonne ?
Calculez le rendement de l'installation et celui du réacteur. Comparez et commentez.
Est-il nécessaire d'envisager une purge dans ce procédé ?
Même exercice mais la constante de la réaction est aux pressions partielles (aux
concentrations).

Chimie Industrielle Introduction
La production de cyclohexanol (C6H11OH) et de cyclohexanone (C6H10O) se réalise
par oxydation du cyclohexane (C6H12) par de l'air selon un procédé représenté par le
schéma général suivant :
Le réacteur abrite le schéma réactionnel suivant :
C6H12 + 1
2 O2 ⇔ C6H11OH
C6H11OH + HBO2 ⇔ C6H11OBO + H2O
C6H12 + O2 ⇔ C6H10O + H2O
C6H10O + 1
2 O2 ⇔ C5H10O + CO2
La réaction d'estérification partielle par l'acide borique (HBO2) permet de stabiliser le
cyclohexanol et d'éviter sa transformation systématique en cyclohexanone. A la
sortie du réacteur et pour un souci de contrôle, on a mesuré les rapports suivants :
conversion en cyclohexane = C6H12 in - C6H12 out
C6H12 in = 0.1
conversion en oxygène = O2 in - O2 out
O2 in = 0.9
sélectivité en cyclohexane = C6H11OH out - C6H11OH in
C6H12 in - C6H12 out = 0.85
constante d'estérification =
fraction molaire de C6H11OH
fraction molaire de C6H11OBO
rapport molaire cyclo = C6H11OH + C6H11OBO
C6H10O = 9
- 71 -
= 0.6 pH2O

Chimie Industrielle Introduction
Le séparateur qui suit le réacteur, fournit un flux de production qui contient les
produits intéressants et aucun gaz dissous. De même le mélange sortant en tête de
ce séparateur contient 60% en volume de cyclohexane, mais pas de cyclohexanol ou
son ester, ni de cyclohexanone, ni d'autres produits lourds oxydés. Ce mélange
contient également 2.5% en volume d'eau.
L'air venant à un des mélangeurs est ajusté pour contenir 6% d'oxygène à l'entrée du
réacteur, par contre à l'autre mélangeur, cyclohexane et acide borique sont dans un
rapport pondéral de 7 pour 1.
Le séparateur LL produit une phase organique qui ne contient pas d'eau et une
phase aqueuse qui ne contient pas de produit organique.
On demande de déterminer tous les débits des différents flux du procédé (et surtout
les entrées) pour assurer une production journalière de 750 tonnes de cyclohexanol.
Le procédé fonctionne à la pression totale de 12 bars.
Vérifiez qu'il n'y a pas d'accumulation par un bilan massique global.
Une unité de production annuelle de 100 kilotonnes d'éthanol (C2H5OH) par le
procédé d'hydratation directe de l'éthylène (C2H4), est schématisée par le flow sheet
simplifié ci-après :
Réacteur
Eau
Ethylène frais
Séparateur
- 72 -
Purge
Eau
Laveur
Production
brute
On demande de déterminer les bilans matières de l'installation sachant qu'elle
travaille dans les conditions suivantes :
- la pression est de 65 bars.
- Le réacteur est constitué d'un lit fixe de catalyseur poreux imprégné d'acide
phosphorique, de sorte que les réactions ci-dessous y prennent place :
C2H4 + H2O → C2H5OH conversion sur l'éthylène de 5%
2 C2H5OH → C2H5OC2H5 + H2O
C2H5OH → C2H4O + H2
A l'entrée le rapport molaire d'eau et d'éthylène est de 0.6 et la teneur molaire en
éthylène sur gaz secs est de 85%.

Chimie Industrielle Introduction
- Le séparateur et la tour de lavage fonctionnent de manière parfaite de sorte que
les gaz recyclés ne contiennent ni eau, ni éthanol, ni diéthyléther, ni acétaldéhyde
et que l'éthanol brut (autrement dit la production brute) ne contient aucun gaz
dissous.
- La composition volumique de l'éthylène frais est de 97% d'éthylène, 1% de
méthane et 2% d'éthane.
- L'eau utilisée est considérée comme parfaitement purifiée.
- Le méthane et l'éthane sont considérés comme des inertes.
- L'analyse pondérale de l'éthanol brut montre 15% d'éthanol, 0.3% d'acétaldéhyde
et 0.5% de diéthyléther.
Quels sont les appareils manquants ?
Vérifiez qu'il n'y a pas d'accumulation.
A l'aide des flow sheets proposés aux paragraphes 3.2. et 3.3.1., faites les bilans
matières de la déshydrogénation du propane en propylène et vérifiez les calculs par
le bilan massique global.
Exercice un petit peu plus difficile : la boucle de synthèse d'ammoniac (NH3) doit
permettre d'assurer une production journalière d'ammoniac de X tonnes dans un flux
de production qui va titrer environ 95% molaire en ammoniac. Cette boucle de
synthèse repose sur le schéma général présenté ci-dessous :
Alimentation
Séparateur 2
Mélangeur Réacteur
Echangeur 1
Vanne
Production
Echangeur 2
- 73 -
Purgeur
Séparateur 1
Flux purgé
Afin de contrôler le bon fonctionnement du procédé, qui fonctionne à une pression de
250 bars, on analyse la composition volumique des gaz à l'entrée du réacteur et on a
approximativement mesuré 21% d'azote, 71% d'hydrogène, 5% inertes et le reste
d'ammoniac.
Toujours dans un souci de contrôle, on mesure également la composition volumique
du flux recyclé en tête après le séparateur 1 et on a obtenu : 20% d'azote, 72%
d'hydrogène, 6% inertes et le reste d'ammoniac. Pour le flux qui sort en bas de ce

Chimie Industrielle Introduction
séparateur, on a mesuré que l'ammoniac titre 85% en volume. Les mesures ne sont
pas plus précises que leur dernier chiffre.
Pour le séparateur 2, on peut considérer que le flux de production ne contient pas
d'hydrogène et que le flux recyclé contient encore 25% d'ammoniac en volume. Dans
ce flux recyclé, on a aussi mesuré un rapport molaire hydrogène sur azote de 1.6.
On espère que les pertes d'ammoniac à la purge sont limitées à 1% de l'ammoniac
dans la production mais c'est à confirmer et à discuter. Le taux de purge est de 8%.
On demande de vérifier la cohérence de toutes ces mesures par l'analyse et la
résolution des bilans matières et ensuite de déterminer le flux d'entrée pour assurer
la production désirée.
On demande aussi d'évaluer les rendements du réacteur et de l'installation et de
commenter les éventuelles différences.
Exercice difficile : la boucle de synthèse d'ammoniac (NH3) peut être représentée par
le schéma simplifié suivant :
Alimentation
Mélangeur Réacteur
- 74 -
Purgeur
Séparateur
Flux purgé
Production
On demande de déterminer les différents débits des flux du procédé pour réaliser
une production annuelle d'ammoniac de X tonnes moyennant les informations
suivantes :
- à l'alimentation, le rapport molaire hydrogène sur azote est de 3, il n'y a pas
d'ammoniac et les inertes ont une teneur volumique de 2%.
- Le débit de purge est réglé afin que le pourcentage d'inertes à l'entrée du réacteur
ne dépasse pas 20% en volume.
- La conversion réalisée dans le réacteur est de 25% et les réactifs principaux sont
en quantités stoechiométriques.
- Le flux recyclé contient au plus 5% molaire d'ammoniac et le flux de production ne
contient que de l'ammoniac.

Chimie Industrielle Introduction
Exercice difficile (plus académique) : soit un petit procédé fonctionnant en régime
stationnaire représenté par le flow sheet suivant :
0
3
M1 R1
1
Dans le réacteur R1 se déroule la réaction νA A + νB B → νC C. Les substances
sortant du réacteur sont considérées comme étant à l'équilibre et la constante
d'équilibre de la réaction unique vaut K.
Cette constante est exprimée selon les termes suivants :
K = Cout
Aout Bout
- 75 -
2
S1
4
C, B, A exprimés en quantités molaires
Le séparateur est du genre flash. Les substances sont donc séparées selon les lois
de l'équilibre physique :
Si,in
Zin
= Ki Si,out
Zout
où Si est le débit molaire de la substance i en entrée (in) ou en sortie (out) tandis que
Z représente le débit molaire total (in ou out) et Ki est la constante physique relative
à la substance i.
Recherchez, par les bilans matières, la relation entre l'avancement de la réaction, les
constantes d'équilibre physique Ki et les débits d'entrée. Quelles sont les conclusions
à tirer.
Après vos conclusions, calculez les sorties du procédé.
Autre exercice difficile (toujours académique) : le flow sheet du procédé à étudier est
le même que le précédent. Il faut noter les deux différences ci-après en ce qui
concerne le fonctionnement des appareils.
La constante d'équilibre K est exprimée en termes de pressions partielles et la
pression totale est considérée comme connue.
Dans le séparateur flash, les substances sont séparées selon les lois physiques :
Si,out1
Zout1
= Ki Si,out2
Zout2
où Si est le débit molaire de la substance i à la sortie du dessus (out1) ou du
dessous (out2) tandis que Z représente le débit molaire total (out1 ou out2) et Ki est
la constante physique relative à la substance i.
Recherchez, par les bilans matières, la (ou les) relation(s) entre les variables clés et
émettez quelques conclusions de bon aloi.

Chimie Industrielle Introduction
Il conviendra d'introduire le rapport α = Zout1
Zin où Zin est le débit total à l'entrée du
séparateur et Zout1, celui de sortie en haut du séparateur (d'ailleurs déjà défini cidessus).
Faites le nécessaire pour déterminer les sorties du procédé.
Exercise for fun : You have to manufacture bisphenol A in order to produce about
350 ton per day in a bench pilot project.
The main reaction is based on simple reactants as phenol and acetone, using a
hydrogen chloride as catalyst. Phenol contains about 2.5% in weight of benzene and
acetone contains about 5% in weight of methanol.
However, a secondary reaction has to be taken into account and with this catalyst it
leads to the deshydratation of phenol in its corresponding ether oxide.
The yield of the main reaction is contained between 50 and 90% when the selectivity
of the key product is rather contained between 75 and 85%.
A first separation is achieved and a recycling of recovered reactant has to be
considered in order to improve the overall yield of the process.
The recycling stream contains between 1 and 5% in weight of bisphenol A. In this
stream no component can be considered as traces.
A second separation is performed to obtain the final product with a degree of purity
contained between 90 and 95% in weight.
Draw a flow sheet with the necessary units to perform the desired product and
discuss the degree of freedom of your process in order to fix, if necessary,
supplementary data to compute the different molar flowrates of each stream
represented in your flow sheet.
Compute the overall yield of the process and compare it to the yield of the reactor.
Check the balances of the input and the output with the overall mass balance of the
process.
Don't worry bud, it's only looking hard.
- 76 -

6. Index
absorption,32
accumulation,22,23,29,38,42
anergie,14
appareil,16
approvisionnement,12,15
avancement,39,42
avant-projet,15,17
A
B
bilan,16,22,25,26,27,28,30,36,43
bilan de pression,28
bilan de quantité de mouvement,28
bilan d'impulsion,30
bilan énergétique,26
bilan matériel,22,23
bilan thermique,26,27
bilans de matières,28
bilans d'impulsion,28
bilans énergétiques,28
chaleur,13,25,26,27,33
charbon,10,11,12
chimie industrielle,2,4,22
chimie industrielle de base,4
chimie inorganique,11
chimie organique,10
colonne,32
commodity chemicals,5
composition,22
compresseur,34
conception,17,21
connexion,35
conservation,25,41
conversion,39
coproduit,8
C
D
débit,19,20,21,24,28,29
degrés de liberté,38
design,21
développement,8,9
dimensionnement,21,25,29,30
distillation,32
diviseur,35,36
E
échangeur,27,33
élément,9,11
énergie,12,16,21,25,26,27,31
enthalpie,14,25,27,29,31
exergie,13
flow sheet,16,18,30
flux,16,20,21,24,27,29,34,35
F
Chimie Industrielle Introduction
- 77 -
G
gaz naturel,10,13
Génie Chimique,2,4,15,21,29
Industrie,6,54
industrie chimique,1,2,3,8,12,15
industrie des matériaux silicatés,5
industrie des métaux,5
industrie des polymères,5,11
industrie des silicates,11
industrie du verre,5
industrie fine,5
industrie minérale,4
industrie organique,4
inerte,23
ingénieur,15,17,18
intermédiaire,4,5
I
M
masse spécifique,22
matière première,8,11
matières premières,2,5,9,11,12
mélangeur,35,37,39
mesure,9,17,21,23
métallurgie,5
minerai,5,10,11,12
minéraux,10,11,12
modèle,17
mole,21,23
monomère,12
P
parachimie,5
perte de charge,27
pétrochimie,4
pétrole,4,10,12
plan,15,16
polymère,12
pompe,34
pression,19,20,21,27,28,29,30
pression,34
prix,4,12,15
procédé,2,3,8,13,15,16,17,20,22,26,30,36
production,4,5,8,9,12,14,17,23
produit,1,2,4,5,6,8,9,12,14,15,30
produit de base,4,6
projet,15,17,28
projet pilote,17
purgeur,36
qualité,11
quantité,11
réacteur,23,30,37
Q
R

éaction,12,23,29
recherche,9,14,16,17
recyclage,23
régime,19,22,38
régime stationnaire,29,36,41
régulateur,19
rendement,13,23,27
réserve,11
ressource,10,11,12
rhéogramme,16,18
S
schéma général,16,18,19,21,28,36
séparateur,32,37,39
simulation,17,21,23,40
soutirage,23
stationnaire,16
synthèse,1
synthèse énergétique,13
système,16,19,23,25,26,27,29
T
taux de purge,36
température,11,19,20,21,25,27,28,29
transformation,8,10,17,30
travail,13,14,25,26,27
turbine,34
unité,2,16,20
unités des variables,29
validation,23
vanne,34
U
V
Chimie Industrielle Introduction
- 78 -