École nationale supérieure de chimie de Paris

2009/2010
École nationale supérieure
de chimie de Paris
FE_GC22 Formation expérimentale en génie chimique
Cycle ingénieur 2ème année
Coordinateur : Frédéric ROUSSEAU, Virginie LAIR
Travaux Pratiques de Génie Chimique Opérations
unitaires, Réacteurs et Simulation.
2012-2013

2009/2010
2012-2013

PLAN
3
Intervenants 2012-2013 :
Cédric Guyon, Virginie Lair, Willy Morscheidt, Frédéric Rousseau.
Technicien : Bruno Pelat
Sommaire :
TP I : DISTILLATION ........................................................................................................................................... 7
I. INTRODUCTION ........................................................................................................................... 7
I.1 Courbe d‟équilibre y = f (x) ........................................................................................................... 8
II. APPAREILLAGE .......................................................................................................................... 9
III. LES BILANS SUR LA COLONNE .............................................................................................. 10
III.1 Notations .................................................................................................................................. 10
III.2 Bilans globaux sur la colonne .................................................................................................... 11
III.3 Bilans sur le condenseur ........................................................................................................... 11
III.4 Vérification des bilans thermiques sur la colonne ...................................................................... 11
III.5 Bilans sur la colonne d‟enrichissement (zone II sur la figure 4) ................................................. 12
III.6 Colonne d‟épuisement (zone III sur la figure 4) ......................................................................... 12
IV. CARACTERISATION DE L‟EFFICACITE DE LA COLONNE: DETERMINATION DE SON NOMBRE DE
PLATEAUX THEORIQUES.............................................................................................................. 12
IV.1 Notion d‟étage théorique ........................................................................................................... 12
IV.2 Méthode de Mac Cabe et Thiele ............................................................................................... 13
V. PARTIE EXPERIMENTALE (Voir les conditions exactes avec l’enseignant en fonction de la colonne
utilisée !) .......................................................................................................................................... 15
V.1 Mise en route de la colonne ....................................................................................................... 15
V.2 Manipulation .............................................................................................................................. 16
VI. EXPLOITATION DES RESULTATS........................................................................................... 16
VI.1 Mise en régime de la colonne ................................................................................................... 16
VI.2 Etude du régime permanent ..................................................................................................... 16
VI.3 Vérification des bilans matières ................................................................................................ 16
VI.4 Vérification des bilans thermiques............................................................................................. 16
VI.5 Détermination du nombre de plateaux théoriques ..................................................................... 16
VI.6 Discussion ................................................................................................................................ 16
VII. SIMULATION DE LA COLONNE EXPERIMENTALE AVEC LE CODE HYSYS......................... 16
VII.1 Influence des paramètres clefs (ARGUMENTER VOS CONCLUSIONS).................................. 17
VIII. SIMULATION D‟UNE COLONNE INDUSTRIELLE AVEC LE CODE HYSYS ........................... 17
TP II : ABSORPTION ......................................................................................................................................... 19
I. INTRODUCTION ......................................................................................................................... 19
II. APPAREILLAGE (Voir figure 2) .................................................................................................. 20
III. Hydrodynamique ....................................................................................................................... 22
IV. Calcul du point de fonctionnement de la colonne ....................................................................... 23
IV.1 Notion d‟Unité de Transfert ....................................................................................................... 23
IV.2 Calcul de la hauteur d‟une unité de transfert ............................................................................. 26
IV.3 Estimation des hauteurs d‟unités de transfert ............................................................................ 27
V. Manipulations ............................................................................................................................. 28
V.1 Mise en route de la colonne ....................................................................................................... 28
V.2 Étude hydrodynamique de la colonne ........................................................................................ 28
V.3 Étude de l‟absorption du gaz carbonique par une solution de monoéthanolamine ...................... 29
TP III : ÉTUDE DES RÉACTEURS CHIMIQUES .......................................................................................... 32

PLAN
4
I. Introduction.................................................................................................................................. 32
II. RAPPELS THÉORIQUES ........................................................................................................... 32
II.1 Equations de fonctionnement des différents réacteurs idéaux .................................................... 32
II.2 Détermination des vitesses de réaction ...................................................................................... 34
II.3 Détermination de la Distribution des Temps de Séjour (DTS) ..................................................... 35
II.4 Détermination de la dispersion axiale dans les réacteurs Piston ................................................. 36
II.5 Calcul de la conversion dans un réacteur non idéal .................................................................... 37
III. Procédure expérimentale ........................................................................................................... 38
III.1 Objectif ..................................................................................................................................... 38
III.2 Dispositif expérimental .............................................................................................................. 39
III.3 Préparation des réactifs et du traceur ........................................................................................ 40
III.4 Conduite des expériences ......................................................................................................... 41
IV. Interprétation des résultats ........................................................................................................ 43
IV.1 Étude hydrodynamique des réacteurs (Détermination des DTS) ............................................... 43
IV.2 Étude des taux de conversion des réacteurs et de la cinétique de la saponification ................... 43
V. Bibliographie .............................................................................................................................. 45
TP IV : CONCEPTION D’UN PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE CYCLOHEXANONE .................................. 47
I. Introduction.................................................................................................................................. 47
II. Estimation des propriétés thermodynamiques ............................................................................. 49
II.1 Étapes préliminaires .................................................................................................................. 49
II.2 Génération d‟un tableau de propriétés en Hysys. ....................................................................... 53
II.3 Création de la courbe de pression de vapeur ............................................................................. 55
III. Conception du réacteur .............................................................................................................. 56
IV. Séparation du gaz et des déchets .............................................................................................. 57
V. Séparation des produits et recyclage .......................................................................................... 60
V.1 Short-Cut Distillation .................................................................................................................. 60
V.2 Calcul rigoureux de la colonne ................................................................................................... 61
VI. Simulation du procédé global..................................................................................................... 63
VI.1 Ajouter le courant de recyclage. ................................................................................................ 63
VI.2 Ajout des opérations concernant l‟énergie ................................................................................. 64
VII. Dimensionnement des unités .................................................................................................... 65
VII.1 Dimensionnement d‟une colonne à plateaux ............................................................................ 66
VII.2 Dimensionnement d‟une colonne à garnissage ........................................................................ 66
VIII. Évaluation économique ........................................................................................................... 66
TP V : Oxydation catalytique de l’ortho-xylène dans un réacteur tubulaire : Comparaison des outils de
simulation .......................................................................................................................................................... 69
I. Introduction.................................................................................................................................. 69
II. Description du problème ............................................................................................................. 70
III. Les hypothèses de calcul ........................................................................................................... 71
IV. Le modèle mathématique .......................................................................................................... 72
IV.1 1er cas « modèle piston » .......................................................................................................... 74
IV.2 2ème cas « modèle 1D avec calcul des propriétés thermodynamiques » .................................. 75
IV.3 3ème cas « modèle 2D avec prise en compte de la diffusion et la conduction » ....................... 76
IV.4 4ème cas « modèle 2D avec un écoulement non-idéal »........................................................... 76
V. Conclusion et observations générales ........................................................................................ 77
TP VI : Ensemble des tutoriels HYSYS ........................................................................................................... 78
I. Tutoriel pour la prise en main du logiciel HYSYS.......................................................................... 78
II. Séparation d‟un mélange acétone-eau en deux courants ............................................................ 81
III. Simulation sous HYSYS d‟un réacteur tubulaire pseudo-isotherme utilisé pour la production du chlorure
d‟allyle ............................................................................................................................................. 87
IV. Simulation sous HYSYS d‟une colonne de distillation utilisée pour la séparation du Propane du n-
Butane (Short Cut Distillation) / détermination du nombre de plateaux et des puissances à appliquer pour la
séparation ....................................................................................................................................... 92

PLAN
5
V. Simulation sous HYSYS d‟une colonne de distillation à partir de paramètres connus (nombre de
plateaux, puissance du bouilleur…) ................................................................................................. 93