COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011
Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydro...
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Bases fondamentales et théoriques de la pétrochimie

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le but du cours est de donner un aperçu sur les percepts conduisant à la mise en oeuvre de procédés pétrochimiques.
Dans un premier temps l'accent sera mise sur les principes théoriques.
Dans un deuxième, il sera question de l'étude des procédés sous leurs divers aspects: thermodynamique, cinétique, catalyse, technologie, HSE, et bien sur économique

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Bases fondamentales et théoriques de la pétrochimie

  1. 1. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie I. ELABORATION DE LA TECHNOLOGIE DE LA SYNTHESE PETROCHIMIQUE a- Le but de la Technologie‘’Synthèse Pétrochimique’’en tant que science : Techno – art (artisanat) production Logos – étude, science. On peut la déterminer comme une science sur la production (de la production). Actuellement elle est définie comme une science s’occupant des moyens et méthodes rationnels pour accomplir (élaborer) des procédés de transformation des matières premières en produits de large utilisation. La Technologie de la Synthèse Pétrochimique peur être vue sous quatre aspects : 1. Du point de vue de moyen de transformation de la matière première en produits finis, c’est-à-dire du point de vue du choix des moyens et méthodes de traitement (transformation) de la charge sur la base de l’étude des différents procédés. 2. Du point de vue de l’analyse de fonctionnement des appareils-types (choix de la construction et des paramètres de leur fonctionnement et leurs interactions). 3. Du point de vue sociétal et économique. 4. Du point de vue Hygiène, Sécurité et Environnement (HSE) En tant que science la synthèse pétrochimique se base sur les lois de la physique, de la chimie (générale, organique, chimie physique), des mathématiques, ainsi que celles du génie des procédés dont la principale est celle de l’approche systémique. La tâche principale de la technologie de la synthèse pétrochimique et la recherche des meilleures conditions du déroulement de toutes les étapes des divers procédés et de leurs sous-systèmes. Ainsi la synthèse pétrochimique se focalise sur les aspects les plus importants du développement du procédé. L’industrie pétrochimique est caractérisée par le degré élevé de production (grand tonnage) répondant aux normes de haute qualité.
  2. 2. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Actuellement, le souci majeur de la synthèse pétrochimique n’est pas seulement la création et la mise en place de nouveaux produits, mais de veiller au stricte respect des normes de développement durable liées aux économies d’énergies et des matières premières et de protection de l’environnement. La synthèse pétrochimique s’accapare d’un large spectre de méthodes et procédés qui mènent non seulement à une transformation moléculaire des produits entrants (charge), mais aussi des changements de phases qui s’opèrent lors de la séparation des produits chimiques obtenus. Dans ce contexte, la technologie de la synthèse pétrochimique, en tant que science, est chargée de l’étude des processus chimiques, physico-chimiques, du transfert de matière et de chaleur avec le choix de méthodes et moyens de transformation de produits initiaux en produits finis. De même que des moyens de production et du choix des circuits de matières premières et des produits à travers les divers appareils et équipements liés entre eux en y constituant un schéma technologique de processus uni. b. les spécificités de la technologie de la synthèse pétrochimique : - Le grand tonnage : - La multi variance : Le moyen d’obtention d’un même produit fini peut être établi sur la base de diverses matières premières. Par exemple : le vinylacetate qui est l’un des monomères les plus importants peut être obtenu à partir de l’acétylène ou de l’éthylène. Aussi une même matière première peut permettre l’obtention de plusieurs produits finis ou semis finis, par exemple : L’éthylène peut servir à l’obtention de l’acide acétique, l’anhydride acétique, l’alcool éthylique, l’acétate le vinyle, le chlorure de vinyle etc. Cette spécificité mène à l’élargissement de la gamme de matières premières, ce qui permet d’avoir la possibilité de choisir une matière première la moins onéreuse et son utilisation la plus complète. Secondo-, pour l’obtention d’un même produit on peut utiliser différents procédés de transformation de la matière première :
  3. 3. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Ainsi, le prix des matières premières le moins onéreux possible soit-il, ne peut être déterminant pour le choix du procède mais le prix de revient du produit obtenu. c. la multiplicité des circuits du procédé Le déroulement des réactions, y compris secondaires, conduit à la formation de produits divers, nécessitant ainsi la présence d’un nombre important et varié d’étapes et de processus. Si par exemple, on regarde les appareils et procédés lors de la production de l’acétate de vinyle on peut proposer 30 variantes en fonction des points suivants : 1. L’utilisation du catalyseur « acétate de zinc » sur charbon actif ou l’acétate de cadmium sur Al2O3 2. Faire dérouler le processus dans un réacteur à lit fixe ou à lit fluidisé : 3. Récupérer les particules de catalyseur à l’aide de cyclone ou à l’aide de scrubber 4. La condensation de gaz sortant du réacteur se fait à travers un échangeur de chaleur ou à travers un séparateur. 5. La rectification du mélange a lieu soit : en séparant le vinylacétate d’abord et les produits légers par la suite ou inversement. En effet, lors de l’étude du procédé et l’élaboration du design on peut aller jusqu’à 4O variantes de schémas technologiques. Toutes ces démarches sont justifiées non seulement par le choix de la variante la plus commode, mais de la variante la plus optimale. Le choix final découle d’une comparaison technico-économique des variantes en tenant compte de toutes les contraintes technico-physico-chimiques. d- la mutualisation et l’interconnexion La mutualisation et l’interconnexion des différents procédés, installations et équipements du procédé permettent une utilisation complète et rationnelle des matières premières ainsi que la réutilisation des effluents et rejets. e- le degré élevé d’automatisation et de commande du procédé. Pour le contrôle et le suivi du procédé de pétrochimie on utilise les moyens de commande (informatisés) les plus sophistiqués, ce qui permet de suivre les
  4. 4. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie paramètres opératoires de façon très précise et fiable, qui par conséquent, améliorera la qualité du produit et augmentera sa productivité. f- l’intensification des procédés L’intensification est devenue l’un des moyens les plus utilisés pour mettre au point un procédé de fabrication. Intégrer dans le système des réactions avec transfert de matière, la rectification avec réaction chimique, l’extraction avec réaction. Ce type d’intensification est efficace, il est employé afin d’atteindre des rendements élevés en produits clefs. g- Structuration de l’installation D’un point de vue technique l’installation en pétrochimie est un système fonctionnel durant lequel a lieu des processus de génie chimique dans des appareils (équipements) standards bien définis, qui possèdent des informations liées aux flux de matière et de chaleur à l’entrée et à la sortie. Les critères de qualité de fonctionnement des procédés de pétrochimie concernent les paramètres du processus (la capacité de production, taux de transformation, rendement concentration, pureté du produit etc.) Parfois on utilise les paramètres technico-économiques (prix de revient, dépenses) ; l’état du procédé est caractérisé par les coordonnés paramétriques (température, pression, débits, concentrations). Le nombre de variables à contrôler dans les divers procédés varie de quelques dizaines à quelques centaines. L’installation est composée d’une série de processus techniques et technico-chimiques qui sont orientés vers la fabrication de produits clefs à partir d’une certaine matière première. L’installation industrielle (usine ou complexe) est composée d’une série d’installations unies et liées entre elles par les paramètres du procédé. Lors de l’étude d’un projet technologique complexe il est judicieux de le diviser en maillants, dans lesquels se déroulent des processus chimique, physico- chimique, et autres.
  5. 5. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Selon les liens de matières et d’énergie tous les processus peuvent être divisés en classe principales suivantes : chimiques, opérations unitaires, transfert de masse et de chaleur ainsi qu’hydro et/ou aérodynamique et mécaniques. Chacune de ses classes est divisée en procédés types. Par exemple les procédés de transfert de masse conduisant aux processus de rectification, d’extraction, d’absorption et d’adsorption. Régime de fonctionnement des installations En règle générale, les installations de la synthèse pétrochimique emploient des procédés continus, mais une installation accessoire peut être périodique. Sont inclus dans les procédés continus des processus dans lesquels sont conservés les régimes de fonctionnement de l’installation en fonction du temps, c’est à dire on introduit de façon continue la charge dans le système ainsi que la récupération des produits de réaction (produits finis) tout ceci en maintenant de façon constante les paramètres opératoires (température, pression, débits etc.) Dans les systèmes périodiques, lors de passage d’une étape du procédé à une autre et parfois même lors d’une étape, on remarquera un changement de régime de fonctionnement de l’appareil, il y a la période d’introduction de la charge et la récupération des produits. Les installations en « continu » sont destinées pour produire un et même produit, tandis que celle périodique peut produire divers produits. On peut aussi appeler ces procédés discontinus ou semi continus. Le régime de fonctionnement peut être statique ou dynamique. Pour déterminer les propriétés statiques et le régime de fonctionnement des installations, on utilise l’équation différentielle dx/dl = f (x, z, u, a) (1) l - variable x,z,u - cordonnées de sortie a - paramètre Vecteur f - fonction Vecteur Le modèle mathématique statique de l’objet avec les coordonnées pour la forme suivante : f (x, z, u, a) = 0 (2)
  6. 6. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie dx / dt = f (x, z, u, a) (3) Les systèmes d’équation (1)-(3) sont utilisés pour décrire les procédés stationnaires dont les propriétés restent constantes en fonction du temps Dans les modèles mathématiques des procédés stationnaires la fonction Vecteur dépend soit directement et/ou indirectement du temps. Souvent dans les modèles non-stationnaires, le paramètre « a » est considéré comme fonction du temps. Alors les équations statistiques et dynamiques prennent la forme : f ( x, z, u, a(t) ) = 0 (4) dx / dt = f ( x, z, u, a ) (5) Le modèle mathématique statique du type (1,2) est largement utilisé pour la résolution des problèmes liés à la planification (recherche de l’optimum) pour l’optimisation des régimes statiques. Les modèles mathématiques dynamiques sont exprimés par l’équation (3) et sont utilisés pour optimiser des régimes de transition. Par exemple, lors du démarrage et de l’arrêt de l’installation. Les principes généraux de création de procédés pétrochimiques. Lors de la fabrication des produits pétrochimiques il se déroule divers procédés (chimique, physico-chimique, hydrodynamique, diffusionnel, thermique, mécanique) d’autant plus, dans la plupart des cas, ils se passent en même temps et dans le même appareil. Le déroulement du processus et son fonctionnement est déterminé par les paramètres. L’ensemble des paramètres opératoires détermine le régime technologique et ses divers sous-systèmes. On distingue les paramètres extensifs dépendant de la quantité du produits (débit) et intensifs ne dépendent pas de la quantité ni du débit (température, pression, concentration). Les paramètres les plus importants sont les paramètres intensifs. Modèles d’installations et de complexe de produits : L’installation de synthèse pétrochimique est considérée comme un système fonctionnel qui est un ensemble de nœuds technologiques (appareils, batterie d’appareils, ateliers, usines) dans chacun d’entre eux se déroule certains types de procédés chimiques ou de plusieurs procédés (schéma 1).
  7. 7. COURS DE PETROCHIMIE PROFESSEUR HAMADA BOUDJEMA –BOUMERDES 2011 Université M’Hamed Bougara de Boumerdes- Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Les facteurs qui interfèrent dans le procédé sont :  Entrants : x1, x2,…... xn,  Sortants : y1, y2,…, ym,  Action de commande : u1, u2, uk  Action d’interférence : z1, z2, zs Z1 Z2 ZS X1 X2 XS Y1 Y2 YS U1 U2 US

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