Génie des Procédés Industriels - bilans, réacteurs et opérations unitaires
L'épreuve du Génie des Procédés vérifie la maîtrise des bilans de matière et d'énergie, du dimensionnement des réacteurs et des opérations unitaires : distillation, extraction, séchage, échangeurs. Le raisonnement se mène sur une base de calcul choisie explicitement (100 mol, 1 t/h, une heure) et se contrôle par la conservation.
Notions clés
- Bilans : frontière du système, accumulation = entrée − sortie + production ; traitement séparé de l'inerte et du solvant en recyclage.
- Réacteurs : CSTR X = kτ/(1 + kτ), PFR X = 1 − e^(−kτ), nombre de Damköhler Da = kτ, sélectivité contre conversion.
- Équilibre liquide-vapeur : loi de Raoult, volatilité relative α, construction de McCabe-Thiele, reflux minimal.
- Transferts : Q = U·A·ΔT_lm, coefficient global, nombre d'unités de transfert.
- Séchage : courbe de séchage, humidité critique, bilan enthalpique.
- Sécurité : HAZOP, pouvoir calorifique, atmosphère explosive.
Exemple travaillé
Réaction A → B du premier ordre, k = 0,5 min⁻¹, temps de séjour τ = 4 min.
- CSTR : X = kτ/(1 + kτ) = 2/3 ≈ 66,7 %.
- PFR : X = 1 − e^(−2) ≈ 86,5 % : à volume égal, le réacteur piston est plus performant pour un ordre positif.
- Débit : si V = 2 m³ et τ = 4 min, alors Q = V/τ = 0,5 m³/min = 30 m³/h.
- Contrôle : dans le CSTR, C_A = C_A0/(1 + kτ) = C_A0/3, ce qui redonne bien X = 0,667.
Pièges qui coûtent des points
- Oublier l'accumulation d'inerte dans une boucle de recyclage, ce qui fait diverger le bilan global.
- Mélanger base massique et base molaire, surtout avec des compositions en pourcentage.
- Confondre conversion, rendement et sélectivité, trois grandeurs distinctes.
- Utiliser un k en s⁻¹ avec un τ en minutes sans conversion.
- Inverser la convention de signe dans un bilan énergétique, donc conclure à tort sur le caractère exothermique.