Cours 3 (2022-09-16) Design et Heuristiques .pdf

Cours 3 (2022-09-16) Design et Heuristiques .pdf
Cours 3 - Design et Heuristiques Jason R. Tavares et Louis Fradette GCH8271 – CONCEPTION ET SYNTHÈSE DES PROCÉDÉS 15/09/2022 1
• Design de procédés • Informations de procédés • Diagrammes d’écoulement • Heuristiques • Exemple de conception 15/09/2022 2 Cours 3
Pour les technologies universitaires (et pour des licences sur des brevets de façon générale) • en moyenne, de 2 à 10% de redevances sur les ventes ou la valeur du produit Plus généralement, coûts d’acquisition ou de licence dépendent de nombreux paramètres : - Compétitivité dans le marché : • Le marché visé est-il en attente d’une solution qui n’existe pas actuellement? • Le besoin auquel la technologie répond est déjà partiellement comblé par d’autres technologies ? - Stade de développement : A-t-on une idée ou des simulations ou un prototype et des échantillons ? Le procédé est-il expérimental ou mis à l’échelle ? - L’industrialisation : L’intégration de la technologie à la chaîne industrielle est-elle coûteuse ? Compliquée ? Nécessite de la formation ? - La propriété intellectuelle : A-t-on une propriété intellectuelle forte entre les mains ? Ou quelque chose de très facilement reproductible et un brevet facile à contourner ? + Autres considérations qui dépendent du marché auquel on s’adresse (les contraintes du biomédical sont différentes de celles du logiciel…) 2022-09-15 3 Brevets et licences
• Design de procédés • Informations de procédés (rappel) • Diagrammes d’écoulement • Heuristiques • Exemple de conception 15/09/2022 4 Cours 3
Généralités • Informations du procédé – Recherche de littérature – Essais en laboratoire (ou à l’échelle pilote) • Diagramme des entrées/sorties – Recherche de toutes les réactions chimiques possibles • Diagramme de fonction – Pour chaque réaction chimique, indiquer les principales informations – Ajouter les flux de chaleur 15/09/2022 5 Informations de procédés
15/09/2022 6 développement du diagramme d’écoulement P&T, Ch. 4, Figure 4-1
P&T: Chapitre 4 Exemple de production du “sodium dodécylbenzène sulfonate” 2022-09-15 7 Entrées – sorties
Notes: • Une boîte de réaction indépendante pour chaque réaction qui doit être conduite séparément. • Indiquer par du « pré-processing » une entrée qui doit être traitée (par extension, une boîte de « post-processing » pour les produits) • Boîtes de « séparation » pour les courants recyclés 2022-09-15 8 Fonctions
Notes • On indique la technologie retenue • Échanges thermiques indiqués par “Q” • C’est une étape longue et difficile • Nombreux choix à faire • Beaucoup d’info à trouver/compiler • Technologies, leur performance • Chapitres 12 à 15 du livre fournissent la base pour obtenir l’information 2022-09-15 9 Opétations
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2022-09-15 12 Flow sheet (PFD)
Ce qu’il reste à faire … après un flowsheet initial • On obtient généralement beaucoup de versions du flowsheet • Technologies • Hypothèses de performance • … • Il faut générer les bilans (matière et énergie ) pour les options • Permettent l’analyse QUANTITATIVE des options • Dimensions, puissances, capacités, … • Chaque cas devient l’équivalent un projet de GCH4160 • Les candidats les plus prometteurs sont comparés • Économique • Sécurité • Environnement • Légal 2022-09-15 13 Cas de base et optimisation
• 3 types d’approches : – Modification d’un design existant – Ajout à un design existant (« retrofit ») – Création d’un nouveau design (« greenfield ») • Si la molécule est nouvelle, une méthode de synthèse doit être identifiée – Création d’un nouveau procédé – Essais en laboratoire ($$$, mais risque diminué) 15/09/2022 14 Informations de procédés
• Si le procédé existe déjà – Utilisation de brevets et/ou licences (un coût est associé à l’utilisation du procédé, licences pas toujours exclusives) – La décision de l’utilisation du brevet vs le développement d’un nouveau procédé se fait sur une base économique • Un procédé batch/semi-batch peut être utilisé dans certains cas – Lorsque la production est de moins de ? kg/an (spécifique au domaine) – Haut potentiel d’encrassement – Procédé biologique – Procédé pharmaceutique – Procédé à faible durée de vie 15/09/2022 15 Informations de procédés
• Design de procédés • Informations de procédés • Diagrammes • Heuristiques • Exemple de conception 15/09/2022 16 Cours 3
• Avant les diagrammes -> bilans de masse et d’énergie • Premiers calculs = conditions “moyennes” • Ensuite - été/hiver, débits moyens/de pointe • Données extraites de cas divers • Choix des logiciels (Excel, Aspen, Hysys, WinGEMS, etc.) • Ensuite, schéma-blocs • Boîtes connectés par lignes • Chaque boîte peut comporter plusieurs équipements • Principaux débits indiqués 15/09/2022 17 Diagrammes
Diagramme d’écoulement des procédés (ou PFD) : • Le diagramme met en avant les flux de matière (entrants et sortants) • Une boîte est utilisée pour toutes les opérations majeures • Toutes les conditions importantes doivent figurer sur le diagramme 15/09/2022 18 Diagrammes
2022-09-15 19 Diagrammes (PFD – incomplet) Synthèse de méthanol (Coogee)
• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) • Toutes les valves, tuyaux, principales boucles de commande, lignes occasionnelles • Identification de toutes les lignes et des équipements • Exemple : ligne 10-CWR-10204-10”-C2A • Secteur 10 • CWR : cooling water return • 10204 : identification unique pour la ligne • 10” : Diamètre du tuyau • Spécification matérielle 15/09/2022 20 Diagrammes
• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) (suite) • Écoulement de gauche vers la droite • Flèches de continuation indiquant autres dessins • Numéro de ligne indiqué immédiatement à côté de flèche de continuation • Raccordement d’équipement majeur indiqué • Lignes principales plus épaisses • Typiquement, émis ~5 fois durant un projet avec buts spécifiques • Plusieurs révisions avant installation, démarrage et operation. Statique par la suite. 15/09/2022 21 Diagrammes
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24 Chemical Engineering Process Design and Economics: a practical guide Second Edition, Table 3.2
• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) (suite) • Tableau incluant les numéros de ligne et les numéros d’instruments annexé à chaque P&ID • Légende(s) • Bloc de titre : • Nom de la compagnie • No. de dessin ET no. de révision • Titre du dessin • Pas d’échelle 15/09/2022 25 Diagrammes
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• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) (suite) • Utilisé pour communiquer aux autres génies : • Civil Lignes souterraines Poids des équipements Endiguements Drains • Électrique Puissances “Enclosures” (armoires) Lignes électriques 15/09/2022 27 Diagrammes
• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) (suite) • Instrumentation et commande • No. des instruments • Exigences de localisation, dimensions critiques • Boucles et “interlocks” • Exigences pour vannes de commande et vannes manuelles 15/09/2022 28 Diagrammes
2022-09-15 29 Diagrammes (Instrumentation)
• Piping and instrumentation diagrams (P&ID) (suite) • Mécanique et protection d’incendie • Items spéciaux • Trappes de vapeur • Services utilitaires • Information sur équipements • Tuyauterie • Dimensions • Raccords 15/09/2022 30 Diagrammes
PTW: Appendix E, p. 966 Préparation des flux pour le procédé : • Les matières premières doivent être mises à la bonne température/bonne phase pour alimenter le procédé • Évaluer les effets des impuretés • Les impuretés pouvant empoisonner les catalyseurs doivent être retirées autant que possible • Si un flux contient des éléments de produit final, il faut étudier la possibilité les séparer afin de les récupérer • Si un flux contient trop d’impuretés, il faut étudier la possibilité d’enlever ce flux Toutes les heuristiques contiennent des exceptions… et leur contraire! 15/09/2022 32 Heuristiques de conception L? S? = forme du fluide et son effet? réaction secondaire indésirable
• Toutes les réactions sont contrôlées par l’équilibre et la cinétique • La conversion n’est ainsi jamais 100% • Recirculation • Toujours considérer la recirculation lorsque une substance utile sort du procédé (e.g. matière première, produit intermédiaire) • Les mélanges recyclés ne doivent pas être séparés • Il y a toujours un optimal purge/ratio de recirculation • Il est toujours plus simple de recirculer un liquide qu’un gaz 15/09/2022 33 Heuristiques de conception il y aura tjrs des produits secondaires, réactifs non réagis limiter effort de séparation, on va investir dans la séparation à un seul endroit
• Prétraitement • Des informations nécessaires sont : • La pureté • La température • La pression • Réacteurs • Les informations nécessaires pour les réacteurs sont : Le type de réacteur La phase de réaction Les températures/pressions d’opération Le temps de séjour Limité par équilibre ou cinétique ? Exo- ou endothermique ? La présence ou non d’un catalyseur Sélectivité ? Conversion ? Contraintes SST ? Explosions ? 15/09/2022 34 Heuristiques de conception état de la matière à l'entrée pr a ce qui est requis ds procédé influence volume et quantité distribution de temps de résidence mélange graduel réactif non réagi endroit ou stagne, mélange pas bien
• Séparation 15/09/2022 35 Heuristiques de conception
• Séparation (suite) • Séparation de liquides • Distillation = premier choix pour séparations de liquides quand la pureté de plusieurs produits est en cause • Si points d’ébullition sont rapprochés, ou si ΔH trop élévés, éviter distillation • Extraction liquide-liquide à envisager • Séparation de gaz • Adsorption • Absorption • Condensation • Pressure swing vs. cryogenique • Membranes 15/09/2022 36 Heuristiques de conception ou formation d'un azéotrope (eau et éthanol, par exemple) condenser de l'eau sans atteindre le point de rosée
• Séparation (suite) • Séparation de solides • Cristallisation • Évaporation • Centrifugation • Filtration • Criblage (“screening”) • Décantation • Osmose inverse • Lixiviation 15/09/2022 37 Heuristiques de conception diff de densité suffisante
• Quelques recommandations quant à la séquence des unités de séparation • Séparer le produit le plus abondant en premier (réduit la taille des unités subséquentes) • En distillation, retirer le produit au ΔH de vaporisation le plus élevé en premier, pour réduire les besoins énergétiques des opérations subséquentes • Ne pas recombiner des courants séparés… • Faire les séparations les plus faciles en premier, ou au moins celles impliquant des matériaux dangereux ou corrosifs • Ne pas “sur-purifier”, au-delà des spécifications nécessaires 15/09/2022 38 Heuristiques de conception EXAM!!!! moins de volume à gérer = moins de choses pour après comme ca on pompe pas de l'É dans le sys É injecté pour contrer l'entropie puis après on les mets..... gaspillage énergétique éviter de gaspiller des ressources et de l'É pr se simplifier le travail, réduire la taille des unités autant que possible ensuite revêtement sur les unités pour éviter des étincellements lorsque des trucs dangereux ($$$), pour pas voir à les gérer tout au long du procédé peuvent causer des problèmes pour la suite des séparations
• Échangeurs • Les refroidissements allant jusqu’à 20°C sont effectués par de l’eau de refroidissement • La réfrigération est utilisée pour des température plus faibles • Le chauffage à partir de 400°C est effectué par une combustion • Il existe des méthodes pour déterminer l’optimum d’échange de la chaleur entre les courants chauds et froids 15/09/2022 39 Heuristiques de conception on maintient un delta T min de 15 degré dans l'échangeur, en bas de ca on utilise la réfrigération (on peut pas utiliser l'eau de refroidissement) ou plus, on utilise plus de la vapeur surchauffée (pincement thermique)
Heuristique 1 : Matières premières et réactions chimiques Sélectionner les matières premières ou les réactions chimiques pour éviter le stockage de produits dangereux. Exemple : Production d’éthylène glycol (EG) 15/09/2022 40 Heuristiques de conception C2H4 + O2 → CH2 - CH2 1 - 2 O (R.1) CH2 - CH2 + H2O → CH2 - CH2 O OH OH (R.2) pas bsn de retenir les # très réactif probablement réactions parasites entre réservoir tampon acheminé à un 2e réacteur = stockage de matières dangereuses, suffisamment pour alimenter le 2e réacteur
Exemple : Production EG (suite) • Réactions fortement exothermiques • Un déversement d'eau dans un réservoir de stockage de l'oxyde d'éthylène pourrait conduire à un accident similaire à l'incident de Bhopal (Déc 1984; 3787 morts immédiates, 8000 après deux semaines; 8000 autres à long terme). • Souvent, ces procédés sont conçus avec deux étapes de réaction, contenant un stockage intermédiaire, afin de permettre une production continue 15/09/2022 41 Heuristiques de conception avec de l'eau, donc moindre fuite = eau atmosphérique = explosion
Exemple : Production EG (suite) • Alternative 1 : Utiliser le chlore et la soude caustique dans une seule réaction pour éviter les intermédiaires • Alternative 2 : Lorsque l'éthylène-oxyde est formé, il peut réagir avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate d'éthylène (un produit intermédiaire beaucoup moins actif), il sera alors stocké en sécurité et hydrolysé, pour former de l'éthylène glycol. 15/09/2022 42 Heuristiques de conception (R.3) OH OH CH2=CH2 + Cl2 + 2NaOH(aq) → CH2CH2 + 2NaCl (R.4) CH2 - CH2 + CO2 → O O O C CH2 CH2 O CO2 va comme l'inerter réaction totalement alternative
Heuristique 2 : Distribution chimique Utiliser un réactif en excès pour s’assurer que le réactif dangereux soit complètement réagi. Exemple : Éthylène pour la production de dichloroéthane (DCE) 15/09/2022 43 Heuristiques de conception
15/09/2022 44 Production de DCe éthylène = combustible mais gérable, chlore = dans l'environnement tue les gens, donc chlore consommer au max pour pas avoir de fuite = excès important d'éthylène pour s'assurer que le chlore a réagi au max réactif en excès = $$ = le récupérer donc on introduit la nécessité d'une séparation supp pour recycler le réactif
Heuristique 3 : Distribution chimique (suite) Lorsque des produits purs sont nécessaires, il faut éliminer les espèces supplémentaires (avant les réactions chimiques) • si les séparations sont faciles à réaliser, ou • le catalyseur est affecté par l’impureté • ne pas faire lorsque la réaction est exothermique et qu’il faut évacuer de la chaleur 15/09/2022 45 Heuristiques de conception désiré rx parasitaire qui consomme A et produit + E mais A nécessaire pour F, et E on vit avec ok mais la accentuer si rx catalytique et C,D peuvent empoisonner ou inactiver catalyseur, il faut séparer si affecte pas catalyseur, et rx indésirable est exothermique = on peut tolérer impuretés (utiliser comme puit thermique qui peut retenir une partie de la chaleur (comme diluant) peut être utile) présente un peu? ok pas grave (bilan de masse pour voir s'il y a vraiment un impact)
(suite) 15/09/2022 46 Heuristiques de conception Besoin de décider si l’on enlève l’inerte au début de la réaction … ou après la réaction La facilité et les coûts de séparation doivent être évalués -> examinant les propriétés physiques sur lesquelles sont basées les séparations -> implique l’utilisation de la simulation inerte = ne contribue pas au sys si E = molé désiré, et une impureté nuit et l'autre est utile = séparation = impureté agis à titre d'inerte (D)
Heuristique 4 : Distribution chimique (suite) Ajouter une purge de liquide ou de vapeur des espèces qui : • Entrent comme impuretés dans l’alimentation • Sont produites par des réactions secondaires irréversibles Lorsque ces espèces sont en quantités infimes et/ou sont difficiles à séparer des autres produits Exemple : Synthèse de NH3 15/09/2022 47 Heuristiques de conception Contraintes économiques $$$ purge: retirer de manière indirecte les impuretés sans séparation nécessaire Désavantages: perte de produits et de réactifs, impact environnemental (envoyer à torche = oxydation) séparation pas le choix de recirculer pour récupérer azote et H, pas le choix de purger sinon s'accumule dans le procédé car participe pas au procédé. Purge qui permet de ne pas accumuler mais on se débarasse d'H pour éviter explosion.
Heuristique 5 : Distribution chimique (suite) Ne pas purger des éléments coûteux ou des éléments toxiques, même s’ils sont en petites quantités • Ajouter un séparateur pour récupérer les matières de valeur • Ajouter un réacteur pour éliminer les substances toxiques Exemple : convertisseur catalytique dans un pot d’échappement 15/09/2022 48 Heuristiques de conception toxique = pas de purge, on fait conversion ou rx catalytique combustion: co2 et h2o permet de convertir tout en azote, O, h2o et n2 (ca c'est si une combustion ne permet pas de régler le prob) si purge: jeter atmosphère? sécuritaire mais si combustible, non, on va devoir faire une combustion avant
Heuristique 6 : Distribution chimique (suite) Pour les réactions en série ou en parallèle, il faut ajuster T et P pour obtenir le maximum de produit désiré. • Dans la distribution initiale des produits, on suppose que ces conditions peuvent être obtenues • Obtenir des données cinétiques et vérifier cette hypothèse avant de développer une conception du procédé Exemple : Fabrication de chlorure d’allyle 15/09/2022 49 Heuristiques de conception désiré d'autres rx selon la T et P chlore si en excès
Exemple : fabrication de chlorure d’allyle (suite) 15/09/2022 50 Heuristiques de conception Données cinétiques
Exemple : fabrication de chlorure d’allyle (suite) 15/09/2022 51 Heuristiques de conception -1.6 -1.2 -0.8 -0.4 9.60E-04 9.70E-04 9.80E-04 9.90E-04 1.00E-03 1.01E-03 1.02E-03 1/T (980<T<1042 deg R) ln(k) ln(k1) ln(k2) ln(k3) une zone ou la réaction est favorisée = la plus rapide = la ou les 3 se touchent, faire mm chose avec P
Heuristique 7 : Distribution chimique (suite) Pour les réactions réversibles, séparer les produits pour forcer l’équilibre des réactions vers la droite. Exemple : Production d’acétate de méthyle par distillation réactive Réaction conventionnelle : MeOH + HOAc MeOAc + H2O Suivi d’une séparation 15/09/2022 52 Heuristiques de conception ← → on limite la réaction inverse et on augmente la production du produit d'intérêt en forcant la rx vers la droite, en enlevant de l'eau ou utiliser un absorbant qui aime l'eau mais pas les autres séparation facile car T ébullition (?) différents
Exemple : Production d’acétate de méthyle par distillation réactive (suite) Production par distillation réactive pour augmenter la production de MeOAc 15/09/2022 53 Heuristiques de conception Reaction zone MeOAc HOAc MeOH H2O
Heuristique 8 : Séparation La séparation liquide-liquide, la désorption, la distillation ou autres sont des opérations similaires (la technique est différente) 15/09/2022 54 Heuristiques de conception Choisir un système de distillation ou autre
Heuristique 8 : Séparation (suite) 1- Retirer les substances corrosives – Pour éviter les matériaux de construction coûteux 2- Séparer les fractions lourdes au début, surtout si des solides sont présents – Pas de système à plateau qui pourrait retirer les solides 3- Séparer les non-condensables par refroidissement (cryogénique). Seulement si nécessaire. Imagination requise! 4- Séparer les composantes plus difficiles à la fin 5- Produit désiré dans le distillat – Minimise les résidus/impuretés dans le produit 6- Enlever les composantes en excès au début – Diminution de la taille des équipements 15/09/2022 55 Heuristiques de conception on a pas à trainer de S (qui peuvent générer des agglomérats, par exemple, limite par la suite, plsrs opérations pas bien gérable avec S = encrassement par exemple) refroidir le sys, co2 sort et argon reste, ne se liquéifie pas, ainsi on sépare pr réduire taille des installations, et pourrait être énergivore produit désiré va dans le distillat car en bas, rebouilleur: toute la chaleur du sys, si produit sensible à chaleur, on veut pas l'envoyer en bas, former des produits de dégradation nocifs (SI POSSIBLE)
15/09/2022 56 Heuristiques de conception Après une condensation partielle, utiliser la distillation cryogénique, l’absorption, la séparation membranaire, etc. Après une distillation, utiliser la distillation renforcée, des tours d’extraction liquide- liquide, etc. Refroidir les produits du réacteur séparation 1e séparation: séparer non condensable des condensables à basse T T encore + bas
Heuristique 9 : Séparation (suite) Séparer les mélanges gazeux à l’aide de condenseurs partiels, de distillation cryogénique, de tours d’absorption, etc. 15/09/2022 57 Heuristiques de conception
Heuristique 10 : Transfert de chaleur Pour éviter que la chaleur de réaction n’augmente la température de façon significative, l’usage d’inertes pour diluer les réactif permet de contrôler la température. -> Cependant cette technique affecte la distribution chimique -> Contraintes sur équipement… 15/09/2022 58 Heuristiques de conception gérer la T pr éviter emportement (SST), économique, (préchauffer), donner ou extraire de la chaleur si rx endo ou exo c'est pas tout les équipements qui peuvent opérer sur les mm T (résistance)
15/09/2022 59 Heuristiques de conception Excès de réactif Jet de réactif Diluant inerte exemple de l'éthylène et du chlore, réactif en excès sera utiliser comme diluant pour prendre chaleur (puit thermique) au lieu d'un réactif, on envoie un diluant comme puit thermique (désavantage: faut le séparer ET on a une cinétique de rx + faible, on ralentit cinétique, on ralentit probabilité de cohésion entre A et B, pr une bonne rx A et B doivent se voir mais diluant se met un peu entre eux) reactif froid injecté dans une partie de la rx et un tier du réactif B et ensuite une partie du réactif froid réinjecté dans une rx exo, donc T veut augmenter mais en mm temps B doit monter à la T de rx
15/09/2022 60 Heuristiques de conception
15/09/2022 61 Heuristiques de conception Before optimization – φ = [0.100, 0.100]T After optimization – φ = [0.277, 0.240]T rx exo
Heuristique 11 : Transfert de chaleur (suite) Pour des réactions moins exothermiques, les options sont: 1. circuler le fluide du réacteur dans un échangeur externe, 2. utiliser une chemise de refroidissement, 3. utiliser un refroidissement interne (tubulaire), 4. ou utiliser des échangeurs intermédiaires 15/09/2022 62 Heuristiques de conception ??? Qu’est-ce que signifie “moins exothermique” ??? Avant était très exo dégage de l'É mais n'amène pas à un emportement (explosion), ne l'amènera pas à sa limite matérielle Si max = 600, moins exo va aller jusqu'à 400 alors que très exo peut aller jusqu'à 800 en surface (s'assurer que ca chauffe pas trop à l'intérieur)
Exemple : convertisseur de NH3 15/09/2022 63 Heuristiques de conception gaz réactifs eux-mm assure un refroidissement des réacteurs tubes avec catalyseur
Heuristique 12 : Pompage et condensation Pour augmenter la pression d’un courant, il est préférable de pomper un liquide que de comprimer un gaz. -> condenser la vapeur pour ensuite la pomper 15/09/2022 64 Heuristiques de conception ∫ = 2 1 P P dP V W   Le travail fournis par la pompe ou le compresseur est donné par : Il est beaucoup plus efficace de condenser une substance et de la pomper plutôt que de la compresser. Exception: Si la condensation requiert de la réfrigération. pr un gaz = compresseur = pas efficace on condense la vapeur pour ensuite la pomper (+ efficace, sauf si condensation requiert de la réfrigération = bilan économique) pr liquide = pompe :) liquide pomper et le chauffer pour faire devenir G ou l'évaporer (fournir de la chaleur au sys) et ensuite utiliser un compresseur (requiert BCP plus de puissance, économise UN PEU plus de chaleur)
Heuristique 12 : Pompage et condensation (suite) Exemple – préparation d’un courant d’éthylbenzène L’éthyl benzene est soutiré à un débit de 100,000 lb/h du stockage à 25 °C et 1 atm pour être alimenté à un réacteur de styrène à 400°C et 5 atm -> Proposer deux option pour arriver aux bonnes conditions de pression et de température 15/09/2022 65 Heuristiques de conception
15/09/2022 66
2022-09-15 67 Heuristiques de conception 1998 aide-mémoire séquence d'opérations, gestion d'É
2022-09-15 68 Heuristiques de conception
Heuristiques de conception
Ressources supplémentaires : Walas, S. M., Chemical Process Equipment – Selection and Design, Butterworths, Stoneham, MA, 1988. Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Second Edition, Prentice- Hall, 2003. Chapter 9 –Utilizing Experience- based Principles to Confirm the Suitability of a Process Design. Happel, J., and D. G. Jordan, Chemical Process Economics, Second Edition, Marcel Dekker, New York, 1975 – Appendix C. Ulrich, G. D., A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics, Wiley, 1984 – Appendix B. Branan, C.R., Rules of Thumb for Chemical Engineers 15/09/2022 85 Heuristiques de conception
Usine de détergents biodégradables (P&T) Production de dodécylbenzènesulfonate de sodium • Opportunité : – Fabrication de détergents à partir d’hydrocarbures intermédiaires • Objectif: 2.5% du marché des détergents – Usine de 15 Mlbs • Conception préliminaire d’une usine de détergents – “To provide management with an investment comparison, the design group has been instructed to proceed first with a preliminary design and an updated cost estimate for a non- biodegradable detergent producing facility similar to ones supplanted by recent biodegradable facilities.” 15/09/2022 87 Exemple de conception variation du prix final (si existe pas = bcp d'argent, pas de compétiteur) 15% à 20% est le prix supp que la taxe verte peut amener
• Revue de la littérature • Majorité des détergents (tensio-actifs; TA) sont non dégradables; alkylbenzènesulfonates • >80 000 isomères différents d’alkylbenzènes entre C10- C15 • Les $ favorisent le dodécène comme molécule de départ • Procédés très semblables, variations du procédé « sodium dodecylbenzene sulfonate » 15/09/2022 88 Exemple de conception
15/09/2022 89 Exemple de conception Recyclage des non réagis – Benzène vaut 1,500$/t – Cancérigène – Aromatique* Ajouts – Catalyseur (AlCl3) -> $ – Oléum, acide sulfurique fumant (H2SO4xSO3) – NaOH Énergie – Réactions exothermiques – Séchage du produit – Distillation Environnement – Rejet d’acide usée – Boue de AlCl3 = nocif pr l'env gestion thermique: chemise refroidissante (rx exo, très exo = non)
15/09/2022 90 Exemple de conception • Phosphate trisodique • Tetrasodium pyrophosphate • Sodium silicate, chloride, sulfide • Carboxymethyl cellulose • … • 115o F max • Benzène en excès • 5-10% wt AlCl3 vs dodécène
• Réactions : • Autres informations tirées de la littérature : • Sulfonation complète si : • Oléum (20% SO3)/dodécylB = 1.25 • Optimisation de l’acide: • 0.244 lb eau/1.25 lb oléum (20% SO3) à la sulfonation • 25% d’excès de NaOH concentré à 20% pour la neutralisation 15/09/2022 91 Exemple de conception 85 – 95% +/- 100% > 95% pas à l'exam: slm savoir quoi extraire pour l'exam
Autres informations pour la base de conception : • 300 jours d’opération par an • Provient généralement du fournisseur de technologie et aussi de vos attentes en tant que client • 90% rendement à l’alkylateur • Provient de ? • Produit: – Sodium dodécyl sulfonate à 85%, 15% sodium sulfate • Contrainte de marché • Contrainte économique • Contrainte environnementale • Contrainte HSE ON CALCULE! et on obtient… 15/09/2022 92 Exemple de conception si on dépasse 300 jours, encrassement? accumulation? rx pourrait être révisée pour opérer plus lgt réaliste? sur quelle base?
15/09/2022 93
On calcule encore : • Rendement de l’alkylation • Rendement du procédé en surfactant • Efficacité du fractionnement 15/09/2022 94 Exemple de conception
Autre exemple (production d’acide nitrique) : 15/09/2022 95 Exemple de conception • Combien de réactions chimiques mènent au produit final (HNO3) • Quelle(s) est (sont) cette (ces) réaction(s)? • Quelle est la concentration d’acide nitrique pauvre (w/w)? • Quelle est la concentration de l’acide produit (w/w)? • Quelle est la conversion de l’ammoniaque dans le procédé?
Lecture recommandée car la matière est complétée : Peters, Timmerhaus & West -> Chapitres 2 à 4 15/09/2022 96 NOTES

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