Vous avez dit «les transferts gaz liquide dans les procédés de l environnement»?
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- Maxime Émond
- il y a 7 ans
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1 Préface Vous avez dit «les transferts gaz liquide dans les procédés de l environnement»? Les industries de procédés et de production d énergie qui vont du pétrole à la pharmacie et à l alimentaire en passant par le papier, les encres, le ciment, le textile, le bitume, la métallurgie, la chimie, l électronique, les bioindustries, la cosmétologie et les détergents, sont en rapide évolution pour ne pas écrire en pleine révolution technologique. Ces industries nécessitent de solides compétences pour le traitement des effluents liquides et gazeux qu elles émettent. C est ainsi que les marchés exigent une adaptation permanente de l offre à la demande et les notions de service au client, de création de valeur pour l actionnaire, de leadership sur les marchés et d acceptation environnementale par le public avec l analyse du cycle de vie du produit mis sur le marché, jouent un rôle de plus en plus stratégique pour ces industries. Elles sont confrontées aujourd hui à un double défi technologique et scientifique : d une part créer (encore) de nouvelles filières pour fabriquer de nouveaux produits via de nouveaux procédés sous contraintes environnementales et sociétales, au plus vite et au meilleur coût. Le défi est celui de la remise en cause de sélection des procédés sur les seuls critères de rendement et de coûts au profit d une approche plus complexe intégrant la sélectivité, l environnement, la sécurité, tout en assurant le profit ; d autre part prendre en compte les défis scientifiques et techniques lancés par ce qu on appelle les industries technologiques de pointe, notamment micro-opto-électroniques et nanotechnologies, tout en maintenant compétitives les technologies plus traditionnelles pour les problèmes classiques et permanents (énergies renouvelables, économies de matières premières et d eau) du cycle infernal matières premières et énergies
2 IV Transferts gaz liquide dans les procédés de traitement des eaux procédés produits effluents et déchets, ces derniers pouvant constituer la matière première du cycle de vie suivant du procédé et du produit. Pour les produits, les défis portent sur l insertion de la parachimie traditionnelle dans une chimie nouvelle de spécialités et de matières actives : c est le cas des industries pharmaceutiques, médicales, cosmétiques ou alimentaires. Ce sont des produits de spécialités à haute ou très haute valeur ajoutée pour lesquels la propriété d usage (forme, couleur, toucher, cohésion, granulométrie, fiabilité, goût, flagrance, esthétique, succulence, propriété sensorielle, mise en émulsion, aptitude à dissolution, etc.) est évaluée le plus souvent directement par le consommateur. La maîtrise de cette propriété d usage dans la conception des procédés et la maîtrise de la qualité des effluents émis par les procédés, son ajustement permanent à la demande et sa vitesse d arrivée sur le marché (facteur procédé/produit/temps) en sont les éléments-clés. Le génie des procédés apporte une aide précieuse pour relever ces doubles défis portant sur les produits et les procédés. Il concerne l ensemble des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires aux transformations physicochimiques et biologiques de la matière première et de l énergie en un produit «formulé» pour une qualité d usage à l adresse du consommateur avec un procédé dont on contrôle très strictement la qualité des effluents. L essence même de cette science de l ingénieur est la conception et la mise en œuvre dans des conditions optimales de procédés industriels qui changent l état, la microstructure ou la composition chimique de la matière par des réactions chimiques, catalytiques, électrochimiques, photochimiques ou biologiques, associées à des techniques de séparations performantes (contacteurs gaz-liquide, absorption, distillation, aération, cristallisation, filtration, séchage, séparation par membranes, opérations mécaniques particulaires et polyphasiques, etc.). Dans l ensemble des industries précitées et concernées par le génie des procédés, les qualités d usage des produits et les qualités acceptables des effluents et des déchets jouent un rôle déterminant. Ainsi les qualités d usage dépendent largement de la structure microscopique des produits (poudres et solides, produits pâteux, émulsions, fluides complexes). Les qualités acceptables des effluents traités dépendent également de la structure microscopique de ces effluents et de la façon de les traiter à cette échelle. Ainsi la complexité des phénomènes rencontrés dans les procédés industriels a conduit les spécialistes de génie des procédés et notamment des procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux à développer une nouvelle approche qui intègre les phénomènes et processus élémentaires simultanés et souvent couplés (approche système intégré) intervenant à différentes échelles d espace (10 16 à 10 4 m) et de temps (10 16 à 10 7 s) de la chaîne de production. Cette approche inclut la modélisation de l hydrodynamique et des phénomènes de transfert de masse, d énergie, de quantité de mouvement couplés
3 Préface V Usine 10 4 m 10 7 s 10 4 Catalyse/Réactions chimiques Réacteur 10 2 Dynamique des fluides et transport Moléculaire Électronique aux processus réactionnels, ces différents phénomènes complexes se situant dans une gamme d échelles allant des échelles nano (processus moléculaires, sites actifs, gènes), micro (particules, bulles, gouttes, tourbillons, micro-organismes, enzymes), méso (réacteurs, échangeurs, colonnes, pompes, séparateurs), jusqu aux échelles macroscopiques pour les unités de production (usines, complexes pétrochimiques) et mégaéchelles (environnement, atmosphères, sols, océans) c est-à-dire par exemple jusqu à des milliers de kilomètres pour la dispersion des émissions dans l atmosphère. Nano Micro Méso Macro Méga procédés moléculaires sites actifs particules gouttes bulles tourbillons réacteurs échangeurs séparateurs pompes unités de production usines environnement atmosphère océans sols La traduction des processus moléculaires en lois phénoménologiques macroscopiques (viscosités, solubilités, conductivité, convection) pour créer et maîtriser par des procédés performants, les propriétés d usage et la fonctionnalité des produits constitue l approche moderne du génie des procédés : c est le génie du triplé «Processus moléculaires, Procédés, Produits» (G3P).
4 VI Transferts gaz liquide dans les procédés de traitement des eaux Ainsi, en plus des paradigmes de base du génie des procédés que sont les opérations unitaires, les phénomènes de transport, les notions de temps de séjour, temps de contact, temps de réaction, solubilités, équilibres gaz liquides, gaz solides, transferts de matière, de chaleur et de quantité de mouvement, c est-à-dire en plus de ce qu on appelle les fondamentaux du génie des procédés (thermodynamique chimique, génie de la séparation, génie de la réaction et catalyse, phénomènes de transport, automatique et contrôle des procédés), cette approche système intégré à différentes échelles de temps et d espace est un atout supplémentaire pour le développement et la réussite de la méthodologie du génie des procédés et notamment des procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux. Portée par la puissance des outils informatiques (la puissance de calcul des ordinateurs double chaque 18 mois), cette nouvelle approche est aujourd hui en plein essor grâce aux énormes avancées en modélisation moléculaire (pour les données thermodynamiques notamment), en instrumentation scientifique (pour le suivi et la détermination des valeurs locales des paramètres caractérisant l hydrodynamique et les transferts), dans les micro et nanotechnologies (nanomélangeurs et nanocapteurs thermiques et massiques) et dans l utilisation des ordinateurs (simulation et modélisation par la mécanique des fluides numérique). C est cette nouvelle approche à l usage des scientifiques et des praticiens confrontés au quotidien avec les aspects industriels qui est aujourd hui à la base de toute avancée dans les filières ou procédés de traitement des effluents liquides et gazeux et même plus généralement dans toutes les industries de procédés. Elle est nécessaire à la fois pour le choix, le dimensionnement et le fonctionnement optimal d un contacteur gaz liquide ou bien pour améliorer utilement les procédés et la production de produits ou d effluents requis par un producteur ou un consommateur devenu de plus en plus exigeant quant à sa propriété d usage ou sa qualité et son devenir environnemental ou bien encore pour la réduction des consommations d énergie et des matières premières (développement durable). Et pour le praticien, qu il soit scientifique, ingénieur, technicien, étudiant, confronté à des problèmes de génie des procédés de l environnement et tout spécialement de transferts gaz-liquide rencontrés dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux où règne encore beaucoup d empirisme pour faire le choix et le dimensionnement afin d estimer les coûts des appareillages et des unités de traitement, il est absolument nécessaire de posséder de bons ouvrages de référence présentant les problèmes et les enjeux, les technologies utilisées et leurs performances, les connaissances scientifiques nécessaires pour une modélisation fine pluri-échelle acquise en vue d une extrapolation conduisant au dimensionnement d installation de taille respectable. Et ces ouvrages doivent présenter bien sûr des résultats d expériences «acquises sur le tas» avec des équipements et installations rencontrés dans l industrie.
5 Préface VII Le présent ouvrage, qui s appuie à la fois sur les compétences d universitaires et d ingénieurs confrontés au quotidien avec la pratique industrielle est un ouvrage de référence. En effet, son objectif clair est de donner pour un grand nombre d opérations de traitement d effluents gazeux et liquides : les bases scientifiques nécessaires (équilibres thermodynamiques, mécanique des fluides, transfert de masse et de chaleur, cinétiques chimiques et biologiques) pour comprendre les phénomènes mis en jeu à différentes échelles ; les outils de raisonnement et de calcul (bilans, nombres sans dimension, modélisation, simulation, extrapolation, outils de contrôle et de commande) ; de nombreux exemples d applications industrielles (actuelles et à venir). L aspect théorique réduit au minimum indispensable mais exhaustif pour une compréhension moderne des transferts gaz liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux avec son approche multi-échelle de temps et d espace et les aspects technologiques et pratiques volontairement privilégiés font ce de livre le vade-mecum français indispensable à la fois pour les scientifiques, ingénieurs et étudiants travaillant sur la conception et l exploitation non seulement des procédés de l environnement, mais de tous les procédés mettant en œuvre les délicats contacteurs polyphasiques. Un grand bravo au professeur Michel ROUSTAN et à tous ses collègues universitaires et industriels pour la publication de ce vademecum sur les transferts gaz-liquide dans les procédés de l environnement. Jean-Claude CHARPENTIER Directeur de l École supérieure de chimie physique électronique de Lyon/CNRS Président de la Fédération européenne de génie des procédés
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