Fonctionnement de l'unité

En génie chimique et dans les domaines connexes, une opération unitaire est une étape de base d'un processus . Les opérations unitaires impliquent un changement physique ou une transformation chimique telle que la séparation, la cristallisation, l'évaporation, la filtration, la polymérisation, l'isomérisation et d'autres réactions. Par exemple, dans la transformation du lait, les opérations unitaires suivantes sont impliquées : l'homogénéisation , la pasteurisation et le conditionnement . Ces opérations unitaires sont connectées pour créer le processus global. Un processus peut nécessiter de nombreuses opérations unitaires pour obtenir le produit souhaité à partir des matières premières ou des matières premières.

Historiquement, les différentes industries chimiques étaient considérées comme des processus industriels différents et avec des principes différents. Arthur Dehon Little a développé le concept d'« opérations unitaires » pour expliquer les processus de la chimie industrielle en 1916. En 1923, William H. Walker , Warren K. Lewis et William H. McAdams ont écrit le livre The Principles of Chemical Engineering et ont expliqué que la variété des industries chimiques ont des processus qui suivent les mêmes lois physiques. Ils ont résumé ces processus similaires en opérations unitaires. Chaque opération unitaire suit les mêmes lois physiques et peut être utilisée dans toutes les industries chimiques concernées. Par exemple, la même ingénierie est requise pour concevoir un mélangeur pour le napalm ou la bouillie, même si l'utilisation, le marché ou les fabricants sont très différents. Les opérations unitaires constituent les principes fondamentaux du génie chimique.

Les opérations unitaires du génie chimique se composent de cinq classes :

1. Processus d'écoulement de fluides, y compris le transport de fluides , la filtration et la fluidisation de solides .
2. Processus de transfert de chaleur , y compris l'évaporation et l'échange de chaleur .
3. Processus de transfert de masse , y compris l'absorption de gaz , la distillation , l'extraction , l'adsorption et le séchage .
4. Processus thermodynamiques, y compris la liquéfaction des gaz et la réfrigération .
5. Procédés mécaniques, y compris le transport des solides , le concassage et la pulvérisation , ainsi que le criblage et le tamisage .

Les opérations unitaires de génie chimique entrent également dans les catégories suivantes qui impliquent des éléments de plus d'une classe :

• Combinaison ( mélange )
• Séparation (distillation, cristallisation )
• Réaction ( réaction chimique )

De plus, certaines opérations unitaires combinent même ces catégories, comme la distillation réactive et les réacteurs à cuve agitée . Une opération unitaire « pure » est un processus de transport physique, tandis qu'un processus mixte chimique/physique nécessite la modélisation à la fois du transport physique, comme la diffusion, et de la réaction chimique. Cela est généralement nécessaire pour concevoir des réactions catalytiques et est considéré comme une discipline distincte, appelée ingénierie des réactions chimiques .

Les opérations unitaires de génie chimique et les unités de traitement du génie chimique constituent les principes fondamentaux de tous les types d'industries chimiques et constituent la base des conceptions des usines, des usines et des équipements chimiques utilisés.

En général, les opérations unitaires sont conçues en écrivant les bilans de la quantité transportée pour chaque composant élémentaire (qui peut être infinitésimal) sous forme d'équations, et en résolvant les équations pour les paramètres de conception, puis en sélectionnant une solution optimale parmi plusieurs possibles et en concevant l'équipement physique. Par exemple, la distillation dans une colonne à plateaux est analysée en écrivant les bilans de masse pour chaque plateau, où l'équilibre vapeur-liquide et l'efficacité connus, l'égouttage et l'égouttage constituent les flux de masse totaux, avec un sous-flux pour chaque composant. La combinaison d'une pile de ces éléments donne le système d'équations pour l'ensemble de la colonne. Il existe toute une gamme de solutions, car un taux de reflux plus élevé permet d'avoir moins de plateaux, et vice versa. L'ingénieur doit alors trouver la solution optimale en fonction du volume de rétention acceptable, de la hauteur de la colonne et du coût de construction.