OPÉRATIONS UNITAIRES: TYPES ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

Les opérations unitaires sont celles qui impliquent des traitements physiques de la charge afin d'en obtenir le produit souhaité. Toutes ces opérations obéissent aux lois de conservation de la masse et de l'énergie, ainsi qu'à l'élan.

Ces opérations facilitent le transport de la matière première (celle-ci à l'état liquide, solide ou gazeux) vers les réacteurs, ainsi que son chauffage ou son refroidissement. Ils favorisent également la séparation efficace d'un composant spécifique d'un mélange de produits.

Les barrages d'eau sont des exemples d'opérations unitaires

Contrairement aux processus unitaires qui transforment la nature chimique de la matière, les opérations cherchent à modifier sa condition par le gradient d'une de ses propriétés physico-chimiques. Ceci est réalisé en générant un gradient de mouvement de masse, d'énergie ou de quantité.

Non seulement dans l'industrie chimique, il existe d'innombrables exemples de ces opérations, mais aussi en cuisine. Par exemple, fouetter une portion de lait liquide produit de la crème et du lait écrémé.

En revanche, si une solution acide (acide citrique, vinaigre, etc.) est ajoutée à ce même lait, cela provoque la dénaturation de ses protéines, ce qui est un processus (acidulation) et non une opération unitaire.

Types d'opérations unitaires

Opérations de transfert de matière

Les opérations unitaires de ce type transfèrent la masse par un mécanisme de diffusion. En d'autres termes: la matière première est soumise à un système qui génère une variation de la concentration du composant à extraire ou à séparer.

Un exemple pratique envisage l'extraction d'une huile naturelle à partir de certaines graines.

Les huiles étant essentiellement de nature apolaire, elles peuvent être extraites avec un solvant apolaire (tel que le n-hexane), qui baigne les graines mais ne réagit (théoriquement) avec aucun des composants de leur matrice (coquilles et noix.).

Opérations de transfert de chaleur

Ici, la chaleur est transférée du corps qui est plus chaud au corps qui est plus froid. Si la matière première est le corps froid et qu'il est indispensable d'élever sa température pour, par exemple, baisser sa viscosité et faciliter un processus, alors il est mis en contact avec un flux ou une surface chaude.

Cependant, ces opérations vont au-delà d'un "simple" transfert de chaleur, puisque l'énergie peut également être transformée en l'une de ses manifestations (lumière, vent, mécanique, électrique, etc.).

Un exemple de ce qui précède peut être vu dans les centrales hydroélectriques, où les courants d'eau sont utilisés pour produire de l'électricité.

Opérations de transfert de masse et d'énergie simultanément

Dans ce type d'opération, les deux phénomènes précédents se produisent en même temps, transférant la masse (gradient de concentration) à un gradient de température.

Par exemple, si le sucre est dissous dans une casserole d'eau puis que l'eau est chauffée, la cristallisation du sucre se produit lorsqu'il est lentement refroidi.

Ici, un transfert du sucre dissous a lieu vers ses cristaux. Cette opération, appelée cristallisation, permet d'obtenir des produits solides avec un haut degré de pureté.

Un autre exemple est le séchage d'un corps. Si un sel hydraté est soumis à la chaleur, il libèrera l'eau d'hydratation sous forme de vapeur. Ceci produit à nouveau un changement dans la concentration massique de l'eau dans le sel lorsque le sel augmente en température.

Exemples

Distillation

La distillation consiste en la séparation des composants d'un mélange liquide en fonction de leur volatilité ou de leur point d'ébullition. Si A et B sont miscibles et forment une solution homogène, mais A bout à 50 ° C et B à 130 ° C, alors A peut être distillé du mélange par simple distillation.

L'image ci-dessus représente une configuration typique d'une distillation simple. A l'échelle industrielle, les colonnes de distillation sont beaucoup plus grandes et présentent d'autres caractéristiques, qui permettent la séparation de composés avec des points d'ébullition très proches (distillation fractionnée).

A et B se trouvent dans la bouteille de distillation (2), qui est chauffée dans un bain d'huile (14) par la plaque chauffante (13). Le bain d'huile garantit un chauffage plus homogène sur tout le corps du ballon.

Au fur et à mesure que le mélange augmente sa température autour de 50 ° C, les vapeurs de A s'échappent et génèrent une lecture sur le thermomètre (3).

Ensuite, les vapeurs chaudes de A pénètrent dans le condenseur (5) où elles sont refroidies et condensées par l'action de l'eau qui circule autour du verre (entre en 6 et sort en 7).

Enfin, le ballon collecteur (8) reçoit le condensé A. Il est entouré d'un bain froid pour éviter d'éventuelles fuites de A dans l'environnement (sauf si A n'est pas très volatil).

Absorption

L'absorption permet de séparer les composants nocifs d'un flux gazeux qui est ensuite rejeté dans l'environnement.

Ceci est accompli en faisant passer les gaz dans une colonne remplie de solvant liquide. Ainsi, le liquide solubilise sélectivement les composants nocifs (tels que SO ₂, CO, NO _x et H ₂ S), laissant le gaz qui en émerge «propre».

Centrifugation

Dans cette opération unitaire, la centrifugeuse (instrument dans l'image du haut) exerce une force centripète qui dépasse des milliers de fois l'accélération de la gravité.

Il en résulte que les particules en suspension se déposent au fond du tube, facilitant la décantation ou l'échantillonnage ultérieur du surnageant.

Si la force centripète ne fonctionnait pas, la gravité séparerait le solide à une vitesse très lente. De plus, toutes les particules n'ont pas le même poids, la même taille ou la même surface, de sorte qu'elles ne se déposent pas en une seule masse solide au fond du tube.

Tamisage

Comme l'absorption, l'adsorption est utile dans la purification des courants liquides et solides. Cependant, la différence est que les impuretés ne pénètrent pas dans le matériau adsorbant, qui est un solide (comme le gel de silice bleuâtre dans l'image ci-dessus); au lieu de cela, il colle à sa surface.

De même, la nature chimique du solide est différente de celle des particules qu'il adsorbe (même s'il existe une grande affinité entre les deux). Pour cette raison, l'adsorption et la cristallisation - le cristal adsorbe les particules pour se développer - sont deux opérations unitaires différentes.

Références

1. Fernández G. (24 novembre 2014). Opérations unitaires. Extrait le 24 mai 2018 de: industriaquimica.net
2. Carlos A. Bizama Fica. Opérations de l'unité: Unité 4: Types d'opérations de l'unité.. Récupéré le 24 mai 2018 de: academia.edu
3. Cours: Technologie chimique (organique). Conférence 3: Principes de base des procédés unitaires et des opérations unitaires dans les industries chimiques organiques.. Extrait le 24 mai 2018 de: nptel.ac.in
4. Shymaa Ali Hameed. (2014). Fonctionnement de l'unité.. Extrait le 24 mai 2018 de: ceng.tu.edu.iq
5. RL Earle. (1983). Opérations unitaires dans la transformation des aliments. Extrait le 24 mai 2018 de: nzifst.org.nz
6. Mikulova. (1er mars 2008). Slovnaft - Nouvelle usine de polypropylène.. Extrait le 24 mai 2018 de: commons.wikimedia.org
7. Rockpocket. (13 mars 2012). Thermo centrifugeuse.. Extrait le 24 mai 2018 de: commons.wikimedia.org
8. Mauro Cateb. (2016, 22 octobre). Gel de silice bleu.. Extrait le 24 mai 2018 de: flickr.com