Le génie des procédés a son propre vocabulaire, à la croisée de la chimie, de la thermodynamique et de la mécanique des fluides. Ce lexique du génie des procédés réunit les définitions des notions que l’on rencontre le plus souvent dans l’étude des opérations unitaires, des phénomènes de transfert, des bilans et de la simulation de procédés. Chaque entrée va à l’essentiel : ce que le terme signifie, sur quel principe physique il repose et à quoi il sert dans la conception ou l’analyse d’un procédé.
01Opération unitaire
Étape élémentaire d’un procédé au cours de laquelle la matière subit une transformation principalement physique : distillation, filtration, séchage, évaporation, mélange ou séparation. Le concept, fondateur du génie chimique, permet de décomposer un procédé complexe en briques indépendantes, gouvernées par les mêmes lois de transfert quel que soit le produit traité. Un procédé industriel se lit ainsi comme un enchaînement d’opérations unitaires.
02Distillation
Opération unitaire de séparation d’un mélange liquide en ses constituants en exploitant la différence de volatilité, c’est-à-dire l’écart de température d’ébullition. Par vaporisation partielle puis condensation, le composé le plus volatil s’enrichit dans la phase vapeur. Réalisée dans une colonne à plateaux ou à garnissage, elle repose sur des équilibres liquide-vapeur successifs et constitue l’une des opérations de séparation les plus répandues de l’industrie chimique et pétrolière.
03Absorption gaz-liquide
Opération de séparation dans laquelle un ou plusieurs constituants d’un mélange gazeux sont transférés vers un liquide solvant qui les dissout sélectivement. Le transfert s’effectue à travers l’interface gaz-liquide, souvent au sein d’une colonne à garnissage assurant une grande surface d’échange. On l’emploie notamment pour épurer un gaz, par exemple capter le CO₂ ou le H₂S d’un effluent. L’opération inverse, qui restitue le gaz au solvant, est la désorption (ou stripping).
04Extraction liquide-liquide
Procédé de séparation qui met en contact une solution avec un solvant non miscible afin d’y transférer sélectivement un soluté. La séparation repose sur la différence de solubilité, quantifiée par le coefficient de partage entre les deux phases. Après décantation, on récupère l’extrait, riche en soluté, et le raffinat. C’est une alternative précieuse à la distillation lorsque les composés sont thermosensibles ou trop proches en volatilité.
05Échangeur de chaleur
Appareil qui transfère de l’énergie thermique entre deux fluides à températures différentes, généralement sans qu’ils se mélangent. Le flux de chaleur dépend de la surface d’échange, du coefficient global de transfert et de l’écart de température moyen entre les fluides. Les géométries courantes comprennent l’échangeur à faisceau tubulaire et l’échangeur à plaques. C’est un organe central de la maîtrise énergétique d’un procédé, en chauffage comme en refroidissement.
06Bilan matière
Application du principe de conservation de la masse à un système délimité : la matière entrante égale la matière sortante, augmentée de l’accumulation et corrigée de ce qui est produit ou consommé par réaction. Établi sur un composé, un élément ou la masse totale, il est l’outil de base du dimensionnement : il permet de calculer débits, compositions et rendements en tout point d’un procédé.
07Bilan énergétique (bilan thermique)
Application du premier principe de la thermodynamique à un système : l’énergie qui entre égale l’énergie qui sort, à l’accumulation près, en tenant compte des flux de chaleur, du travail et des enthalpies des courants de matière. Il quantifie les besoins de chauffage et de refroidissement, la puissance des utilités et les pertes. Couplé au bilan matière, il conditionne le dimensionnement des échangeurs, rebouilleurs et condenseurs.
08Réacteur chimique
Appareil au sein duquel s’opère une transformation chimique dans des conditions contrôlées de température, de pression et de concentration. Son étude relève du génie de la réaction chimique et combine cinétique, thermodynamique et phénomènes de transfert. On distingue notamment le réacteur discontinu (batch), le réacteur parfaitement agité continu et le réacteur tubulaire (piston), dont les modèles idéaux servent de références pour le dimensionnement.
09Cinétique chimique
Étude de la vitesse des réactions chimiques et des facteurs qui l’influencent : concentrations des réactifs, température et présence d’un catalyseur. La loi de vitesse relie la vitesse de réaction aux concentrations selon un ordre donné, tandis que la dépendance en température se décrit par la loi d’Arrhenius. En génie des procédés, elle est indispensable au dimensionnement des réacteurs, car elle fixe le temps de séjour nécessaire pour atteindre la conversion visée.
10Transfert de matière
Déplacement d’une espèce chimique d’une région ou d’une phase vers une autre, sous l’effet d’un gradient de concentration. Il combine la diffusion moléculaire, décrite par la loi de Fick, et la convection portée par l’écoulement du fluide. Le flux transféré est proportionnel à un coefficient de transfert et à la surface d’échange. C’est le phénomène gouvernant les opérations de séparation comme l’absorption, l’extraction ou la distillation.
11Transfert thermique
Échange d’énergie sous forme de chaleur entre deux corps ou milieux à températures différentes. Il se produit selon trois modes : la conduction, régie par la loi de Fourier, la convection entre un solide et un fluide en mouvement, et le rayonnement électromagnétique. La quantification de ces flux conditionne le dimensionnement des échangeurs, des fours et de tout appareil où la thermique gouverne le procédé.
12Perte de charge
Diminution de pression que subit un fluide en écoulement en raison des frottements contre les parois (pertes régulières) et des accidents de parcours tels que coudes, vannes ou rétrécissements (pertes singulières). Elle croît avec la vitesse, la longueur et la rugosité, et se relie au régime d’écoulement via un coefficient de frottement. Son évaluation est essentielle pour dimensionner les pompes, les compresseurs et les réseaux de tuyauteries.
13Nombre de Reynolds
Nombre adimensionnel qui compare les forces d’inertie aux forces de viscosité au sein d’un écoulement. Il permet de caractériser le régime d’écoulement d’un fluide : laminaire aux faibles valeurs, turbulent au-delà d’un seuil, avec une zone de transition intermédiaire. Fondamental en mécanique des fluides, il intervient dans le calcul des pertes de charge et des coefficients de transfert de chaleur et de matière.
14Cristallisation
Opération unitaire de séparation et de purification par laquelle un soluté passe de l’état dissous à l’état de cristaux solides, ordonnés et de composition définie. Le procédé se déclenche par sursaturation, obtenue en refroidissant la solution ou en évaporant le solvant, puis se poursuit par nucléation et croissance des cristaux. Très employée en chimie fine, en pharmacie et dans l’agroalimentaire, elle offre des produits d’une grande pureté.
15Séchage industriel
Opération unitaire qui élimine par évaporation l’eau ou un solvant contenu dans un solide, une pâte ou une solution, afin de le stabiliser, de le conditionner ou de réduire sa masse. Elle couple un transfert de chaleur, qui fournit l’énergie de vaporisation, et un transfert de matière, qui évacue l’humidité vers l’air. Les technologies vont du sécheur à bande à l’atomiseur (spray-dryer) et au lyophilisateur, selon la sensibilité du produit.
16Évaporation
Opération unitaire visant à concentrer une solution en éliminant une partie du solvant, le plus souvent l’eau, par apport de chaleur jusqu’à ébullition. Elle se distingue du séchage en ce que le produit reste liquide et fluide en fin d’opération. Pour économiser l’énergie, on l’exploite fréquemment en évaporateurs à multiples effets, où la vapeur produite par un effet chauffe l’effet suivant, opérant à pression décroissante.
17Simulation de procédés (Aspen Plus / ProSim)
Modélisation numérique d’un procédé au moyen d’un logiciel qui résout, unité par unité, les bilans matière et énergie ainsi que les équilibres thermodynamiques. Des outils comme Aspen Plus ou ProSim permettent de dimensionner les équipements, de prédire compositions et températures, d’optimiser les conditions opératoires et d’explorer des scénarios sans essais sur pilote. La qualité des résultats dépend directement du choix du modèle thermodynamique et de la fiabilité des données.
18Diagramme de McCabe-Thiele
Méthode graphique de dimensionnement d’une colonne de distillation d’un mélange binaire. Sur un diagramme reliant les fractions molaires en phases vapeur et liquide, on trace la courbe d’équilibre et les droites opératoires des zones de rectification et d’épuisement, puis on construit des marches d’escalier entre elles. Le nombre de marches donne le nombre d’étages théoriques nécessaires. C’est un outil pédagogique qui relie visuellement taux de reflux et hauteur de colonne.
19Analyse pincement (pinch analysis)
Méthode d’optimisation énergétique d’un procédé qui identifie le meilleur schéma d’intégration thermique entre les courants à chauffer et à refroidir. En construisant les courbes composites des besoins de chaud et de froid, on détermine le point de pincement, resserrement où l’écart de température est minimal, et l’on en déduit les besoins minimaux en utilités. Elle guide la conception des réseaux d’échangeurs afin de maximiser la récupération de chaleur.
20Reflux (taux de reflux)
En distillation, fraction du distillat condensé qui est renvoyée en tête de colonne au lieu d’être soutirée. Le taux de reflux, rapport du débit renvoyé au débit de produit prélevé, est un paramètre clé de fonctionnement : l’augmenter améliore la pureté de la séparation mais accroît la consommation énergétique et le diamètre requis de la colonne. Le dimensionnement recherche un compromis entre nombre d’étages et taux de reflux, entre coût d’investissement et coût de fonctionnement.
