Choix des méthodes de séparation
Les courants sortant du réacteur sont maintenant connus. Il reste à les séparer. La notion de séparation se décline selon quatre objectifs [ Tondeur, 1993[1]] :
L'extraction, qui consiste à séparer une substance de son milieu d'origine et la transférer dans un autre milieu ;
La concentration, qui consiste à augmenter la proportion d'une substance dans un milieu ;
La purification, qui consiste à éliminer les substances non souhaitées d'un milieu pour n'en conserver que la substance voulue ;
Le fractionnement, qui consiste à séparer plusieurs substances présentes dans un mélange.
Le Tableau suivant propose divers exemples de séparations dans de multiples branches industrielles.
Branche industrielle | Extraction ou Dissolution d'une matrice solide | Concentration de Solutions diluées | Purification | Fractionnement |
|---|---|---|---|---|
Chimie | Extraction de colorants naturels | Production de sil par évaporation d'eau de mer | Production d'alcool pur par distillation | Cristallisation fractionnée des xylènes |
Combustibles | Récupération assistée du pétrole-Schistes bitumineux | Récupération des phénols de gaz de cokerie | Élimination de soufre dans le gaz naturel | Raffinage du pétrole |
Plastiques | Extraction des monomères après polymérisation | Évaporation des solvants | Préparations des monomères | Séparation des polymères par masse moléculaire |
Nucléaire | Dissolution des barreaux de combustibles | Concentration de radionucléides par échange d'ions | Préparations d'Uranium métal | Enrichissement isotopique |
Métallurgie Minéralurgie | Attaque de la bauxite par la soude | Concentration des bains de traitement de surface | Raffinage électrolytique de l'argent | Séparation des platinoïdes |
Engrais | Séparation des phosphates de la gangue | Concentration de l'acide phosphorique | Élimination de métaux dans l'acide phosphorique | Séparation de Na et K de la sylvinite |
Alimentaire | Extraction du café, du thé | Concentration des jus de fruits | Raffinage du sucre | Fractionnement du glucose/fructose |
Pharmaceutique Médical | Extraction de métabolites des cellules | Ultrafiltration de jus de fermentation | Dialyse rénale | Électrophorèse des protéines |
Papier | Dissolution de la ligno-cellulose | Concentration des liqueurs noires | Dépollution des effluents | Fractionnement des dérivées cellulosiques |
Microélectronique | Attaque acide pour circuits imprimés | Récupération de métaux dissous | Fusion de zone du silicium | Fractionnement des chloro-silanes |
Anti-pollution Eau-Air | Lessivage des sols | Bassins de décantation | Production d'eau pure par adsorption | Séparation d'azote et d'oxygène |
Il faut commencer par identifier les phases des différents courants provenant du réacteur et ensuite répondre aux questions suivantes :
A t-on besoin de moyens de séparation de gaz ? de liquides ? des deux ? Ceci permet de définir la structure générale du système ;
Dans le cas de séparation de gaz : où doit être placée la séparation, sur la purge (constituant à forte valeur ?), le recyclage (certains constituants néfastes à la réaction ?), en amont des deux ? Quel type ?
Dans le cas de séparation de liquides : Quelles séparations peuvent être faites par distillation ? Quel doit être l'ordre des colonnes à employer ? Comment faire les séparations si la distillation n'est pas faisable ?
Le choix du système de séparation de gaz sera fonction de la présence de condensables et/ou d'incondensables (considérés comme tels lorsqu'ils ne sont pas condensés après refroidissement dans les 30°C environ selon [ Douglas, 1988[2]]). Les moyens de séparation disponibles sont la condensation, l'adsorption, l'absorption, les séparations membranaires. Dans le cas de la séparation de liquides, si une distillation est réalisable, on séparera les produits par ordre de volatilité décroissante. Si une distillation simple n'est pas réalisable, on pourra envisager une distillation réactive, une extraction, une cristallisation...
Après avoir choisi toutes les séparations, le schéma de blocs est figé et le flowsheet du procédé bien avancé. Il est alors possible d'écrire les bilans de matière et d'énergie de manière beaucoup plus rigoureuse pour affiner le dimensionnement du réacteur, dimensionner les séparateurs et calculer le nouveau potentiel économique, EP4 :
\(EP_4 = EP_3 - \textrm{Coût annualisé des séparations}\)
Les opérations de séparation occupent une place essentielle dans tous les procédés de fabrication, non seulement par rapport au coût engendré mais également parce que, bien souvent, elles constituent le goulet d'étranglement du procédé.
Exemple :
Reprenons l'exemple du procédé Lurgi. À la sortie du réacteur, le mélange va dans un flash, qui est en fait un séparateur gaz/liquide. Les gaz de synthèse (et impuretés) sortent en haut du séparateur pour être envoyés vers le recyclage et la purge. Le méthanol et l'eau (et autres impuretés) sortent en bas du séparateur pour être envoyés vers la distillation. Les composés
indésirables contenus encore dans le méthanol sont séparés en deux temps par distillation : les impuretés plus volatiles que le méthanol (dimethylether, acétone, ...) sont séparées dans une première colonne, les impuretés moins volatiles que le méthanol (hydrocarbures à chaîne longue C8-C40, cétones, ...) sont emmenées avec l'eau en pied de la dernière colonne.
Remarque :
Dans le cas de la production de spécialités chimiques, la solution issue de la synthèse peut être très diluée (de quelques grammes par litre à quelques μg par litre de solution). Deux étapes sont à considérer : tout d'abord la définition de la séquence de séparation puis le choix des procédés. Les règles suivantes sont généralement adoptées [ Cussler et Moggridge, 2001[3]] :
Concentrer avant de purifier. La concentration d'un produit avant séparation influe sur le prix de vente de ce même produit à tel point que ces deux grandeurs sont bien souvent directement corrélées ;
Séparer d'abord les produits les plus concentrés ;
Faire les séparations difficiles en dernier ;
Extraire rapidement les matières dangereuses ;
Éviter l'addition de nouveaux composés. L'ajout de solvants (extraction), d'adsorbants (purification), de détergents (pour casser des parois cellulaires) est parfois nécessaire . Dans ce cas, il convient d'essayer de les retirer dès que possible ;
Éviter les températures extrêmes, les températures élevées pouvant détériorer les produits et les températures basses coûtant cher.
Si la distillation est la séparation reine dans les produits de base, elle est peu usitée dans le cas de spécialités chimiques. Par contre, on trouve couramment le procédé d'entraînement à la vapeur pour lequel de la vapeur d'eau entraîne un composé d'un mélange liquide, ce « distillat » est ensuite re-condensé et décanté de façon à séparer l'eau du composé (exemple : les huiles essentielles). L'extraction (via l'utilisation d'un solvant ayant une bonne affinité pour le produit d'intérêt), l'adsorption (via l'utilisation d'un adsorbant solide de grande surface développée et de bonne sélectivité vis-à-vis du composé d'intérêt) et la cristallisation et précipitation (par relargage, via un refroidissement de la solution) sont elles aussi très employées. Bien souvent, la cristallisation/précipitation est suivie d'une étape de filtration ou centrifugation puis d'une étape d'évaporation/séchage. Notons que les séparations membranaires sont également très utilisées ainsi que l'électrophorèse.