Phénomènes de transfert en génie des procédés
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1. Lavoisier La photocopie non autoris e est un d lit Avant propos Dans son histoire l homme a appris transformer et perfectionner les ali ments mat riaux produits qu il trouvait dans son environnement Ces activit s l origine tr s artisanales se sont en permanence d velopp es et ont donn nais sance plusieurs branches de l industrie actuelle l agroalimentaire la produc tion de mat riaux la pharmacie et la chimie pour ne citer que les plus importantes Pour l essentiel les transformations que cette premi re cat gorie de secteurs industriels fait subir la mati re sont de natures physique par exemple solidifier de l eau pour fabriquer de la glace chimique par exemple r duire l oxyde de fer en fer dans un haut fourneau ou biochimique par exemple organiser la fermen tation de jus de raisin pour fabriquer du vin La sp cialit scientifique qui con oit fait fabriquer puis exploite les appareils unit s de production et usines n cessaires pour r aliser toutes ces op rations industrielles s appelle le g nie des proc d s avec diverses sous sp cialit s le g nie chimique le g nie agroalimentaire le g nie biochimique le g nie de l laboration de mat riaux etc Fabriquer un produit nouveau mat riau m dicament aliment engrais pein ture etc demande g n ralement de mettre en uvre une s rie plus ou moins complexe d op rations diff ren2. abord pour familia riser le lecteur avec l utilisation des lois des ph nom nes de transfert ce qui constitue notre but principal mais ensuite pour lui fournir un premier ensemble d informations sur l organisation du g nie des proc d s et les proc dures et tech niques principales que cette sp cialit utilise ensemble qu il enrichira progressi vement tout au long de son apprentissage Un mot pour terminer sur le mode d emploi que nous sugg rons Le plan que nous avons adopt qui s pare l expos des lois et le d veloppe ment des exemples d utilisation ne permet pas toujours de percevoir parfaite ment le lien entre les deux parties de ce livre nous devons ajouter que certaines applications de la seconde partie exploitent simultan ment des m thodes ou quations tir es de plusieurs chapitres diff rents de la premi re partie C est pour att nuer cet inconv nient que nous avons d cid de terminer chaque chapitre de la premi re partie par un paragraphe intitul propos des applications qui renvoie aux chapitres pertinents de la seconde partie puis de commencer chaque chapitre de la seconde partie par un paragraphe intitul Position du probl me et cadre th orique qui indique quelles m thodes lois ou quations de la premi re partie vont tre utilis es et rappelle dans quels cha pitres elles ont t pr sent es Ce double quadrillage devrait permettre aux lecteurs d organise
3. ces deux modes de production industrielle seront fournies tout au long de ce livre et en particulier dans les chapitres 18 et 19 IV Ph nom nes de transfert en g nie des proc d s nombre de dispositifs dont le r le est de modifier la temp rature des courants Le sp cialiste de g nie des proc d s doit correctement ma triser les lois des trans ferts de chaleur Enfin rappelons que l objectif du g nie des proc d s est de fabriquer des pro duits nouveaux Comme les r actions chimiques ou biochimiques qu il met en uvre ne sont jamais ni parfaitement s lectives ni totales les courants qui sortent des r acteurs sont des m langes complexes des produits recherch s de sous pro duits et de r actifs non transform s Ces m langes doivent alors tre s par s en chacun de leurs constituants puis chaque constituant doit tre purifi jusqu obtention de la composition n cessaire pour son utilisation ult rieure Le sp cia liste de g nie des proc d s doit correctement ma triser les lois de comportement d une esp ce dans un m lange dont la composition change dans l espace et le temps autrement dit les lois du transfert de mati re Pour des raisons qui appara tront progressivement la lecture de ce livre il est d usage de r unir les trois th mes que nous venons d voquer la m canique des fluides qu on appelle aussi transfert de quantit de mouvement le transfert de chaleur et le transfert
4. de mati re sous le titre g n ral de ph nom nes de transfert ce livre en pr sente les lois g n rales ainsi qu un grand nombre d exemples de mise en uvre en g nie des proc d s Depuis la parution en 1960 de l ouvrage pionnier de R B Bird W E Stewart et E N Lightfoot Transport Phenomena auquel nous ferons souvent r f rence de nombreux autres manuels ont t consacr s l analyse des ph nom nes de transfert Pourquoi alors encore un nouveau livre La premi re raison tr s g n rale est que l ensemble des connaissances scien tifiques et techniques de m me que les performances des outils de calcul ne cessent de progresser Ces progr s permettent aux sp cialistes de g nie des pro c d s de remplacer progressivement les m thodes empiriques ou semi empiri ques longues et co teuses auxquelles ils ont d faire appel faute de mieux par des combinaisons d analyses th oriques et de traitements num riques plus rapides plus pr cis et plus conomiques r duisant ainsi le recours l empirisme Cette volution des pratiques professionnelles oblige naturellement les orga nismes de formation ajuster le contenu de leurs programmes Ce livre dont les auteurs et coordonnateurs sont deux professeurs de l cole nationale sup rieure d ing nieurs en arts chimiques et technologiques ENSIACET de l Institut national polytechnique de Toulouse INPT et un professeur du d partement G nie des
5. oi suivant commencer par l tude du ou des chapitres de la seconde partie qui l int resse puis en fonction des difficult s rencontr es revenir l tude des chapitres correspondants de la premi re partie
6. ple puis aborder deux sujets rarement trait s ce niveau la diffusion multiconstituant et les milieux diphasi ques Enfin nous avons r dig un chapitre intitul Du local au global qui reprend a posteriori toutes les d monstrations des lois globales qui n ont pas pu tre d velopp es lors de leur pr sentation compte tenu du choix d organisation p dagogique effectu Cela permettra au lecteur soucieux de rigueur scienti fique de comprendre l origine de l tablissement de ces lois et de les r viser au passage Si tudier les ph nom nes de transfert constitue un pr requis indispensable la formation d un sp cialiste de g nie des proc d s il est vident que ce n est pas suffisant En effet la r solution des probl mes que l on rencontre industrielle ment exige de savoir combiner ces concepts avec d autres plus sp cifiques et de r soudre toutes les quations correspondantes dans des g om tries complexes et des conditions particuli res Or bien souvent les exemples d application des lois de transfert dans nombre de manuels se limitent des cas certes d int r t didac tique mais finalement de port e pratique moindre Nous avons souhait inverser cette tendance En cons quence nous avons voulu donner une certaine importance la pr sentation des applications en y consacrant toute la seconde partie de notre livre et nous avons choisi de l organiser sous forme de rubri
7. proc d s et de l environnement de l Institut national des sciences appliqu es de Toulouse INSA propose une analyse des ph nom nes de trans fert adapt e aux besoins actuels de la profession et qui s efforce d anticiper sur les volutions court ou moyen terme D autres raisons vont galement appara tre dans la suite de cette introduction Cet ouvrage est organis en deux grandes parties La premi re partie pr sente les lois g n rales des ph nom nes de transfert Les sp cialistes savent que ces lois peuvent tre exprim es et utilis es deux chelles diff rentes soit celle d une unit d un appareil ou d une portion d appareil on dit que l analyse est globale soit celle d un l ment de volume Lavoisier La photocopie non autoris e est un d lit Lavoisier La photocopie non autoris e est un d lit Avant propos V au sein du fluide on dit que l analyse est locale La plupart des ouvrages ant rieurs d butent par la pr sentation de l analyse locale et n abordent les lois glo bales qu apr s L avantage d une telle organisation tient en sa coh rence scientifique puisque les lois globales sont obtenues par int gration des lois locales L inconv nient de cette mani re de proc der est qu elle oblige aller du compliqu le local vers le simple le global Une des options importantes adopt es pour r diger ce livre a t d inverser ce
8. ques professionnelles VI Ph nom nes de transfert en g nie des proc d s Chacun des chapitres correspondants pr cise la nature du probl me examin indique la ou les solutions que le g nie des proc d s utilise et enfin et surtout d taille les modalit s de traitement des ph nom nes de transfert mis en jeu Le d veloppement de chaque sujet a t pouss de mani re tr s variable Sans que nous n ayons jamais pr tendu l exhaustivit dans un livre de nature g n raliste comme celui ci certains th mes ont t trait s de mani re assez d taill e c est par exemple le cas de tous les sujets qui concernent la mise en mouvement des fluides D autres rubriques ont fait l objet d une pr sentation beaucoup plus limit e comme par exemple celle relative aux changes et chan geurs de chaleur dans la plupart des cursus universitaires cette question fait l objet d un cours sp cialis dit de g nie thermique et nous avons choisi de nous limiter une premi re pr sentation de probl mes qui sont approfondis ailleurs Enfin certaines rubriques sont si importantes pour le g nie des proc d s et sont tellement trait es en d tail par ailleurs dans les programmes universitaires que nous les avons peine voqu es ici parfois sans m me leur consacrer un chapitre sp cial c est le cas par exemple du g nie des r acteurs Bref nous avons tent d organiser cette seconde partie d
9. r leur consul tation au mieux de leurs besoins Ce livre a t con u essentiellement pour l enseignement des n ophytes Pour ce public nous sugg rons de commencer par la lecture de la premi re partie Ce n est qu apr s avoir tudi les quatre premiers chapitres qui traitent de l analyse globale des syst mes isothermes et composition constante que le va et vient avec les applications de la seconde partie pourra valablement commencer Il va ensuite devoir tre poursuivi jusqu la fin de l tude Nous 3 G nie de la r action chimique de D Schweich ditions Tec amp Doc Lavoisier 2001 Lavoisier La photocopie non autoris e est un d lit Lavoisier La photocopie non autoris e est un d lit Avant propos VII pouvons pr ciser ici qu notre avis la mati re d velopp e dans la premi re partie doit plut t faire l objet d une pr sentation en cours alors que celle qui a t rassembl e dans la seconde partie correspond davantage aux caract ristiques de s ances de travaux dirig s au cours desquelles l enseignant pr senterait rapi dement la nature du probl me et les caract ristiques des m thodes ou techniques qui permettent de le r soudre avant de proposer aux tudiants le ou les exercices n cessaires pour les rendre op rationnels Ce livre a t con u afin de donner la formation en ph nom nes de transfert la plus solide qu il soit raisonnable d en
10. tes Quelle que soit la nature de cette s rie et quel que soit le mode de production retenu continu ou discontinu les proc d s mis en uvre imposent in vitablement de manipuler des quantit s importantes de mati re r ceptionner et stocker les mati res premi res les transporter vers le premier appareil de l unit puis amener les courants de sortie du premier appareil vers le second et ainsi de suite jusqu au dernier stocker puis vacuer les produits finis ou les d chets etc Le sp cialiste de g nie des proc d s doit conna tre les proc dures de transport que nous venons d voquer Lorsque la mati re est en tat fluide gaz ou liquide la base scientifique qu il doit tudier est la m canique des fluides Les mati res premi res ne sont presque jamais stock es la temp rature correcte pour entrer dans le premier appareil de l unit La temp rature de sortie d un appareil correspond rarement celle d entr e dans l appareil suivant En cons quence les unit s industrielles comprennent g n ralement un grand 1 Il existe une deuxi me cat gorie d activit s industrielles de nature davantage m canique dont le r le est de mettre en forme puis d assembler diverses pi ces pour fabriquer les objets comple xes que le monde moderne utilise On peut citer les industries a ronautiques automobiles nava les lectroniques lectrom nag res etc 2 Quelques informations g n rales sur
11. tte organisation traditionnelle et donc de commencer par l tude des lois glo bales et de finir par l analyse locale Cette proc dure permet de familiariser les lecteurs avec le sujet en limitant les premi res pr sentations des questions rela tivement simples et de n aborder les th mes plus d licats que dans une deuxi me phase d tude avec l acquis d un niveau de compr hension d j solide En outre cette mani re de proc der correspond bien la pratique du m tier dans laquelle l ing nieur commence toujours par de premi res investigations de nature globale et n entreprend qu ensuite et uniquement si elles s av rent n cessaires un certain nombre d tudes l chelle locale L inconv nient de ce plan est qu un certain nombre des lois ou quations globales pr sent es au d but ne peuvent pas tre d montr es et doivent tre admises Plusieurs ann es de pratique nous per mettent cependant d affirmer que les avantages de cette nouvelle organisation l emportent tr s largement sur ses inconv nients Mise part l innovation p dagogique importante que nous venons de d crire le programme que nous avons retenu pour la premi re partie du livre reste rela tivement classique Cependant pour tenir compte des volutions des pratiques professionnelles que nous avons voqu es nous avons tenu renforcer la pr sentation de certains th mes d analyse locale la turbulence par exem
12. visager notre avis pour un sp cialiste en g nie des proc d s Cependant parce que les besoins industriels sont vari s beaucoup d univer sit s inscrivent leur programme plusieurs cursus diff rents certains mettant davantage l accent sur la connaissance chimique d autres sur la gestion d autres sur la s curit etc En fonction des choix de programmes correspondants ce livre permet loisir de limiter la formation l analyse globale ou bien d y ajouter une simple initiation l analyse locale ou enfin de la traiter de mani re plus d taill e Face des ambitions p dagogiques aussi vari es le recours un seul et m me ouvrage offre nos yeux un certain nombre d avantages En effet l tudiant auquel on dispense une formation courte peut ainsi acqu rir une perception r a liste de l tendue du domaine tout moment de son cursus universitaire il pourra compl ter sa formation en reprenant la lecture de cet ouvrage l endroit o il l a laiss e avec l assurance d une continuit dans la progression le prati cien quant lui saura quel moment il lui faudra sous traiter une question et faire appel un coll gue plus sp cialis Enfin et bien qu il n ait pas t priori tairement con u dans ce but ce livre nous l esp rons pourra tre galement utile aux professionnels d j exp riment s Pour ce public particulier nous sugg rons le mode d empl
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