Cours 3 (2022-09-16) Design et Heuristiques .pdf

Cours 3 - Design et Heuristiques
Jason R. Tavares et Louis Fradette
GCH8271 – CONCEPTION ET
SYNTHÈSE DES PROCÉDÉS
15/09/2022 1

• Design de procédés
• Informations de procédés
• Diagrammes d’écoulement
• Heuristiques
• Exemple de conception
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Cours 3

Pour les technologies universitaires (et pour des licences sur des brevets de façon générale)
• en moyenne, de 2 à 10% de redevances sur les ventes ou la valeur du produit
Plus généralement, coûts d’acquisition ou de licence dépendent de nombreux paramètres :
- Compétitivité dans le marché :
• Le marché visé est-il en attente d’une solution qui n’existe pas actuellement?
• Le besoin auquel la technologie répond est déjà partiellement comblé par d’autres technologies ?
- Stade de développement :
A-t-on une idée ou des simulations ou un prototype et des échantillons ? Le procédé est-il
expérimental ou mis à l’échelle ?
- L’industrialisation :
L’intégration de la technologie à la chaîne industrielle est-elle coûteuse ? Compliquée ? Nécessite de
la formation ?
- La propriété intellectuelle :
A-t-on une propriété intellectuelle forte entre les mains ? Ou quelque chose de très facilement
reproductible et un brevet facile à contourner ?
+ Autres considérations qui dépendent du marché auquel on s’adresse (les contraintes du biomédical
sont différentes de celles du logiciel…)
2022-09-15 3
Brevets et licences

• Informations de procédés (rappel)
• Heuristiques
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Cours 3

Généralités
• Informations du procédé
– Recherche de littérature
– Essais en laboratoire (ou à l’échelle pilote)
• Diagramme des entrées/sorties
– Recherche de toutes les réactions chimiques possibles
• Diagramme de fonction
– Pour chaque réaction chimique, indiquer les principales
informations
– Ajouter les flux de chaleur
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Informations de procédés

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développement du diagramme d’écoulement
P&T, Ch. 4, Figure 4-1

P&T: Chapitre 4
Exemple de production du “sodium dodécylbenzène sulfonate”
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Entrées – sorties

Notes:
• Une boîte de réaction indépendante pour chaque réaction qui doit être
conduite séparément.
• Indiquer par du « pré-processing » une entrée qui doit être traitée (par
extension, une boîte de « post-processing » pour les produits)
• Boîtes de « séparation » pour les courants recyclés
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Fonctions

Notes
• On indique la technologie retenue
• Échanges thermiques indiqués par “Q”
• C’est une étape longue et difficile
• Nombreux choix à faire
• Beaucoup d’info à trouver/compiler
• Technologies, leur performance
• Chapitres 12 à 15 du livre fournissent la
base pour obtenir l’information
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Opétations

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Flow sheet (PFD)

Ce qu’il reste à faire … après un flowsheet initial
• On obtient généralement beaucoup de versions du
flowsheet
• Technologies
• Hypothèses de performance
• …
• Il faut générer les bilans (matière et énergie ) pour les
options
• Permettent l’analyse QUANTITATIVE des options
• Dimensions, puissances, capacités, …
• Chaque cas devient l’équivalent un projet de GCH4160
• Les candidats les plus prometteurs sont comparés
• Économique
• Sécurité
• Environnement
• Légal
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Cas de base et optimisation

• 3 types d’approches :
– Modification d’un design existant
– Ajout à un design existant (« retrofit »)
– Création d’un nouveau design (« greenfield »)
• Si la molécule est nouvelle, une méthode de
synthèse doit être identifiée
– Création d’un nouveau procédé
– Essais en laboratoire ($$$, mais risque diminué)
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• Si le procédé existe déjà
– Utilisation de brevets et/ou licences (un coût est associé à
l’utilisation du procédé, licences pas toujours exclusives)
– La décision de l’utilisation du brevet vs le développement
d’un nouveau procédé se fait sur une base économique
• Un procédé batch/semi-batch peut être utilisé dans
certains cas
– Lorsque la production est de moins de ? kg/an (spécifique
au domaine)
– Haut potentiel d’encrassement
– Procédé biologique
– Procédé pharmaceutique
– Procédé à faible durée de vie
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• Diagrammes
• Heuristiques
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Cours 3

• Avant les diagrammes -> bilans de masse et
d’énergie
• Premiers calculs = conditions “moyennes”
• Ensuite - été/hiver, débits moyens/de pointe
• Données extraites de cas divers
• Choix des logiciels (Excel, Aspen, Hysys, WinGEMS, etc.)
• Ensuite, schéma-blocs
• Boîtes connectés par lignes
• Chaque boîte peut comporter plusieurs équipements
• Principaux débits indiqués
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Diagrammes

Diagramme d’écoulement des procédés (ou PFD) :
• Le diagramme met en avant les flux de matière
(entrants et sortants)
• Une boîte est utilisée pour toutes les opérations
majeures
• Toutes les conditions importantes doivent figurer
sur le diagramme
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Diagrammes

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Diagrammes (PFD – incomplet)
Synthèse de
méthanol
(Coogee)

• Piping and instrumentation diagrams
(P&ID)
• Toutes les valves, tuyaux, principales boucles
de commande, lignes occasionnelles
• Identification de toutes les lignes et des
équipements
• Exemple : ligne 10-CWR-10204-10”-C2A
• Secteur 10
• CWR : cooling water return
• 10204 : identification unique pour la ligne
• 10” : Diamètre du tuyau
• Spécification matérielle
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Diagrammes

• Piping and instrumentation diagrams (P&ID)
(suite)
• Écoulement de gauche vers la droite
• Flèches de continuation indiquant autres dessins
• Numéro de ligne indiqué immédiatement à côté de
flèche de continuation
• Raccordement d’équipement majeur indiqué
• Lignes principales plus épaisses
• Typiquement, émis ~5 fois durant un projet avec
buts spécifiques
• Plusieurs révisions avant installation, démarrage
et operation. Statique par la suite.
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Diagrammes

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Chemical Engineering Process Design and
Economics: a practical guide
Second Edition, Table 3.2

(P&ID) (suite)
• Tableau incluant les numéros de ligne et les
numéros d’instruments annexé à chaque P&ID
• Légende(s)
• Bloc de titre :
• Nom de la compagnie
• No. de dessin ET no. de révision
• Titre du dessin
• Pas d’échelle
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Diagrammes

(P&ID) (suite)
• Utilisé pour communiquer aux autres génies :
• Civil
Lignes souterraines Poids des équipements
Endiguements Drains
• Électrique
Puissances “Enclosures” (armoires)
Lignes électriques
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Diagrammes

(P&ID) (suite)
• Instrumentation et commande
• No. des instruments
• Exigences de localisation, dimensions
critiques
• Boucles et “interlocks”
• Exigences pour vannes de
commande et vannes
manuelles
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Diagrammes

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Diagrammes (Instrumentation)

(P&ID) (suite)
• Mécanique et protection d’incendie
• Items spéciaux
• Trappes de vapeur
• Services utilitaires
• Information sur équipements
• Tuyauterie
• Dimensions
• Raccords
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Diagrammes

• Heuristiques
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Cours 3

PTW: Appendix E, p. 966
Préparation des flux pour le procédé :
• Les matières premières doivent être mises à la bonne température/bonne
phase pour alimenter le procédé
• Évaluer les effets des impuretés
• Les impuretés pouvant empoisonner les catalyseurs doivent être retirées autant
que possible
• Si un flux contient des éléments de produit final, il faut étudier la
possibilité les séparer afin de les récupérer
• Si un flux contient trop d’impuretés, il faut étudier la possibilité d’enlever
ce flux
Toutes les heuristiques contiennent des exceptions…
et leur contraire!
15/09/2022 32
Heuristiques de conception
L? S? = forme du fluide
et son effet? réaction secondaire indésirable

• Toutes les réactions sont contrôlées par l’équilibre et
la cinétique
• La conversion n’est ainsi jamais 100%
• Recirculation
• Toujours considérer la recirculation lorsque une substance
utile sort du procédé (e.g. matière première, produit
intermédiaire)
• Les mélanges recyclés ne doivent pas être séparés
• Il y a toujours un optimal purge/ratio de recirculation
• Il est toujours plus simple de recirculer un liquide qu’un gaz
15/09/2022 33
il y aura tjrs des produits secondaires, réactifs non réagis
limiter effort de séparation, on va investir dans la séparation à un seul
endroit

• Prétraitement
• Des informations nécessaires sont :
• La pureté
• La température
• La pression
• Réacteurs
• Les informations nécessaires pour les réacteurs sont :
Le type de réacteur La phase de réaction
Les températures/pressions d’opération Le temps de séjour
Limité par équilibre ou cinétique ? Exo- ou endothermique ?
La présence ou non d’un catalyseur Sélectivité ? Conversion ?
Contraintes SST ? Explosions ?
15/09/2022 34
état de la matière à l'entrée pr a ce qui est requis ds procédé
influence
volume et
quantité
distribution de
temps de
résidence
mélange graduel
réactif non
réagi
endroit ou
stagne,
mélange pas
bien

• Séparation
15/09/2022 35

• Séparation (suite)
• Séparation de liquides
• Distillation = premier choix pour séparations de liquides
quand la pureté de plusieurs produits est en cause
• Si points d’ébullition sont rapprochés, ou si ΔH trop élévés,
éviter distillation
• Extraction liquide-liquide à envisager
• Séparation de gaz
• Adsorption
• Absorption
• Condensation
• Pressure swing vs. cryogenique
• Membranes
15/09/2022 36
ou formation d'un azéotrope (eau et éthanol, par exemple)
condenser de l'eau sans atteindre le point de rosée

• Séparation (suite)
• Séparation de solides
• Cristallisation
• Évaporation
• Centrifugation
• Filtration
• Criblage (“screening”)
• Décantation
• Osmose inverse
• Lixiviation
15/09/2022 37
diff de densité suffisante

• Quelques recommandations quant à la séquence
des unités de séparation
• Séparer le produit le plus abondant en premier (réduit la
taille des unités subséquentes)
• En distillation, retirer le produit au ΔH de vaporisation le
plus élevé en premier, pour réduire les besoins
énergétiques des opérations subséquentes
• Ne pas recombiner des courants séparés…
• Faire les séparations les plus faciles en premier, ou au
moins celles impliquant des matériaux dangereux ou
corrosifs
• Ne pas “sur-purifier”, au-delà des spécifications
nécessaires
15/09/2022 38
EXAM!!!!
moins de volume à gérer = moins de choses pour
après
comme ca on pompe
pas de l'É dans le
sys
É injecté
pour contrer
l'entropie
puis après
on les
mets.....
gaspillage
énergétique
éviter de gaspiller des
ressources et de l'É
pr se simplifier le travail, réduire la taille des unités autant que possible ensuite
revêtement sur les
unités pour éviter
des étincellements
lorsque des trucs
dangereux ($$$),
pour pas voir à les
gérer tout au long
du procédé
peuvent causer
des problèmes
pour la suite des
séparations

• Échangeurs
• Les refroidissements allant jusqu’à 20°C sont effectués par
de l’eau de refroidissement
• La réfrigération est utilisée pour des température plus
faibles
• Le chauffage à partir de 400°C est effectué par une
combustion
• Il existe des méthodes pour déterminer l’optimum
d’échange de la chaleur entre les courants chauds et
froids
15/09/2022 39
on maintient un delta T min de 15 degré dans
l'échangeur, en bas de ca on utilise la
réfrigération (on peut pas utiliser l'eau de
refroidissement)
ou plus, on utilise plus de la vapeur surchauffée
(pincement thermique)

Heuristique 1 : Matières premières et réactions chimiques
Sélectionner les matières premières ou les réactions
chimiques pour éviter le stockage de produits dangereux.
Exemple : Production d’éthylène glycol (EG)
15/09/2022 40
C2H4 + O2 → CH2 - CH2
1
-
2
O
(R.1)
CH2 - CH2 + H2O → CH2 - CH2
O OH OH
(R.2)
pas bsn de retenir les #
très réactif
probablement réactions parasites
entre
réservoir tampon acheminé à un 2e réacteur =
stockage de matières dangereuses,
suffisamment pour alimenter le 2e réacteur

Exemple : Production EG (suite)
• Réactions fortement exothermiques
• Un déversement d'eau dans un réservoir de stockage de
l'oxyde d'éthylène pourrait conduire à un accident
similaire à l'incident de Bhopal (Déc 1984; 3787 morts
immédiates, 8000 après deux semaines; 8000 autres à
long terme).
• Souvent, ces procédés sont conçus avec deux étapes de
réaction, contenant un stockage intermédiaire, afin de
permettre une production continue
15/09/2022 41
avec de l'eau, donc moindre fuite = eau
atmosphérique = explosion

Exemple : Production EG (suite)
• Alternative 1 : Utiliser le chlore et la soude caustique dans
une seule réaction pour éviter les intermédiaires
• Alternative 2 : Lorsque l'éthylène-oxyde est formé, il peut
réagir avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate
d'éthylène (un produit intermédiaire beaucoup moins actif),
il sera alors stocké en sécurité et hydrolysé, pour former de
l'éthylène glycol.
15/09/2022 42
(R.3)
OH OH
CH2=CH2 + Cl2 + 2NaOH(aq) → CH2CH2 + 2NaCl
(R.4)
CH2 - CH2 + CO2 → O O
O C
CH2 CH2
O
CO2 va comme l'inerter
réaction totalement alternative

Heuristique 2 : Distribution chimique
Utiliser un réactif en excès pour s’assurer que le réactif
dangereux soit complètement réagi.
Exemple : Éthylène pour la production de dichloroéthane (DCE)
15/09/2022 43

15/09/2022 44
Production de DCe
éthylène = combustible mais gérable, chlore = dans l'environnement tue les gens, donc chlore
consommer au max pour pas avoir de fuite
= excès important d'éthylène pour s'assurer que le chlore a réagi au max
réactif en excès = $$ = le récupérer donc on introduit la nécessité d'une séparation supp pour recycler le réactif

Heuristique 3 : Distribution chimique (suite)
Lorsque des produits purs sont nécessaires, il faut éliminer
les espèces supplémentaires (avant les réactions
chimiques)
• si les séparations sont faciles à réaliser, ou
• le catalyseur est affecté par l’impureté
• ne pas faire lorsque la réaction est exothermique et qu’il faut
évacuer de la chaleur
15/09/2022 45
désiré
rx parasitaire qui consomme A et produit + E mais A
nécessaire pour F, et E on vit avec ok mais la accentuer
si rx catalytique et C,D peuvent empoisonner ou inactiver catalyseur, il faut séparer
si affecte pas catalyseur, et rx indésirable est exothermique = on peut tolérer impuretés (utiliser comme puit
thermique qui peut retenir une partie de la chaleur (comme diluant) peut être utile)
présente un peu? ok pas grave (bilan de masse pour voir s'il y a vraiment un impact)

(suite)
15/09/2022 46
Besoin de décider si l’on
enlève l’inerte au début
de la réaction
… ou après la réaction
La facilité et les coûts de séparation doivent être évalués
-> examinant les propriétés physiques sur lesquelles sont
basées les séparations
-> implique l’utilisation de la simulation
inerte = ne contribue pas au sys
si E = molé désiré, et une impureté nuit et
l'autre est utile = séparation = impureté
agis à titre d'inerte (D)

Ajouter une purge de liquide ou de vapeur des espèces qui :
• Entrent comme impuretés dans l’alimentation
• Sont produites par des réactions secondaires irréversibles
Lorsque ces espèces sont en quantités infimes et/ou sont
difficiles à séparer des autres produits
Exemple : Synthèse de NH3
15/09/2022 47
Contraintes
économiques
$$$
purge: retirer de manière indirecte les impuretés sans séparation nécessaire
Désavantages: perte de produits et de réactifs, impact environnemental (envoyer à torche
= oxydation)
séparation
pas le choix de recirculer pour récupérer azote et H, pas le choix de purger sinon s'accumule dans le procédé
car participe pas au procédé. Purge qui permet de ne pas accumuler mais on se débarasse d'H pour éviter
explosion.

Ne pas purger des éléments coûteux ou des éléments toxiques,
même s’ils sont en petites quantités
• Ajouter un séparateur pour récupérer les matières de valeur
• Ajouter un réacteur pour éliminer les substances toxiques
Exemple : convertisseur catalytique dans un pot d’échappement
15/09/2022 48
toxique = pas de purge, on fait conversion ou rx catalytique
combustion: co2 et h2o
permet de convertir tout en azote, O, h2o et n2 (ca c'est si une
combustion ne permet pas de régler le prob)
si purge: jeter atmosphère?
sécuritaire
mais si combustible, non, on
va devoir faire une combustion
avant

Pour les réactions en série ou en parallèle, il faut ajuster T et
P pour obtenir le maximum de produit désiré.
• Dans la distribution initiale des produits, on suppose que ces
conditions peuvent être obtenues
• Obtenir des données cinétiques et vérifier cette hypothèse
avant de développer une conception du procédé
Exemple : Fabrication de
chlorure d’allyle
15/09/2022 49
désiré
d'autres rx selon la T et P
chlore si en
excès

Exemple : fabrication de chlorure d’allyle (suite)
15/09/2022 50
Données cinétiques

Exemple : fabrication de chlorure d’allyle (suite)
15/09/2022 51
-1.6
-1.2
-0.8
-0.4
9.60E-04
9.70E-04
9.80E-04
9.90E-04
1.00E-03
1.01E-03
1.02E-03
1/T (980<T<1042 deg R)
ln(k)
ln(k1)
ln(k2)
ln(k3)
une zone ou la réaction est favorisée = la plus rapide = la ou les 3 se touchent, faire mm chose avec P

Pour les réactions réversibles, séparer les produits pour
forcer l’équilibre des réactions vers la droite.
Exemple : Production d’acétate de méthyle par distillation
réactive
Réaction conventionnelle :
MeOH + HOAc MeOAc + H2O
Suivi d’une séparation
15/09/2022 52
←
→
on limite la réaction inverse et on augmente la production du produit d'intérêt en
forcant la rx vers la droite, en enlevant de l'eau
ou utiliser un absorbant qui aime l'eau mais pas les autres
séparation facile car T ébullition (?) différents

Exemple : Production d’acétate de méthyle par distillation
réactive (suite)
Production par distillation réactive pour augmenter la
production de MeOAc
15/09/2022 53
Reaction
zone
MeOAc
HOAc
MeOH
H2O

Heuristique 8 : Séparation
La séparation liquide-liquide, la désorption, la distillation ou
autres sont des opérations similaires (la technique est différente)
15/09/2022 54
Choisir un système
de distillation ou
autre

Heuristique 8 : Séparation (suite)
1- Retirer les substances corrosives
– Pour éviter les matériaux de construction coûteux
2- Séparer les fractions lourdes au début, surtout si des solides sont présents
– Pas de système à plateau qui pourrait retirer les solides
3- Séparer les non-condensables par refroidissement (cryogénique).
Seulement si nécessaire. Imagination requise!
4- Séparer les composantes plus difficiles à la fin
5- Produit désiré dans le distillat
– Minimise les résidus/impuretés dans le produit
6- Enlever les composantes en excès au début
– Diminution de la taille des équipements
15/09/2022 55
on a pas à
trainer de S
(qui peuvent
générer des
agglomérats,
par exemple,
limite par la
suite, plsrs
opérations
pas bien
gérable avec
S =
encrassement
par exemple)
refroidir le sys, co2 sort et argon reste, ne se liquéifie pas, ainsi on sépare
pr réduire taille des installations, et pourrait être énergivore
produit désiré va dans le distillat car en bas,
rebouilleur: toute la chaleur du sys, si produit
sensible à chaleur, on veut pas l'envoyer en
bas, former des produits de dégradation nocifs
(SI POSSIBLE)

15/09/2022 56
Après une condensation
partielle, utiliser la
distillation cryogénique,
l’absorption, la séparation
membranaire, etc.
Après une distillation,
utiliser la distillation
renforcée, des tours
d’extraction liquide-
liquide, etc.
Refroidir les
produits du
réacteur
séparation
1e séparation: séparer
non condensable des
condensables à basse
T
T encore + bas

Heuristique 9 : Séparation (suite)
Séparer les mélanges gazeux à l’aide de condenseurs partiels,
de distillation cryogénique, de tours d’absorption, etc.
15/09/2022 57

Heuristique 10 : Transfert de chaleur
Pour éviter que la chaleur de réaction n’augmente la
température de façon significative, l’usage d’inertes pour diluer
les réactif permet de contrôler la température.
-> Cependant cette technique affecte la distribution chimique
-> Contraintes sur équipement…
15/09/2022 58
gérer la T pr éviter emportement (SST), économique, (préchauffer), donner ou extraire de la
chaleur si rx endo ou exo
c'est pas tout les équipements qui peuvent opérer sur les mm T (résistance)

15/09/2022 59
Excès de
réactif
Jet de réactif
Diluant inerte
exemple de l'éthylène et du chlore, réactif
en excès sera utiliser comme diluant pour
prendre chaleur (puit thermique)
au lieu d'un
réactif, on envoie
un diluant
comme puit
thermique
(désavantage:
faut le séparer
ET on a une
cinétique de rx +
faible, on ralentit
cinétique, on
ralentit
probabilité de
cohésion entre A
et B, pr une
bonne rx A et B
doivent se voir
mais diluant se
met un peu entre
eux)
reactif froid injecté dans une partie de la rx et un tier du réactif B et ensuite une partie du réactif froid réinjecté
dans une rx exo, donc T veut augmenter mais en mm temps B doit monter à la T de rx

15/09/2022 60

15/09/2022 61
Before optimization – φ = [0.100, 0.100]T
After optimization – φ = [0.277, 0.240]T
rx exo

Heuristique 11 : Transfert de chaleur (suite)
Pour des réactions moins exothermiques, les options sont:
1. circuler le fluide du réacteur dans un échangeur externe,
2. utiliser une chemise de refroidissement,
3. utiliser un refroidissement interne (tubulaire),
4. ou utiliser des échangeurs intermédiaires
15/09/2022 62
???
Qu’est-ce que signifie
“moins exothermique”
???
Avant était très exo
dégage de l'É
mais n'amène
pas à un
emportement
(explosion), ne
l'amènera pas
à sa limite
matérielle
Si max = 600, moins exo va aller
jusqu'à 400 alors que très exo
peut aller jusqu'à 800
en surface (s'assurer que ca chauffe
pas trop à l'intérieur)

Exemple : convertisseur de NH3
15/09/2022 63
gaz réactifs eux-mm assure un refroidissement
des réacteurs
tubes avec catalyseur

Heuristique 12 : Pompage et condensation
Pour augmenter la pression d’un courant, il est préférable de
pomper un liquide que de comprimer un gaz.
-> condenser la vapeur pour ensuite la pomper
15/09/2022 64
∫
= 2
1
P
P
dP
V
W 

Le travail fournis par la pompe ou le compresseur est donné par :
Il est beaucoup plus efficace
de condenser une substance
et de la pomper plutôt que
de la compresser.
Exception: Si la condensation
requiert de la réfrigération.
pr un gaz = compresseur = pas
efficace
on condense la vapeur pour
ensuite la pomper (+ efficace,
sauf si condensation requiert de
la réfrigération = bilan
économique)
pr liquide = pompe :)
liquide pomper et le chauffer pour faire devenir G
ou l'évaporer (fournir de la chaleur au sys) et ensuite utiliser un compresseur (requiert BCP plus de puissance,
économise UN PEU plus de chaleur)

Heuristique 12 : Pompage et condensation (suite)
Exemple – préparation d’un courant d’éthylbenzène
L’éthyl benzene est soutiré à un débit de 100,000 lb/h du
stockage à 25 °C et 1 atm pour être alimenté à un réacteur
de styrène à 400°C et 5 atm
-> Proposer deux option pour arriver aux bonnes conditions de
pression et de température
15/09/2022 65

2022-09-15 67
1998
aide-mémoire
séquence d'opérations, gestion d'É

2022-09-15 68

2022-09-15 69

2022-09-15 70

2022-09-15 71

2022-09-15 73

Ressources supplémentaires :
Walas, S. M., Chemical Process Equipment – Selection and
Design, Butterworths, Stoneham, MA, 1988.
Turton, R., R. C. Bailie, W. B. Whiting, and J. A. Shaeiwitz,
Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Second
Edition, Prentice- Hall, 2003. Chapter 9 –Utilizing Experience-
based Principles to Confirm the Suitability of a Process Design.
Happel, J., and D. G. Jordan, Chemical Process Economics,
Second Edition, Marcel Dekker, New York, 1975 – Appendix C.
Ulrich, G. D., A Guide to Chemical Engineering Process Design
and Economics, Wiley, 1984 – Appendix B.
Branan, C.R., Rules of Thumb for Chemical Engineers
15/09/2022 85

• Heuristiques
15/09/2022 86
Cours 3

Usine de détergents biodégradables (P&T)
Production de dodécylbenzènesulfonate de sodium
• Opportunité :
– Fabrication de détergents à partir d’hydrocarbures
intermédiaires
• Objectif: 2.5% du marché des détergents
– Usine de 15 Mlbs
• Conception préliminaire d’une usine de détergents
– “To provide management with an investment comparison, the
design group has been instructed to proceed first with a
preliminary design and an updated cost estimate for a non-
biodegradable detergent producing facility similar to ones
supplanted by recent biodegradable facilities.”
15/09/2022 87
Exemple de conception
variation du prix final (si existe pas = bcp d'argent, pas de compétiteur)
15% à 20% est le prix supp que la taxe verte peut amener

• Revue de la littérature
• Majorité des détergents (tensio-actifs; TA) sont non
dégradables; alkylbenzènesulfonates
• >80 000 isomères différents d’alkylbenzènes entre C10-
C15
• Les $ favorisent le dodécène comme molécule de départ
• Procédés très semblables, variations du procédé
« sodium dodecylbenzene sulfonate »
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Recyclage des non réagis
– Benzène vaut 1,500$/t
– Cancérigène
– Aromatique*
Ajouts
– Catalyseur (AlCl3) -> $
– Oléum, acide sulfurique
fumant (H2SO4xSO3)
– NaOH
Énergie
– Réactions exothermiques
– Séchage du produit
– Distillation
Environnement
– Rejet d’acide usée
– Boue de AlCl3
= nocif pr l'env
gestion thermique: chemise
refroidissante (rx exo, très exo
= non)

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• Phosphate trisodique
• Tetrasodium pyrophosphate
• Sodium silicate, chloride, sulfide
• Carboxymethyl cellulose
• …
• 115o F max
• Benzène en excès
• 5-10% wt AlCl3 vs
dodécène

• Réactions :
• Autres informations tirées de la littérature :
• Sulfonation complète si :
• Oléum (20% SO3)/dodécylB = 1.25
• Optimisation de l’acide:
• 0.244 lb eau/1.25 lb oléum (20% SO3) à la sulfonation
• 25% d’excès de NaOH concentré à 20% pour la neutralisation
15/09/2022 91
85 – 95%
+/- 100%
> 95%
pas à l'exam: slm savoir quoi extraire pour l'exam

Autres informations pour la base de conception :
• 300 jours d’opération par an
• Provient généralement du fournisseur de technologie et aussi de
vos attentes en tant que client
• 90% rendement à l’alkylateur
• Provient de ?
• Produit:
– Sodium dodécyl sulfonate à 85%, 15% sodium sulfate
• Contrainte de marché
• Contrainte économique
• Contrainte environnementale
• Contrainte HSE
ON CALCULE! et on obtient…
15/09/2022 92
si on dépasse 300 jours,
encrassement? accumulation?
rx pourrait être révisée pour
opérer plus lgt
réaliste? sur quelle base?

On calcule encore :
• Rendement de l’alkylation
• Rendement du procédé en surfactant
• Efficacité du fractionnement
15/09/2022 94

Autre exemple (production d’acide nitrique) :
15/09/2022 95
• Combien de réactions chimiques
mènent au produit final (HNO3)
• Quelle(s) est (sont) cette (ces)
réaction(s)?
• Quelle est la concentration
d’acide nitrique pauvre (w/w)?
• Quelle est la concentration de
l’acide produit (w/w)?
• Quelle est la conversion de
l’ammoniaque dans le procédé?

Lecture recommandée car la matière est complétée :
Peters, Timmerhaus & West -> Chapitres 2 à 4
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NOTES

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