DLL Moléculaire – Génie chimique

Dynamique des fluides, échange de chaleur, conversion d’énergie, changement de phase

Réacteur catalytique à flux

Par définition, le génie chimique, ou génie des procédés physico-chimiques, désigne l’application de la chimie physique à l’échelle industrielle.

Dans ce laboratoire de génie chimique sont donc disponibles les principales installations que l’on peut trouver dans l’industrie à échelle réduite. Celles-ci permettent d’expérimenter et de comprendre le fonctionnement des différents processus fondamentaux du génie chimique.

Ces installations se trouvent dans une halle sur trois étages et peuvent être classées dans les catégories suivantes :

  • Conversion d’énergie (pile à combustible, photovoltaïque, pompe à chaleur)
  • Séparation (cristallisation, filtration, distillation continue, extraction liquide-liquide, évaporation à double effet)
  • Réacteurs continus (réacteur à flux catalytique, distribution de temps de séjour, microréacteurs)
  • Réacteurs discontinus (sensibilité paramétrique)
  • Transfert de chaleur (échangeur de chaleur, conduction, convection libre et forcée)
  • Transfert de masse (oxygénation de l’eau)
  • Mécanique des fluides (chute de pression hydraulique)
  • Contrôle de processus (contrôle du niveau d’un réservoir)

 

Installations

La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une technique qui permet de séparer des molécules d’un mélange éventuellement très complexes et de natures très diverses. Elle s’applique principalement aux composés gazeux ou susceptibles d’être vaporisés par chauffage sans décomposition.

Ce système est utilisé afin de déterminer la distribution des tailles de cristaux.

A disposition: 10 tamis avec différentes largeurs d’ouverture

Couplé à un ordinateur avec logiciel pour l’acquisition et le traitement des spectres. S’ajoutent 4 cuvettes en verre et deux en quartz (chemin optique = 10 mm).

Les échangeurs de chaleur (tubulaire, double tubes, plaques) sont une composante essentielle des usines chimiques industrielles et des appareils commerciaux.

Ce module se compose d’une unité de base qui va fournir de l’eau chauffée à des débits contrôlés pour chacun des trois échangeurs de chaleur, tous équipés de capteurs de température.

L’une des notions fondamentales du génie chimique est l’écoulement d’un fluide entre deux points. Quand un fluide réel (avec une viscosité non nulle) se déplace dans une conduite, des forces de frottement prennent naissance. Celles-ci ne peuvent être évaluées que par des méthodes empiriques.

Cette installation permet de visualiser l’écoulement à l’aide d’un traceur coloré en fonction de la vitesse du fluide en mètre par seconde. Le diamètre intérieur du tuyau est de 16 mm et d’une longueur de 1710mm. Le débit peut être réglé entre 50 et 250 L/h. A l’aide de ces données, on peut calculer le nombre de Reynolds et déterminer le type d’écoulement :

– laminaire (a) : le liquide se déplace avec une forme parabolique et une vitesse est maximale au centre du tube.
– turbulent (b) : Le liquide tourbillonne et se déplace presque à la même vitesse sur toute la section du tube.

Cet équipement se compose d’un compresseur hermétique relié à un condenseur et un évaporateur conçu pour fonctionner comme une pompe à chaleur. Il est composé d’un fluide caloporteur qui passe d’un condenseur à un évaporateur dans un circuit fermé ainsi que d’un compresseur qui fournit un travail au fluide. Dans le condenseur, le fluide se condense et libère donc de la chaleur que l’on peut utiliser pour chauffer de l’eau. Dans l’évaporateur, le fluide caloporteur s’évapore et absorbe de la chaleur, ce qui permet de refroidir l’eau.

Comprendre comment l’énergie de notre plus grande source d’énergie renouvelable, le Soleil, peut être convertie et utilisée est essentiel pour un programme moderne en génie chimique.

Ce banc de test offre des possibilités de mesures sur deux panneaux solaire de 0,45 m2 chacun. Il sera également possible de  produire une tension de service de 20 Volt en parallèle et 40 volt en série.

Les réacteurs chimiques en continu constituent la base en génie chimique et les exemples sont nombreux en génie biochimique, les industries pharmaceutiques ainsi que les industries de chimie fine. Peut être étudiée la réaction d’hydrolyse de l’acétate d’éthyle, en présence d’hydroxyde de sodium. Cependant, le système est également approprié pour étudier d’autres réaction, telles que celles de l’hydrolyse d’anhydride acétique. 

Le premier réacteur est un réacteur à réservoir agité en continu
isotherme (CSTR), alors que le deuxième est un réacteur tubulaire (ISF). Le système du troisième réacteur sont les CSTR en série.

Une pile à combustible, qui convertit l’hydrogène et de l’oxygène à l’eau tout en transformant l’énergie excédentaire en électricité, est un dispositif important dans une économie d’énergie fossile libre.

Cet appareil peut quantifier la variation d’enthalpie et d’entropie.

La cristallisation est une technique de séparation solide-liquide consistant à isoler un produit sous forme de cristaux.

La conduction est une autre façon de dominer le transfert de chaleur. Il s’agit là de matériel spécialement conçu pour démontrer le principe de transmission de la chaleur par conduction plutôt que par convection ou rayonnement.

Dans cette installation, un lit fluidisé est formé avec des bille de verre de différents diamètres dans un tube en plexiglas de 44 mm de diamètre. L’introduction d’un fluide dans le tuyau créera un mélange solide / liquide qui se comportera comme un fluide. Le phénomène résultant est appelé fluidisation.

Une colonne d’absorption du film humide (ou gaz paroi mouillée) consiste en un tube vertical à travers lequel un liquide descend, alors que monte un gaz, tous deux séparés par un film interfacial. Ce procédé est habituellement utilisé pour étudier le transfert de masse entre deux composants dans deux phases différentes.

L’équipement, qui se compose d’un ordinateur contrôlant un réservoir rempli d’eau, permet le contrôle de processus.

La filtration est une opération de séparation solide-liquide commune utilisée dans l’industrie qui requiert des données empiriques pour effectuer des prédictions de performances. Le module de filtration permet l’étude du processus de filtration sur un filtre de plaques verticales, composées de plaques en nylon, de 0,5 micron de diamètre. Ceci permet finalement de filtrer le CaCO3 de la suspension de concentration connue.

Le transfert de chaleur à une interface solide-liquide se produit non seulement par conduction, mais aussi par convection. La conception d’échangeurs de chaleur est dirigé par la compréhension de ces deux phénomènes.

Le système est constitué d’un tunnel en acier inoxydable de section rectangulaire supporté par une structure en aluminium anodisé qui permet son réglage sur une table de travail. Dans le tunnel, on utilisera l’échangeur de lame.

La distillation continue est une constante de séparation dans laquelle un mélange est introduit en continu dans le processus et les fractions séparées sont retirées en continu sous forme de courants de sortie.

L’évaporateur à effets multiples est un appareil destiné à utiliser de manière efficace la chaleur dégagée par la vapeur d’eau.

Cette expérience permet de mesurer le temps de résidence d’un composant chimique sur 3 différents système :
– 3 réacteurs tubulaires
– 1 réacteur de 3 L
– 3 réacteurs de 1800 mL disposés en série

L’intérêt principal des micromélangeurs réside dans leurs grandes capacités de transfert. En adaptant les dimensions géométriques du réacteur aux exigences de transfert des réactions, les micromélangeurs permettent d’opérer en toute sécurité des réactions particulièrement exigeantes (vitesse de réaction rapide, grande exothermicité, produits chimiques dangereux). Elles ouvrent également de nouvelles voies de synthèse et améliorent la durabilité des procédés.

Cette installation se compose des éléments suivants :
– pousse-seringue double avec mesure de pression
– 3 différents micromélangeurs

 

 

Accès et règles de sécurité

Ces installations se trouvent dans une halle sur trois étages dans le bâtiment CH: CH C0 396, CH C1 396, CH C2 396

Règles de sécurité : Toute personne voulant manipuler des produits chimiques doit être formée en conséquence, en accord avec les règles de sécurité en vigueur à l’EPFL, le DSPS, et les règles propres à l’ISIC/SCGC. 

 

Formation et réservation

Frédéric Gumy, +41 21 693 78 78

 
 
 
 

 

Activités et cours

CoursDescription
ChE-203TP-1, TP-2, TP-3, TP-4, TP-5, TP-6
ChE-309TP-1, TP-2, TP-3, TP-4, TP-5, TP-6, TP-7, TP-8
Master 1Distillation en continu
Master 2Extraction liquide
Master 3Evaporateur à double effet
Master 4Temps de résidence dans un réacteur
Master 5Micro mélangeurs

Contact

Frédéric Gumy, +41 21 693 78 78