Génie des procédés (partie 5/8)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire le principe de fonctionnement des principaux types de broyeurs utilisés en industrie (broyeur à boulets, à marteaux, à cylindres). - Réaliser un schéma de procédé complet pour la production de fibres textiles et de pâte à papier, en identifiant les opérations unitaires clés. - Élaborer le schéma de procédé de fabrication du savon de ménage par saponification à chaud, en maîtrisant les bilans de matière et les conditions de sécurité. - Effectuer des calculs simples de dimensionnement (puissance, débit, consommation de réactifs) liés à chaque procédé. - Appliquer les règles d’hygiène, de sécurité et de protection de l’environnement propres aux ateliers de broyage, de filature et de savonnerie. **Prérequis** : - Notions de base en mécanique des fluides (viscosité, débit massique). - Connaissances en chimie générale (réactions d’acide‑base, stœchiométrie). - Lecture de schémas de procédé (symboles PFD). - Utilisation des unités du Système International (SI). --- ## Introduction contextualisée Dans le secteur industriel camerounais, la transformation des matières premières agricoles (coton, bois, huiles végétales) en produits finis (textiles, papier, savon) repose sur des opérations de **génie des procédés** où le broyage, la séparation et la réaction chimique sont essentiels. Maîtriser ces étapes permet d’optimiser la consommation d’énergie, de réduire les déchets et d’assurer la conformité aux normes qualité (ex. : Oeko‑Tex pour les textiles). Ce chapitre présente les trois procédés emblématiques du programme de Première F6, en insistant sur les aspects techniques, sécuritaires et économiques rencontrés dans les ateliers locaux (usines de coton à Garoua, scieries de la région du Centre, savonneries artisanales de Yaoundé). --- ## I. Leçon 12 : Technologie des broyeurs ### A. Définition et rôle du broyage Le broyage consiste à réduire la taille des particules solides afin d’augmenter leur surface spécifique, facilitant ainsi les étapes suivantes (mélange, réaction, filtration). > *Le broyage est une opération mécanique de fragmentation où l’énergie d’impact, de compression ou de cisaillement est transférée aux particules.* ### B. Principaux types de broyeurs | Type de broyeur | Principe de fragmentation | Plage de taille d’alimentation (mm) | Produit fini typique (µm) | Applications courantes au Cameroun | |-----------------|---------------------------|------------------------------------|---------------------------|------------------------------------| | Broyeur à boulets | Impact et attrition par boulets d’acier | 5–50 | 10–200 | Broyage du minerai de fer (Mbalmayo), ciment | | Broyeur à marteaux | Impact de marteaux rotatifs sur grille | 0,5–30 | 50–500 | Défibrage du coton, broyage de copeaux de bois | | Broyeur à cylindres (rouleaux) | Compression entre deux cylindres parallèles | 0,1–10 | 5–100 | Production de farine de manioc, broyage de sucre | ### C. Principe de fonctionnement détaillé 1. **Broyeur à boulets** : Le cylindre rotatif contient une charge de boulets (30–50 % du volume). La rotation entraîne une chute des boulets qui écrasent les particules par impact et frottement. La vitesse critique \(N_c\) (en tr/min) est donnée par : \[ N_c = \frac{42,3}{\sqrt{D}} \] où \(D\) est le diamètre intérieur du broyeur en mètres. On travaille généralement à 65–75 % de \(N_c\). 2. **Broyeur à marteaux** : Un rotor équipé de marteaux tourne à grande vitesse (2000–4000 tr/min). Les particules sont projetées contre une grille de calibrage ; la taille du produit dépend de l’écartement de la grille. 3. **Broyeur à cylindres** : Deux cylindres tournent en sens opposé à des vitesses différentielles. La matière est écrasée par compression ; l’écartement des cylindres règle la finesse du produit. ### D. Consommation énergétique et dimensionnement La puissance spécifique \(P_s\) (kW/t) d’un broyeur à boulets peut être estimée par la formule de Bond : \[ P_s = 10 \, W_i \left( \frac{1}{\sqrt{P_{80}}} - \frac{1}{\sqrt{F_{80}}} \right) \] où \(W_i\) est l’indice de travail (kWh/t), \(F_{80}\) et \(P_{80}\) les tailles auxquelles 80 % du matériau passe respectivement à l’alimentation et au produit (µm). **Exemple chiffré** : Un atelier de broyage de minerai de fer à Mbalmayo traite 150 t/j avec \(F_{80}=6000 µm\), \(P_{80}=150 µm\) et \(W_i=12 kWh/t\). \[ P_s = 10 \times 12 \left( \frac{1}{\sqrt{150}} - \frac{1}{\sqrt{6000}} \right) = 120 \left( 0,0816 - 0,0129 \right) = 120 \times 0,0687 \approx 8,24 \text{ kW/t} \] Puissance nécessaire : \(P = P_s \times \dot{m} = 8,24 \times 150/24 \approx 51,5 \text{ kW}\). Avec un facteur de service de 1,15, la puissance moteur requise est \(P_{moteur}=51,5\times1,15\approx59,2\text{ kW}\). On choisira un moteur de 60 kW. ### E. Sécurité, hygiène et entretien - Porter des protections auditives (niveau sonore > 85 dB). - Vérifier l’absence de corps étrangers avant démarrage (risque d’éclatement). - Lubrifier les paliers selon les préconisations du constructeur (toutes les 500 h). - Installer un système d’aspiration des poussières (filtration HEPA) pour éviter l’inhalation de silice. --- ## II. Leçon 13 : Schéma de production des fibres textiles et pâte à papier ### A. Filière coton → fibre textile 1. **Égrenage** : séparation des graines du coton à l’aide d’égreneaux à rouleaux. 2. **Cardage** : ouverture et parallèle des fibres grâce à un cylindre couvert de pointes métalliques. 3. **Peignage** (optionnel) : élimination des fibres courtes et des impuretés pour obtenir un fil peigné de haute qualité. 4. **Filature** : étirage et torsion des fibres sur une machine à filer (anneau ou rotor) pour produire un fil de titre souhaitée (ex. : 20 Ne). 5. **Bobinage** : enroulement du fil sur des cannettes ou des cônes pour le tissage ou le tricotage. > *Le titre Ne (Number English) indique le nombre de longueurs de 840 yds contenues dans une livre de fil ; plus le Ne est élevé, plus le fil est fin.* ### B. Filière bois → pâte à papier (procédé Kraft) 1. **Débardage et déchiquetage** : le bois est réduit en copeaux de 2–5 mm. 2. **Cuisson** : les copeaux sont mélangés à une liqueur blanche (NaOH + Na₂S) dans un digesteur à 150–170 °C, sous pression (10–12 bar). La réaction de délinification sépare la cellulose de la lignine. 3. **Défibrage** : la pâte cuite est passée dans un raffineur (disque ou cône) pour développer la fibrillation des fibres. 4. **Blanchiment** (optionnel) : séquence d’étapes d’oxygène, peroxyde et dioxyde de chlore pour augmenter la blancheur. 5. **Formation de feuille** : la pâte diluée est déposée sur une toile métallique (forme humide), puis pressée et séchée (cylindres vapeur) pour obtenir le papier. > *Le rendement de la pâte Kraft varie entre 45 % et 55 % de la masse sèche du bois, selon l’espèce et les conditions de cuisson.* ### C. Schéma de procédé simplifié (texte) ``` [Bois] → [Déchiquetage] → [Digesteur (NaOH/Na₂S)] → [Lavage] → [Raffinage] → [Blanchiment] → [Formation feuille] → [Papier] ``` ### D. Consommation de réactifs et bilan énergétique Pour un digesteur traitant 10 t de copeaux secs/jour, la charge alcaline typique est de 18 % NaOH (équivalent Na₂O) et 4 % Na₂S. - NaOH nécessaire : la charge alcaline de 18 % Na₂O équivaut à environ 23,2 % NaOH réel, donc \(10 000 kg \times 0,232 \approx 2 320 kg\) de NaOH (≈ 2,3 t). - Na₂S nécessaire : \(10 000 kg \times 0,04 = 400 kg\). La chaleur de réaction (exothermique) est d’environ \(-1,2 MJ/kg\) de bois ; la chaleur à fournir pour maintenir la température est compensée par la récupération de la chaleur des gaz de combustion. **Exemple de calcul de vapeur nécessaire** : Pour chauffer 10 t de copeaux de 20 °C à 160 °C (Cp ≈ 1,5 kJ/kg·K) : \[ Q = m \, C_p \, \Delta T = 10 000 kg \times 1,5 kJ/kg·K \times 140 K = 2 100 000 kJ = 2 100 MJ \] Avec une chaudière à rendement 80 %, l’énergie de combustible nécessaire est \(2 100/0,8 = 2 625 MJ\) ≈ 730 kWh. ### E. Sécurité, hygiène et environnement - Porter un masque filtrant contre les poussières de bois (classe P2). - Surveillance continue de la pression et de la température du digesteur (soupapes de surpression). - Traitement des effluents alcalins (neutralisation avec H₂SO₄ avant rejet). - Collecte et valorisation de la liqueur noire (combustion pour produire de l’énergie vapeur). --- ## III. Leçon 14 : Schéma de procédé de production du savon de ménage ### A. Principe de la saponification à chaud La réaction entre un triglycéride (huile ou graisse) et une base forte (NaOH ou KOH) donne du glycérol et du savon (sels d’acide gras). \[ \text{Triglycéride} + 3\,\text{NaOH} \rightarrow \text{Glycérol} + 3\,\text{R‑COONa} \] > *La saponification à chaud se réalise généralement entre 80 °C et 100 °C, sous agitation mécanique, afin d’assurer une réaction complète et une bonne homogénéité du mélange.* ### B. Étapes du procédé industriel (lot) 1. **Pesée des matières premières** : huile végétale (palme, coton) et solution de NaOH (soude caustique) à concentration connue. 2. **Chauffage de l’huile** : dans un réacteur à jacket, porter l’huile à 70–80 °C. 3. **Ajout de la soude** : verser lentement la solution de NaOH préchauffée (60 °C) sous agitation afin d’éviter les éclaboussures et les surchauffes locales. 4. **Maintien de la température** : garder le mélange à 90 ± 5 °C pendant 45–60 min (temps de réaction). 5. **Épaississement et phase de « gel »** : le mélange devient visqueux ; on peut ajouter du sel (NaCl) pour provoquer la précipitation du savon (salage out). 6. **Refroidissement et moulage** : verser le savon chaud dans des moules, laisser refroidir à température ambiante, puis démouler. 7. **Séchage et stockage** : sécher à l’air libre 24–48 h, puis emballer. ### C. Bilan de matière et calcul de la quantité de soude La valeur d’indice de saponification de l’huile indique le nombre de mg de KOH nécessaires pour saponifier 1 g d’huile. Pour la NaOH, on utilise le facteur de conversion : \[ \text{NaOH (g)} = \frac{\text{Indice de saponification (mg KOH/g)} \times \text{masse d’huile (g)}}{1000} \times \frac{40,0}{56,1} \] où 56,1 g/mol est la masse molaire du KOH et 40,0 g/mol celle du NaOH. **Exemple** : Huile de palme, indice de saponification = 195 mg KOH/g. On veut produire 5 kg de savon (on suppose que la masse d’huile ≈ masse du savon, perte négligeable). \[ \text{NaOH} = \frac{195 \times 5000}{1000} \times \frac{40,0}{56,1} = \frac{975\,000}{1000} \times 0,713 = 975 \times 0,713 \approx 695 \text{ g} = 0,695 \text{ kg} \] On prépare donc une solution de NaOH à 30 % (masse/masse) : \[ \text{Masse solution} = \frac{0,695 \text{ kg}}{0,30} \approx 2,32 \text{ kg} \] On ajoute environ 1,62 kg d’eau. ### D. Consommation énergétique Chauffage de l’huile de 25 °C à 80 °C : \[ Q = m C_p \Delta T = 5 000 g \times 2,0 J/g·K \times 55 K = 550 000 J = 0,55 MJ \] Chauffage de la solution de NaOH (masse 2,32 kg, Cp ≈ 4,2 J/g·K) de 25 °C à 60 °C : \[ Q = 2 320 g \times 4,2 \times 35 = 341 040 J \approx 0,34 MJ \] Total ≈ 0,89 MJ, soit ≈ 0,25 kWh. Avec un rendement de chauffe de 70 %, l’énergie électrique nécessaire est ≈ 0,35 kWh par lot de 5 kg. ### E. Sécurité, hygiène et environnement - La soude caustique est corrosive (pH > 13) : porter gants nitrile, lunettes de protection, tablier résistant aux produits alcalins. - Éviter les projections : ajouter la soude lentement, sous agitation constante, avec un écran anti‑projections. - Neutraliser les éclaboussures avec une solution acide diluée (vinaigre) avant rinçage à l’eau abondante. - Les effluents contenant du glycérol et des résidus de savon sont biodégradables ; toutefois, respecter les normes de rejet (pH entre 6 et 9) avant déversement dans le réseau communal. - Prévoir un extincteur à poudre sèche pour les feux de graisse (classe B). --- ## Synthèse du chapitre - **Broyage** : opération mécanique de fragmentation ; principaux types : boulets, marteaux, cylindres ; puissance estimée par la formule de Bond ; sécurité : protection auditive, contrôle des corps étrangers, aspiration des poussières. - **Fibres textiles** : étapes : égrenage, cardage, peignage, filature, bobinage ; titre Ne indique la finesse du fil. - **Pâte à papier (Kraft)** : déchiquetage → cuisson (NaOH/Na₂S) → lavage → raffinage → blanchiment → formation feuille ; rendement 45‑55 % ; récupération de l’énergie de la liqueur noire. - **Savon de ménage** : saponification à chaud (huile + NaOH) → chauffage, agitation, maintien 90 °C, salage out, moulage ; calcul de la soude à partir de l’indice de saponification ; énergie ≈ 0,35 kWh pour 5 kg de savon ; sécurité : port de EPI, ajout lent de la soude, neutralisation des éclaboussures. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Broyeur à boulets | Appareil où la fragmentation résulte de l’impact et de l’attrition de boulets d’acier dans un cylindre rotatif. | | Indice de travail (Bond) | Paramètre \(W_i\) (kWh/t) caractérisant la résistance d’un matériau au broyage, utilisé dans la formule de Bond pour estimer la puissance spécifique. | | Titre Ne | Nombre anglais indiquant le nombre de longueurs de 840 yds contenues dans une livre de fil ; plus le Ne est élevé, plus le fil est fin. | | Cardage | Opération qui ouvre, nettoie et parallèle les fibres textiles à l’aide de cylindres couverts de pointes métalliques. | | Peignage | Étape complémentaire au cardage qui élimine les fibres courtes et les impuretés pour obtenir un fil de qualité supérieure. | | Pâte Kraft | Pâte obtenue par cuisson du bois dans une liqueur blanche composée de NaOH et de Na₂S, permettant la séparation de la cellulose et de la lignine. | | Liqueur noire | Sous‑produit alcalin récupéré après la cuisson du bois dans le procédé Kraft, riche en matières organiques et inorganiques, souvent brûlé pour produire de l’énergie. | | Saponification à chaud | Réaction d’un triglycéride avec une base forte (NaOH ou KOH) réalisée à température élevée (80‑100 °C) pour produire du savon et du glycérol. | | Indice de saponification | Quantité de mg de KOH nécessaires pour saponifier 1 g d’huile ou de graisse ; utilisé pour calculer la quantité de soude nécessaire. | | Salage out | Ajout de NaCl à la pâte de savon pour diminuer sa solubilité et provoquer sa précipitation afin de faciliter la séparation du glycérol. | | Rendement de pâte | Rapport entre la masse sèche de pâte obtenue et la masse sèche de bois introduit, exprimé en pourcentage. | | Jaquette (jacket) | Enveloppe extérieure d’un réacteur permettant la circulation d’un fluide caloporteur (vapeur, eau chaude) pour chauffer ou refroidir le contenu. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un broyeur à boulets Un atelier de traitement du minerai de fer à Ngaoundéré doit broyer 20 t/j de minerai avec \(F_{80}=5000 µm\), \(P_{80}=200 µm\) et un indice de travail \(W_i=13 kWh/t\). **a)** Calculer la puissance spécifique \(P_s\). **b)** Déterminer la puissance moteur nécessaire (facteur de service 1,2). **Corrigé** a) \(P_s = 10 W_i \left( \frac{1}{\sqrt{P_{80}}} - \frac{1}{\sqrt{F_{80}}} \right) = 10×13×(1/√200 - 1/√5000) = 130×(0,0707 - 0,0141) = 130×0,0566 ≈ 7,36 kW/t\). b) Débit massique = 20 t/j = 20/24 ≈ 0,833 t/h. Puissance nécessaire = \(P_s × \dot{m} = 7,36 × 0,833 ≈ 6,13 kW\). Avec facteur de service 1,2 → \(P_{moteur}=6,13×1,2≈7,36 kW\). On choisira un moteur de 7,5 kW. ### Exercice 2 – Calcul de la soude pour la fabrication de savon Une savonnerie de Yaoundé veut produire 8 kg de savon à partir d’huile de coton dont l’indice de saponification est 185 mg KOH/g. **a)** Quelle masse de NaOH pure est nécessaire ? **b)** Quelle masse de solution de NaOH à 25 % (m/m) doit être préparée ? **Corrigé** a) \( \text{NaOH} = \frac{185 × 8000}{1000} × \frac{40,0}{56,1} = \frac{1 480 000}{1000} × 0,713 ≈ 1480 × 0,713 ≈ 1 055 g = 1,06 kg\). b) Masse solution = \(1,06 kg / 0,25 = 4,24 kg\). On ajoutera donc 3,18 kg d’eau. ### Exercice 3 – Bilan énergétique du chauffage de l’huile pour le savon Pour le même lot de 8 kg de savon, l’huile est chauffée de 25 °C à 80 °C (Cp huile ≈ 2,0 J/g·K). **Calculer l’énergie nécessaire en kJ et en kWh.** **Corrigé** \(Q = m C_p ΔT = 8000 g × 2,0 J/g·K × 55 K = 880 000 J = 880 kJ\). En kWh : \(880 kJ / 3600 ≈ 0,244 kWh\). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Situation | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |-----------|------------------|-------------|--------------------------------------| | Démarrage d’un broyeur à boulets sans vérification du remplissage | Oublier de contrôler la charge de boulets | Surcharge mécanique, risque de rupture du cylindre, projection de boulets | Toujours vérifier le niveau de la charge avant démarrage ; utiliser un indicateur de niveau ou une pesée préalable. | | Ajout rapide de la soude dans le réacteur de savon | Verser la solution de NaOH d’un seul coup | Ébullition locale, projections de matière caustique, brûlures | Ajouter la soude en filet fin, sous agitation constante, avec un écran anti‑projections ; pré‑chauffer la solution à une température proche de celle de l’huile. | | Utilisation d’un broyeur à marteaux sans grille de calibrage adaptée | Grille trop ouverte ou absente | Produit trop grossier, consommation d’énergie inutile, usure prématurée des marteaux | Sélectionner l’écartement de la grille selon la finesse souhaitée ; contrôler régulièrement l’état de la grille et la remplacer si usée. | | Négliger la récupération de la liqueur noire dans une usine Kraft | Brûler la liqueur noire sans récupération d’énergie | Perte d’énergie importante, coûts de combustible plus élevés, émissions accrues | Installer un évapo‑concentrateur et une turbine à vapeur pour valoriser la chaleur de la liqueur noire ; surveiller le pH et la teneur en matières organiques. | | Oublier de porter des lunettes de protection lors du peignage du coton | Projection de fibres ou de particules métalliques | Lésions oculaires, risque d’infection | Porter systématiquement des lunettes de protection anti‑impact ; maintenir les zones de travail propres et dépoussiérées. | | Utiliser un récipient non adapté pour chauffer la solution de NaOH (ex. récipient en verre ordinaire) | Choc thermique ou corrosion du verre | Bris du récipient, éclaboussure de soude chaude | Utiliser des récipients en acier inoxydable ou en verre borosilicate résistant aux alcalins et aux chocs thermiques ; vérifier l’intégrité avant chaque utilisation. | --- *Fin du cours.*