Distillation fractionnée : Séparation des constituants d'un mélange en fonction de leurs températures d'ébullition.
Le pétrole brut est chauffé à environ 350°C dans un four, puis introduit dans une colonne de fractionnement.
- Les fractions légères (gaz, essence) s'élèvent en haut de la colonne
- Les fractions moyennes (kérosène, diesel) se condensent au milieu
- Les fractions lourdes (fuel, lubrifiants) restent en bas
Le pétrole est désséché et désulfuré pour éliminer l'eau et les composés sulfurés
Le pétrole est chauffé à haute température (350-400°C) dans un four
Les vapeurs entrent dans la colonne de fractionnement à mi-hauteur
Chaque fraction se condense à une hauteur spécifique correspondant à sa température d'ébullition
Les différentes fractions sont collectées à différents niveaux de la colonne
La distillation fractionnée permet d'obtenir des fractions spécifiques de pétrole brut selon leur température d'ébullition
• Températures caractéristiques : Gaz (jusqu'à 40°C), essence (40-200°C), kérosène (200-300°C), fuel (300-370°C)
• Principe physique : Les composés avec des masses moléculaires différentes ont des températures d'ébullition différentes
• Énergie : Processus intensif en énergie thermique
Processus Haber-Bosch : Synthèse industrielle de l'ammoniac à partir de diazote et de dihydrogène.
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) avec ΔH° = -92.4 kJ/mol
Température : 400-500°C, Pression : 150-300 bar, Catalyseur : Fer avec promoteurs
La réaction est exothermique et favorisée par une pression élevée (moins de moles gazeux produits)
Le mélange gazeux est recyclé pour augmenter le rendement
L'ammoniac est séparé par condensation, les réactifs non consommés sont recyclés
Le procédé Haber-Bosch produit environ 150 millions de tonnes d'ammoniac par an
• Équilibre chimique : Température modérée pour équilibre vitesse/rendement
• Catalyseur : Accélère la réaction sans être consommé
• Recyclage : Essentiel pour atteindre un rendement économique
Recyclage métallique : Procédé de transformation des métaux usagés en nouveaux produits.
Séparation des différents types de métaux (fer, aluminium, cuivre, etc.)
Broyage, nettoyage et préparation pour la fusion
Les métaux sont fondus à haute température dans des fours
Élimination des impuretés pour obtenir un métal pur
Le métal est coulé en lingots ou directement mis en forme
Le recyclage d'1 tonne d'aluminium économise environ 14 000 kWh d'énergie
• Économie d'énergie : Le recyclage consomme 5-20 fois moins d'énergie que la production primaire
• Conservation : Les propriétés métalliques restent inchangées après recyclage
• Impact environnemental : Réduction des déchets et de l'extraction minière
Centrale électrique : Installation qui convertit une forme d'énergie en électricité.
Combustible fossile, nucléaire, hydraulique, éolien, solaire, etc.
Dans les centrales thermiques, l'eau est chauffée pour produire de la vapeur à haute pression
La vapeur actionne une turbine couplée à un alternateur
Convertit l'énergie mécanique en énergie électrique
L'électricité est transportée via le réseau électrique à haute tension
Le rendement moyen d'une centrale thermique est de 35-45%
• Premier principe : Conservation de l'énergie (énergie entrante = énergie sortante + pertes)
• Second principe : Limitation du rendement par la thermodynamique
• Pertes : Majoritairement sous forme de chaleur perdue
Verre : Matériau amorphe obtenu par fusion et refroidissement rapide de silice et d'autres composants.
Silice (SiO₂) 70-75%, carbonate de sodium (Na₂CO₃) 12-15%, chaux (CaO) 10-15%
Mélange des matières premières dans un four à 1500-1600°C
Suppression des bulles d'air et homogénéisation de la composition
Le verre en fusion est mis en forme (soufflage, moulage, laminage)
Refroidissement contrôlé pour éviter les tensions internes
Le verre est un matériau recyclable à 100% sans perte de qualité
• Énergie intensive : Fabrication à haute température (1500-1600°C)
• Recyclabilité : Le verre peut être fondu et reformé indéfiniment
• Propriétés : Transparent, dur, chimiquement stable
Raffinage : Procédé de purification du sucre brut pour obtenir du sucre blanc raffiné.
Le sucre brut est dissous dans de l'eau chaude pour former une solution
La solution est traitée avec du charbon actif ou des résines échangeuses d'ions pour éliminer les impuretés colorées
Élimination des particules solides et des agents décolorants
La solution concentrée est refroidie pour précipiter les cristaux de saccharose
Les cristaux sont séchés pour obtenir le sucre raffiné sec
Le raffinage transforme environ 100 kg de sucre brut en 90-95 kg de sucre blanc raffiné
• Purification : Élimination des impuretés organiques et minérales
• Crystallisation : Séparation basée sur la solubilité différentielle
• Qualité : Sucre raffiné = pureté > 99.5%
Acier : Alliage de fer et de carbone (0.02-2.1%) produit par affinage du fer.
Réduction des minerais de fer dans un haut-fourneau (Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂)
Le fer est oxydé dans un convertisseur LD pour réduire la teneur en carbone
Ajout d'alliages (chrome, nickel, manganèse) pour obtenir les propriétés souhaitées
L'acier liquide est coulé en lingots ou directement laminé
Transformation en produits semi-finis (plaque, barre, fil)
La production mondiale d'acier dépasse 1.8 milliard de tonnes par an
• Réduction oxydoréduction : Transformation des minerais en métal pur
• Teneur en carbone : Détermine les propriétés mécaniques de l'acier
• Énergie : Processus très énergivore (20-25 GJ/t d'acier)
Rendement : Rapport entre l'énergie utile produite et l'énergie consommée.
Une usine consomme 500 MW d'énergie thermique pour produire 150 MW d'énergie électrique
η = (Energie utile / Energie consommée) × 100%
η = (150 / 500) × 100% = 0.3 × 100% = 30%
30% de l'énergie consommée est convertie en énergie électrique utile
70% de l'énergie est perdue (principalement sous forme de chaleur)
Le rendement de l'usine est de 30%
• Limite théorique : Déterminée par le second principe de la thermodynamique
• Amélioration : Technologies plus efficaces, récupération de chaleur
• Comparaison : Centrales nucléaires ~33%, éoliennes ~45%, panneaux solaires ~20%
Station d'épuration : Installation qui traite les eaux usées pour les rendre conformes aux normes environnementales.
Élimination des gros déchets et sédiments par tamisage et décantation
Décantation pour éliminer les matières en suspension
Biofiltres ou boues activées pour éliminer la pollution organique
Élimination des nutriments (azote, phosphore) et désinfection
Valorisation des boues produites et rejet de l'eau traitée
Le traitement élimine plus de 95% de la pollution organique
• Protection environnementale : Prévention de la pollution des milieux aquatiques
• Biologie : Utilisation de micro-organismes pour dégrader la pollution
• Normes : Respect des limites de rejet imposées par la réglementation
Ciment Portland : Matériau hydraulique obtenu par cuisson de calcaire et d'argile.
Calcaire (CaCO₃) et argile (Al₂Si₂O₅(OH)₄) sont extraites des carrières
Les matières premières sont broyées et mélangées dans des proportions précises
Le cru est cuit à 1450°C dans un four rotatif pour former le clinker
Le clinker est broyé finement avec une petite quantité de gypse
Le ciment est emballé dans des sacs ou stocké en vrac
La production mondiale de ciment dépasse 4 milliards de tonnes par an
• Réaction chimique : 2CaCO₃ + Al₂Si₂O₅(OH)₄ → Produits de ciment + CO₂
• Émissions : Production importante de CO₂ (environ 0.8 t CO₂/t ciment)
• Énergie : Processus très énergivore (3-4 GJ/t de ciment)
