Différences entre un processus continu et un processus discontinu

Chaque processus de production peut être classé en fonction de la manière dont la matière première est fabriquée et dont le produit est obtenu à partir de cette matière première.

On distingue principalement les processus continus et les processus discontinus, bien qu’il existe des variantes qui combinent les caractéristiques des deux processus.

Processus continu. Le flux de matières premières dans le système est constant pendant toute la durée du processus de production, et le produit obtenu est également constant.
Processus discontinu (également connu sous le nom de processus par lots). La quantité totale de matière première est introduite dans le système au début du processus, et la quantité totale de produit est obtenue après un certain temps.

Dans les procédés où un apport ou un transfert de chaleur est nécessaire dans le produit, la consommation d’énergie et la durée du procédé diffèrent selon qu’il est réalisé en mode continu ou discontinu.

En outre, le type de procédé détermine la taille de l’équipement d’échange de chaleur nécessaire.

Les raisons pour lesquelles un procédé discontinu est choisi plutôt qu’un procédé continu sont les suivantes :

La disponibilité du produit à traiter ou du service chaud ou froid n’est pas continue.
Un certain temps de rétention dans le processus est nécessaire, par exemple pour la stabilisation des propriétés du produit ou le développement de réactions chimiques.
Les travaux d’entretien et/ou de nettoyage prennent une part importante du temps de traitement.

Exemple. Supposons qu’un débit de 10 000 kg/h d’eau chaude à 85 ºC soit nécessaire pour la consommation d’un processus de production donné, d’une durée de 30 minutes. Pour ce faire, l’eau du réseau à 20 ºC est disponible et la vapeur à 4,5 barg (155 ºC) est utilisée comme moyen de chauffage. Le chauffage doit être effectué au moyen d’un échangeur de chaleur tubulaire.

Processus continu

Le flux d’eau chaude est alimenté en permanence tout au long du processus.

Processus continuFigure 1 : Schéma d’un processus continu avec échangeur de chaleur

La consommation totale d’eau sera de 10 000 kg/h x 0,5 h = 5 000 kg.

Le débit de vapeur à 4,5 bar requis, selon le bilan énergétique, est de 1 300 kg/h, et reste constant tout au long du processus.

Par conséquent, la consommation totale de vapeur est de 1 300 kg/h x 0,5 h = 650 kg.

L’échangeur de chaleur tubulaire doit pouvoir chauffer le flux d’eau de 20°C à 85°C instantanément.

Le concepteur doit d’abord choisir un diamètre d’enveloppe avec un nombre de tubes intérieurs adapté au débit d’eau.
La longueur des tubes doit assurer une surface d’échange suffisante, selon l’équation Q = U x A x LMTD, Q étant la capacité d’échange, U le coefficient global de transfert de chaleur, A la surface d’échange et LMTD la différence de température logarithmique moyenne.
Pour des sauts de température importants comme celui de cet exemple (de 20 °C à 85 °C), il est courant que le processus continu nécessite un échangeur de chaleur d’une grande longueur nominale, par exemple 3 000 mm.

Processus batch

La masse d’eau chaude est alimentée avant le début du processus.

Procédé discontinu (également appelé procédé par lots) Figure 2 : Schéma d’un procédé discontinu avec échangeur de chaleur

Pour réaliser le procédé discontinu, il faut un réservoir ayant la capacité d’accumuler la masse totale d’eau nécessaire, soit 5 000 kg. La consommation totale d’eau est donc la même que dans le processus continu. Il existe toutefois des différences par rapport au processus continu :

Dans le procédé discontinu, un certain temps t1 est nécessaire pour accumuler la masse totale d’eau à 20 °C dans le réservoir.
Un certain temps t2 est ensuite nécessaire pour chauffer cette masse d’eau, de 20 ºC à 85 ºC. Ce temps dépend du débit de recirculation, qui ne doit pas nécessairement coïncider avec le débit de consommation (10 000 kg/h dans cet exemple).
Le temps total de fonctionnement du lot sera la somme de la durée du processus (30 minutes dans cet exemple) et des temps précédents : t1 + t2 + 0,5 heure. Toutefois, dans le processus continu, la durée totale de l’opération coïncide avec la durée du processus de 0,5 heure.

Bilan énergétique

Par bilan énergétique, le débit de vapeur requis à 4,5 barg est plus élevé au début de la recirculation, lorsque l’eau est plus froide (à 20 ºC au démarrage), et diminue à chaque passage dans l’échangeur de chaleur tubulaire au fur et à mesure que l’eau du réservoir se réchauffe.

Supposons que l’on fixe une durée maximale de chauffage t2 de 1 heure et que l’on choisisse un débit de recirculation de 7 500 kg/h : dans cet exemple, pour chauffer 5 000 kg d’eau de 20 ºC à 85 ºC, il faut 700 kg/h de vapeur au début de la recirculation et 410 kg/h à la fin.
Bien que la diminution du débit de vapeur au fil du temps ne soit pas linéaire, la consommation totale peut être considérée comme la moyenne des consommations initiale et finale : ½ x (700 kg/h + 410 kg/h) x 1 h = 555 kg. La réduction de la consommation de vapeur par rapport à un processus continu est significative, 14,6 % : 555 kg au lieu de 650 kg.

Contrairement à ce qui se passe dans le processus continu, l’échangeur de chaleur tubulaire en mode discontinu ne doit pas satisfaire instantanément tout le saut de température de 20 ºC à 85 ºC, mais il effectuera des sauts partiels, chaque fois plus petits, jusqu’à ce que le chauffage soit complet.

En général, en conservant le même diamètre d’enveloppe et le même nombre de tubes intérieurs que dans le processus continu, la longueur nominale de l’échangeur de chaleur pour le processus discontinu sera nettement inférieure.
Il est courant que le procédé discontinu nécessite un échangeur de chaleur tubulaire de 1 500 mm de long.

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