De la Thermodynamique aux Procédés : concepts et simulations.

Questions/Réponses

De la Thermodynamique aux Procédés : concepts et simulations.

Les mélanges : définitions et formalismes

Notion de phase

Phase, corps pur, mélange

Composition d'une phase

Définitions
Quelques conversions
Petit calculateur pour convertir des échelles de concentration

Potentiel chimique d'un constituant dans une phase

Concept de fugacité

Définition de la fugacité
Fugacité et état de référence
État standard
Fugacité et équilibres entre phases
Variation de la fugacité avec la pression
Calcul de la fugacité dans des cas simples

Les mélanges : mélange de gaz parfaits et air humide

Mélange de gaz parfaits

Application  : l'air humide

Humidité
Humidité absolue, humidité relative
Calcul pour un air humide
Température de rosée
Température de rosée
Air humide et température de rosée
Enthalpie d'un air humide
Température de saturation adiabatique
Remarque : température humide

Diagramme de l'air humide

Calculateur des propriétés de l'air humide

Présentation du calculateur
Déshumidification
Mélange

Équilibres liquide-vapeur de mélanges binaires

Équilibres liquide-vapeur de mélanges binaires : comportement expérimental

Diagramme d'équilibre isotherme
Lecture d'une lentille d'équilibre
Diagramme d'équilibre isobare
Azéotropie

Solution idéale

Définition
Équilibre liquide-vapeur d'une solution idéale
Fonctions d'état d'une solution idéale

Les écarts à l'idéalité

Enthalpie libre d'excès de mélanges binaires

Quelques propriétés générales
Quelques expressions simples de l'enthalpie libre d'excès
Équation de Margules à un paramètre
Expression analytique du coefficient d'activité
Expressions empiriques à deux paramètres
SIMULATION : trouver les paramètres qui permettent de représenter le mieux possible le comportement d'un mélange binaire
Modèles de compositions locales
SIMULATION : Ajustement de paramètres sur des données d'équilibres liquide-vapeur binaires
Extrapolation en température
Binaire à deux azéotropes
Système fortement non-idéal
UNIQUAC
Contributions de groupes : équation UNIFAC
Test de l'équation UNIFAC
Comparaison d'UNIFAC et de NRTL

Interprétation des équilibres de phases de mélanges

Les courbes d'enthalpie libre

Équation des courbes d'enthalpie libre
Construction géométrique du potentiel chimique

Interprétation des équilibres de phases

Équilibres de phases et bilan matière

Mélange faiblement non-idéal

Azéotropie

Condition d'azéotropie
Condition d'azéotropie : méthanol-eau
Non idéalité et azéotropie
Azéotrope propanol-eau
Diagramme de phases d'un mélange azéotropique

Azéotrope positif et azéotrope négatif

Azéotrope positif et négatif
Azéotrope positif et azéotrope négatif : pour conclure

Immiscibilité liquide-liquide

Calculs d'équilibre et stabilité

Distillation

Principe de la distillation

Schéma d'une distillation simple
Terminologie
Concept de sélectivité
Amplification de la séparation : relation de Fenske

Calcul d'une colonne simple

Dénombrement des degrés de liberté
Bilan de matière
Plateaux adiabatiques : hypothèse de Lewis

Méthode de Mc Cabe et Thiele pour le calcul d'une distillation

Le problème
La méthode de McCabe et Thiele
Droite opératoire de rectification
Droite opératoire d'épuisement
La construction graphique de McCabe et Thiele
Essayez vous-même

Variations autour de la construction de McCabe et Thiele

Taux de reflux et nombre d'étages
Reflux minimum
Condenseur total ou partiel, consommation énergétique
Optimisation économique de la distillation
Azéotropie
Azéotropie
Efficacité des plateaux
Murphree
Influence de l'état de la charge
État de la charge

Équilibres liquide-vapeur de mélanges multiconstituants

Exemple d'un mélange ternaire

Exemple d'un mélange idéal
Diagrammes triangulaires
Équilibre liquide-vapeur d'un mélange ternaire idéal à T et P fixés

Prédiction des équilibres liquide-vapeur de systèmes multiconstituants

Démarche générale
Mise en pratique de la démarche
Représentation du comportement d'un système ternaire

Diagrammes de phases de systèmes ternaires

Présentation du simulateur
Système ternaire idéal : méthanol (1) - éthanol (2) - propanol (3)
Système ternaire : acétone (1) - méthanol (2) - eau (3)
Système ternaire : méthanol (1) - propanol-2 (2) - eau (3)
Système ternaire : méthanol (1) - tétracholorométhane (2) - benzène (3)
Système ternaire : acétate de méthyle (1) - méthanol (2) - cyclohexane (3).
Système ternaire acétone (1) - chloroforme (2) - méthanol (3)
Système ternaire acétone (1) - chloroforme (2) - benzène (3)

Les Équilibres Chimiques

Réactions chimiques - Notion d'affinité

Écriture d'une réaction chimique
Caractérisation de l'équilibre chimique
Affinité d'une réaction

Loi d'action de masse

Énoncé de la loi d'action de masse
Décomposition thermique de la vapeur d'eau

Formulations simplifiées de la loi d'action de masse

Les solides cristallisés
Réaction chimique avec des liquides : loi d'action de masse en activités
Autres formes possibles de la loi d'action de masse
Estérification

Chaleur de réaction

Chaleur de réaction instantanée
Chaleur globale de réaction
Loi de Van't'Hoff et enthalpie standard de réaction
Chaleur effectivement absorbée par la réaction
Chaleur de réaction

Lois de modération de l'équilibre

Effet d'une modification de température
Effet d'une variation de pression
Loi de modération de l'équilibre
Loi de Le Châtelier
Effet de la composition globale du système sur le déplacement de la réaction

Fluides sous haute pression

Représentation des propriétés des corps pur à partir d'une équation d'état

Retour sur le comportement d'un fluide pur
Les états correspondants
Utilisation d'une équation d'état pour les deux phases
Principe général ; expression de la fugacité à partir d'une équation d'état analytique
Équation d'état analytique : interprétation des différentes branches
Quelques équations d'état usuelles
Calcul effectif des propriétés des corps purs à partir d'une équation d'état
Les principaux diagrammes thermodynamiques
Le diagramme entropie-température
Le diagramme entropie-enthalpie (diagramme de Mollier)
Diagramme enthalpie-pression
Simulateur : diagrammes thermodynamiques de corps purs
Détente dans une vanne - comparaison de modèles
Détente dans une turbine - comparaison de modèles
Calcul d'une pompe

Représentation des propriétés d'un mélange par une équation d'état

Équilibre liquide-vapeur d'un mélange à température et pression élevées
Équations d'état de mélanges
Calcul de la fugacité des constituants
Représentation des équilibres liquide-vapeur de mélanges au moyen de l'équation RKS
Test de l'équation RKS

Équilibres liquide-liquide de mélanges ternaires - Application à l'extraction liquide-liquide

Équilibres liquide-liquide de mélanges ternaires

Un exemple de diagramme de phases
Question

On part d'un mélange équimolaire d'eau et d'éthylhexanol (point ) auquel on rajoute un peu d'éthanol (point ).

Le mélange initial étant composé de deux phases, on peut dire que l'éthanol va se partager entre les phases aqueuse et organique.

Pour quelle phase l'éthanol a-t-il le plus d'affinité[1] ?

Réponse
Analyse de variance
Influence de la température et de la pression sur les diagrammes
Différents types de diagrammes
Diagramme à point critique
Diagrammes ouverts
Équilibres à trois phases
Modélisation des équilibres liquide-liquide

Application à l'extraction liquide-liquide

Extraction à un seul étage
Étage d'extraction
Extraction liquide-liquide multi-étagée à contre-courant
Dénombrement des degrés de liberté
Bilans globaux sur la cascade de mélangeurs-décanteurs
Construction graphique d'une cascade de mélangeurs décanteurs
Construction de McCabe et Thiele
Essayez vous-même !
Utilisation du simulateur
Performance d'une extraction liquide-liquide
Effet du taux de solvant
Extraction liquide-liquide et distillation
Composition de l'extrait et taux de solvant
Amélioration de la séparation : reflux d'extrait
Question

On souhaite séparer par extraction[2] liquide liquide multi-étagée un mélange contenant 40% de méthylcyclohexane et 60% de n-heptane (en fractions molaires[3]) en utilisant l'aniline comme solvant. On souhaite une fraction molaire[3] résiduelle de méthylcyclohexane dans le résidu[4] désolvanté inférieure à 1%. Tous les étages de séparation sont maintenus à la température de 300K.

Quel est le taux de solvant[5] minimal pour réaliser la séparation ?

Réponse

Équilibres liquide-solide

Calcul de l'enthalpie libre des phases

Enthalpie libre des corps purs à l'état liquide et solide
Diagramme d'enthalpie libre
Interprétation de l'équilibre liquide-solide

Diagramme simple avec un eutectique

Séparation par cristallisation

Expression de la solubilité

Température de solidification de l'eau salée

Équilibre entre des solides cristallisés et une solution non-idéale

Faibles écarts à l'idéalité
Fonte d'un glaçon
Liquide antigel
Forts écarts à l'idéalité : démixtion liquide-liquide

Formation de composés définis

Composé défini à fusion congruente
Fusion non congruente
Salage des routes en hiver

Solutions solides

Solides solubles en toutes proportions
Solides à miscibilité partielle : eutectique
Solides à miscibilité partielle : péritectique
Eutectoïde, péritectoïde

Diagrammes réels

Le diagramme Lithium - Aluminium
Le diagramme Étain - Cuivre
  1. affinité

    l'affinité d'une réaction chimique est définie par où les sont les coefficients stœchiométriques. Son signe indique le sens de l'évolution d'une réaction chimique, elle est nulle à l'équilibre

  2. extraction

    procédé dans lequel les constituants d'un mélange sont séparés en mettant à profit leur différence de solubilité dans un tiers corps (solvant)

  3. fraction molaire

    La fraction molaire d'un constituant est le rapport du nombre de moles de ce constituant au nombre de moles total dans le mélange. Elle est notée dans une phase liquide et dans une phase vapeur

  4. résidu (en distillation)

    débit de matière soutiré au rebouilleur

  5. taux de solvant (en extraction liquide-liquide)

    rapport du débit de solvant alimentant la cascade de mélangeurs-décanteurs au débit de mélange à séparer

  6. taux de reflux (en distillation)

    le rapport du débit de reflux au débit de distillat

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)