CD-ROM inclus et énergétique pour aGhasem e · Le CD-ROM qui accompagne l’ouvrage contient un résumé en anglais de chaque chapitre, ... vii 2 .4 Résumé sur l’analyse des

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ISBN : 978-2-8041-6567-3

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l'ingénierie chimiquePrincipes et applications pratiques

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l'ingénierie chimique


Principes et applications pratiques


CD-ROMinclus

L’objectif de cet ouvrage est de présenter aux étudiants et ingénieurs en génie chimique les principes de base de cette discipline et les techniques de calcul utilisées.

Après un bref rappel des grandeurs manipulées en génie chimique, ce manuel, écritde manière claire et concise, aborde de façon systématique les différentes opéra-tions unitaires (mélange, séparation, réaction, etc.) et le calcul des degrés de libertéqui leur sont associés.

Suivant une progression logique, l’ouvrage détaille le calcul des bilans matières sur les procédés unitaires, les procédés comportant plusieurs unités, les procédésavec réaction ainsi que l’importance du recyclage et de la purge. Il traite ensuitedes bilans énergétiques pour des procédés sans et avec réaction pour finir par le calcul combiné des bilans matière et énergétique et les bilans sur les procédés non stationnaires.

De nombreux exercices corrigés, dont les calculs sont présentés de manière détaillée, ainsi que des problèmes, permettent à l’étudiant de vérifier l’acquisitiondes connaissances.

Le CD-ROM qui accompagne l’ouvrage contient un résumé en anglais de chaquechapitre, des exercices, et met à disposition des logiciels de simulation et de calculadaptés.

Traduction de l’édition américaine

Vincent Lafond est Ingénieur chimiste et Docteur en chimie des matériaux. Il officiedepuis plusieurs années comme traducteur professionnel, spécialisé dans différents domaines de la chimie industrielle (extraction minière, pétrochimie, analyse).

www.deboeck.com

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l’ingénierie chimiquePrincipes et applications pratiques

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ALEXANDER, SADIKU, Analyse des circuits électriques

BEER, JOHNSTON, Mécanique pour ingénieurs. Vol. 1. Statique

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l’ingénierie chimiquePrincipes et applications pratiques

© Groupe De Boeck s.a., 2012 Rue des Minimes 39, B-1000 Bruxelles

Pour la traduction et l’adaptation française Tous droits réservés pour tous pays. Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit. Imprimé en Belgique

Dépôt légal : Bibliothèque nationale, Paris : mars 2012 Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2012/0074/149 ISBN 978-2-8041-6567-3

Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation, consultez notre site web : www.deboeck.com

Ouvrage original

Principles of chemical engineering processes. N. Ghasem, R. Henda. © 2009 by Taylor & Francis Group, LLC. All Rights Reserved.Authorized translation from English language edition published by CRC Press, part of Taylor & Francis Group LLC.

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Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

Les auteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix

Systèmes d’unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi

chapitre 1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1 .1 Qu’est-ce que l’ingénierie chimique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 .2 Bilans matière et énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 .3 Valeurs, unités et dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1 .3 .1 Systèmes d’unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 .4 Conversion des unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 .4 .1 Temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 .4 .2 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 .4 .3 Longueur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 .4 .4 Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 .4 .5 Masse volumique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 .4 .6 Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 .4 .7 Pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 .4 .8 Énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 .4 .9 Puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 .4 .10 Poids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 .5 Homogénéité dimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 .6 Chiffres significatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 .6 .1 Multiplication et division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 .6 .2 Addition et soustraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1 .7 Procédé et variables de procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 .7 .1 Masse volumique, masse et volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 .7 .2 Débit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Sommaire

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1 .7 .3 Moles et masse molaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 .7 .4 Fraction massique et fraction molaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 .7 .5 Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 .7 .6 Pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 .7 .7 Types de pressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 .7 .8 Manomètres pour la mesure de pression et de ∆P . . . . . . . . . . . . 201 .7 .9 Mesure de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 .7 .10 Conversion des températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 .7 .11 Loi des gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 .7 .12 Conditions standard de température et de pression . . . . . . . . . . . 26

1 .8 Classification des procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 .9 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1 .9 .1 Classification des procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 .9 .2 Types de procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 .9 .3 Conversion d’unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 .9 .4 Débit dans un tuyau horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 .9 .5 Débit molaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 .9 .6 Homogénéité dimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 .9 .7 Calcul d’une masse à partir de la densité et du volume . . . . . . . . 311 .9 .8 Conversion d’une équation dans d’autres unités . . . . . . . . . . . . . 31

Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

chapitre 2Opérations unitaires et analyse des degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2 .1 Analyse des degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 .1 .1 Résultats possibles de l’analyse des degrés de liberté . . . . . . . . . 34

2 .2 Origine des équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 .3 Opérations unitaires : Fonctions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2 .3 .1 Diviseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 .3 .2 Agitateur (Mélangeur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 .3 .3 Sécheur (À chauffage direct) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 .3 .4 Filtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 .3 .5 Colonne de distillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 .3 .6 Évaporateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 .3 .7 Déshumidificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 .3 .8 Humidificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 .3 .9 Lixiviation et extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 .3 .10 Absorption et désorption (de gaz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 .3 .11 Condenseur partiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 .3 .12 Vaporiseur et distillation flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 .3 .13 Cristalliseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 .3 .14 Réacteurs (Réacteurs chimiques, chambre de combustion, four et reformeur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

vii

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re2 .4 Résumé sur l’analyse des degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 .5 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2 .5 .1 Absorption de l’acétone contenue dans un courant d’air . . . . . . 642 .5 .2 Séparation d’un mélange liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 .5 .3 Système absorbeur-stripper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 .5 .4 Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 .5 .5 Évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65


chapitre 3Bilans matière sur les procédés unitaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3 .1 Équation générale des bilans matières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 .1 .1 Simplification d’un bilan matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3 .2 Schémas de procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693 .2 .1 Remarque à propos des notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3 .3 Problèmes impliquant des bilans matières sur une unique unité . . . . . . 693 .4 Notions fondamentales sur les bilans matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3 .4 .1 Classification des procédés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 .4 .2 Types de bilans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733 .4 .3 Spécification des courants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3 .5 Changement d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763 .6 Base de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3 .6 .1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763 .6 .2 Méthode de résolution des problèmes de bilan matière . . . . . . . 773 .6 .3 Bilan matière sur un procédé biologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3 .7 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953 .7 .1 Séparation d’un courant de procédé éthanol/méthanol . . . . . . . . 953 .7 .2 Procédé de séchage du cuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953 .7 .3 Séparation d’un mélange éthanol/méthanol/propanol . . . . . . . . . 953 .7 .4 Séparation d’un mélange éthanol/méthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .7 .5 Mélange d’acide chlorhydrique et d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .7 .6 Élimination de l’acétone d’un courant d’azote à l’aide d’un absorbeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .7 .7 Séparation d’un mélange benzène/toluène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .7 .8 Dilution d’une solution de méthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .7 .9 Chambre d’humidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973 .7 .10 Absorption d’eau à partir d’un mélange gazeux . . . . . . . . . . . . . . 973 .7 .11 Séchage du sucre humide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97


viii

chapitre 4Calculs sur des procédés à plusieurs unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4 .1 Procédé constitué de plusieurs unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994 .2 Recirculation, by-pass, purge et appoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4 .2 .1 Recirculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4 .2 .2 By-pass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4 .2 .3 Purge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4 .2 .4 Appoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4 .3 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4 .3 .1 Séparation de mélanges benzène, toluène, xylène . . . . . . . . . . . . 127

4 .3 .2 Procédé de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4 .3 .3 Concentration du jus d’orange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4 .3 .4 Séparation d’un mélange NaCl/KCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4 .3 .5 Système de désulfuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4 .3 .6 Séparation d’un mélange DMF/azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4 .3 .7 Séparation d’un mélange benzène/toluène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4 .3 .8 Séparation du nitrate de potassium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4 .3 .9 Production de café soluble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130


chapitre 5Bilans matière dans les procédés avec réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5 .1 Quantité de matière dans une mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5 .1 .1 Pourquoi utiliser la mole ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5 .2 Bilan matière global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5 .2 .1 Bilan différentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5 .2 .2 Bilan intégral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5 .3 Notions fondamentales sur la stœchiométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5 .3 .1 Équation équilibrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5 .3 .2 Coefficients stœchiométriques (ni) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5 .3 .3 Rapport stœchiométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5 .4 Réactifs limitant et réactifs en excès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5 .5 Taux de conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5 .6 Techniques de résolution des bilans matière pour des procédés impliquant des réactions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5 .6 .1 Technique de l’avancement de la réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5 .6 .2 Technique du bilan sur les éléments ou atomique . . . . . . . . . . . . 142

5 .6 .3 Technique du bilan moléculaire ou sur les composés . . . . . . . . . 143

5 .7 Réactions multiples et avancement de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5 .8 Analyse des degrés de liberté pour des procédés avec réaction . . . . . . 156

5 .8 .1 Bilans sur les espèces moléculaires et avancement de réaction . . 156

ix

Som

mai

re5 .8 .2 Bilans sur les espèces atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

5 .9 Réactions chimiques indépendantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5 .10 Bilans sur des espèces indépendantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5 .11 Équilibre chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5 .12 Réactions de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5 .12 .1 Air théorique et en excès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5 .13 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5 .13 .1 Combustion incomplète du butane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5 .13 .2 Combustion complète du butane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5 .13 .3 Combustion du méthane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5 .13 .4 Combustion de la méthyl éthyl cétone en présence d’un excès d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5 .13 .5 Grillage de la pyrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5 .13 .6 Réaction du gaz à l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5 .13 .7 Production d’acide sulfurique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167


chapitre 6Systèmes multiples avec réaction, recyclage et purge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6 .1 Réaction avec séparation du produit et recyclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6 .2 Réaction avec recyclage et purge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6 .2 .1 Schéma d’un procédé de réaction avec recyclage . . . . . . . . . . . . . 173

6 .2 .2 Schéma d’un procédé de réaction avec recyclage et purge . . . . . 173

6 .3 Réaction et procédés stationnaires à plusieurs unités . . . . . . . . . . . . . . . 177

6 .4 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

6 .4 .1 Analyse d’un réacteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

6 .4 .2 Procédé de synthèse d’un détergent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

6 .4 .3 Production du butanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

6 .4 .4 Procédé d’hydrodéalkylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

6 .4 .5 Combustibles nucléaires à base d’uranium et de zirconium . . . . 200Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

chapitre 7Bilan énergétique en absence de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

7 .1 Enthalpie et bilans énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

7 .1 .1 Comment l’énergie se déplace-t-elle dans les systèmes ? . . . . . . . 204

7 .2 Les différentes formes de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7 .2 .1 Énergie cinétique (Ec) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7 .2 .2 Énergie potentielle (Ep) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7 .2 .3 Énergie interne (U) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7 .3 Variables intensives et extensives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

x

7 .4 Transfert d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067 .5 Premier principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

7 .5 .1 Bilan énergétique d’un système fermé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077 .5 .2 Simplifications possibles du bilan énergétique d’un système fermé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087 .5 .3 Bilan énergétique sur un système ouvert à l’état stationnaire . . 2127 .5 .4 Simplifications possibles du bilan énergétique d’un système ouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

7 .6 Calculs d’enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147 .7 État de référence et propriétés d’état . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147 .8 Utilisation de l’interpolation linéaire avec les données des tableaux de propriété de vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157 .9 Variation d’enthalpie dans des procédés non réactifs . . . . . . . . . . . . . . . 216

7 .9 .1 Variation d’enthalpie résultant d’une variation de température . . 2167 .9 .2 Variation d’enthalpie résultant d’un changement d’état . . . . . . . . 2177 .9 .3 Variation d’enthalpie résultant d’un mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

7 .10 Bilan énergétique d’un bioprocédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2227 .11 Diagramme psychrométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2307 .12 Résumé sur les bilans énergétiques en l’absence de réaction . . . . . . . . . 2387 .13 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

7 .13 .1 Vaporisation de méthanol liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2387 .13 .2 Chauffage du propane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2387 .13 .3 Détente de vapeur saturée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2397 .13 .4 Bilan énergétique sur un système ouvert (chauffage du méthanol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2397 .13 .5 Bilan énergétique sur un système ouvert (chauffage de méthanol liquide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2407 .13 .6 Vaporisation de n-hexane liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2407 .13 .7 Bilan énergétique sur un système fermé (chauffage d’acétone) . . 2407 .13 .8 Bilan énergétique sur un système ouvert (Puissance générée par une turbine) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2407 .13 .9 Bilan énergétique sur un système ouvert (Puissance absorbée par un compresseur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241


chapitre 8Bilan énergétique avec réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

8 .1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438 .2 Enthalpie de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438 .3 Enthalpie de réaction à partir de l’avancement de réaction . . . . . . . . . . 244

8 .3 .1 Notes sur les enthalpies de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2458 .4 Réactions dans des procédés fermés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2468 .5 Mesure des enthalpies de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

xi

Som

mai

re8 .6 Loi de Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2488 .7 Calcul de l’enthalpie standard de réaction ( Hr

0D t )à partir des enthalpies de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2498 .8 Calcul de Hr

0D t à partir des enthalpies de combustion . . . . . . . . . . . . . . . 2508 .9 Calcul de Hf

0D t à partir de Hc0D t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

8 .10 Bilan énergétique sur les procédés avec réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2518 .10 .1 Technique des enthalpies de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2528 .10 .2 Technique des enthalpies de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

8 .11 Procédure générale de calcul des bilans énergétiques pour les procédés avec réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2588 .12 Procédés dont les conditions de sortie sont inconnues . . . . . . . . . . . . . . 2588 .13 Bilan énergétique d’un bioprocédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2688 .14 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

8 .14 .1 Estimation d’une enthalpie de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2708 .14 .2 Production de vapeur surchauffée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2708 .14 .3 Procédé de synthèse de l’ammoniac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2708 .14 .4 Transalkylation catalytique du toluène en benzène . . . . . . . . . . . 2728 .14 .5 Combustion du méthane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2738 .14 .6 Fermentation anaérobie de levure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273


chapitre 9Bilans matière et énergétique combinés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

9 .1 Bilans matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2779 .1 .1 Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2779 .1 .2 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2789 .1 .3 Sélectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2789 .1 .4 Avancement de la réaction (ξ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

9 .2 Bilans énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2799 .2 .1 Technique des enthalpies de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2799 .2 .2 Technique des enthalpies de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2799 .2 .3 Concept des bilans atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2809 .2 .4 Formulation mathématique du bilan atomique . . . . . . . . . . . . . . . 2809 .2 .5 Analyse des degrés de liberté dans le cas du bilan atomique . . . 2809 .2 .6 Mise en place d’un recyclage sur un procédé de séparation . . . . 283

9 .3 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119 .3 .1 Mélange d’éthanol chaud et froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119 .3 .2 Combustion de l’acétylène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119 .3 .3 Déshydrogénation de l’éthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119 .3 .4 Réactions chimiques indépendantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129 .3 .5 Synthèse du cumène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129 .3 .6 Déshydrogénation du propane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314


chapitre 10Bilans matière et énergétique en conditions transitoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

10 .1 Bilan matière en conditions transitoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31510 .2 Bilan énergétique en conditions transitoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32910 .3 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

10 .3 .1 Écoulement d’un fluide depuis un bac de stockage . . . . . . . . . . . 34210 .3 .2 Ébullition de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34210 .3 .3 Chauffage par de la vapeur saturée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34210 .3 .4 Chauffage d’un solvant dans un bac agité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34310 .3 .5 Évolution de la concentration d’un réactif en fonction du temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343


Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

xiii

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Objectif de l’ouvrageCet ouvrage a pour objectif de présenter aux étudiants en ingénierie chimique les principes de base et les techniques de calcul utilisés dans cette discipline, ainsi que de les familiariser avec les fondamentaux des bilans matière et énergie tels qu’ils sont appliqués à l’ingénierie chimique . Il est essentiellement destiné aux ingénieurs chimistes débutants qui seront confrontés aux bilans matière et éner-gétique associés à des problèmes impliquant des réacteurs chimiques . L’ou vrage présente également des méthodes numériques utilisées pour la résolution de ces problèmes à l’aide de logiciels simples .Nous nous focaliserons sur les problématiques des bilans matière et énergétique . Afin d’éviter les redondances, nous n’aborderons pas les sujets susceptibles d’être traités dans des cours d’ingénierie chimique, de thermodynamique ou de mécani-que des fluides . Pour encourager les étudiants à utiliser l’ouvrage, la partie théo-rique n’est expliquée qu’en quelques lignes et dans un langage accessible . Le texte comporte de nombreux exercices résolus présentés dans un format simple et compréhensible visant à expliquer la théorie concernée . Quelques exemples sont résolus à l’aide d’E–Z Solve® et de Polymath, afin de familiariser les étudiants avec l’utilisation de ces logiciels pour la résolution de bilans matière et énergie dans le cas de problèmes complexes . L’ouvrage peut faire l’objet d’un cours étalé sur un semestre à raison de 4 heures hebdomadaires ou sur deux semestres à raison de 2 heures hebdomadaires .

Objectifs du coursEn respectant la logique du présent ouvrage et une fois le cours achevé, vous devriez être en mesure de :

1 . Tracer et renseigner un schéma de procédé répondant à la description d’un procédé donné .

2 . Choisir une base de calcul commode, adaptée aux procédés unitaires ou multiples .

Préface

xiv

3 . Identifier des sous-systèmes pour lesquels il serait possible d’écrire des bilans matière et énergie .

4 . Conduire une analyse des degrés de liberté sur un système global et chacun des sous-systèmes, de formuler et de simplifier les équations des bilans matière et énergétique et de réaliser les calculs nécessaires . Vous devriez être capable de conduire ces analyses dans le cas de procédés unitaires comme multiples, comportant des courants de recirculation, de by-pass ou de purge ainsi que pour des systèmes impliquant des réactions chimiques .

5 . Comprendre et appliquer le premier principe de la thermodynamique (conservation de l’énergie), de calculer les variations d’énergie et d’enthal-pie à l’aide de données tabulées et des capacités calorifiques et d’établir les bilans énergétiques pour des systèmes fermés et ouverts .

6 . Employer la terminologie relative aux procédés de base (discontinu, semi-continu, continu, purge et recirculation) et des opérations unitaires (réac-tion, distillation, absorption, extraction, filtration) .

7 . Être capable d’apprécier pourquoi la maîtrise de ces connaissances de base est importante pour tous les ingénieurs chimistes, quel que soit leur choix de carrière final .

Buts pédagogiquesChacun des cours suivis par l’étudiant doit lui permettre de construire de nou-velles connaissances sur les fondations de ses acquis . À la fin de ce cours, cha-que étudiant devra être capable

1 . D’expliquer les concepts de dimension, d’unité, de psychrométrie, de pro-priétés de vapeur et de conservation de la masse et de l’énergie .

2 . De résoudre des problèmes de bilans matière et énergétique pour des états quasi stationnaires et transitoires impliquant des enchaînements d’étapes unitaires, des flux de recirculation, de by-pass et de purge .

3 . De résoudre et comprendre des bilans matière et énergétique non station-naires simples .

4 . De résoudre des problèmes plus complexes à l’aide du logiciel approprié .5 . De présenter les solutions à des problèmes d’ingénierie à la fois à l’oral et

à l’écrit, d’une manière claire et concise .

Note concernant le CD-ROMLe CD-ROM accompagnant le présent ouvrage contient un résumé de chacun des chapitres du livre, des exercices, un logiciel permettant d’estimer les propriétés physiques, des présentations PowerPoint expliquant les simulations et l’estimation

xv

préf

acedes propriétés à l’aide d’HYSYS ainsi qu’un logiciel permettant d’estimer les para-

mètres des diagrammes psychrométriques .Le CD-ROM contient également le logiciel POLYMATH, que l’acquéreur de l’ou vrage pourra utiliser gratuitement 200 fois . Lors des 50 dernières utilisations, un message d’avertissement s’affichera au lancement du programme pour indiquer le nombre d’utilisations encore disponibles et pour donner des informations sur la manière d’acquérir le logiciel POLYMATH . Le lien Internet permettant d’accéder à ce logiciel est le suivant :

http://www . polymath-software .com/ghasem/

Pour plus d’informations sur le logiciel POLYMATH, utilisez le lien suivant :

http://www .polymath-software .com

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rem

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Les sujets développés dans le présent ouvrage ne reposent pas uniquement sur les thèmes traités dans les manuels disponibles mais surtout sur les sujets trai-tés dans de nombreuses universités partout sur la planète . Les auteurs tiennent avant tout à remercier Allison Shatkin et Rachael Panthier, pour leur aide et coo-pération dans l’édition de cet ouvrage . Nous remercions également les professeurs qui nous ont ouvert le programme et le détail de leurs cours . Il s’agit du profes-seur Ezzat Chan de l’université de Malaya, des professeurs McAuley et Hutchinson de l’université du Queen, des professeurs Rowley et Fletcher de l’université de Brigham Young, du professeur Joseph McCarthy de l’université de Pittsburgh, du professeur Zollars de l’université de l’état de Washington, des professeurs Praus-nitz, Brown, Jessica, Bartling, Koros et Timothy de l’institut de technologie de Géorgie et des professeurs Palecek, Murphy, Root et Rawling de l’université du Wisconsin-Madison . Nos remerciements vont en outre à tous les contributeurs de l’encyclopédie Wikipédia et enfin à tous les professeurs enseignant ou apportant leur contribution à ce sujet .

Nayef GhasemRedhouane Henda

Remerciements

xix

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Nayef GHasem est professeur associé d’ingénierie chimique à l’université des Émirats Arabes Unis où il dispense un cours sur les principes du procédé chimique et l’ingénierie des réactions chimiques aux étudiants de troisième année ainsi que d’autres cours d’ingénierie chimique . Il a précédemment enseigné à l’université de Malaya, en Malaisie . Ses publications concernent avant tout le domaine de la modélisation et de la simulation, la théorie de la bifurcation, l’ingénierie de la réaction de polymérisation et le contrôle avancé des procédés de polymérisation du polyéthylène et du polystyrène . Il est également l’auteur de Simulation of Unit Operations with HYSYS, publié par University of Malaya Press . Le Dr Ghasem est membre et ambassadeur de l’institut des ingénieurs chimistes et membre de la société américaine de chimie (ACS) .

Redhouane HeNda est professeur associé d’ingénierie chimique à l’université Laurentienne, Ontario, Canada . Il a enseigné les principes de l’ingénierie chimique dans un cours donné aux étudiants de premier cycle en parallèle d’autres cours d’ingénierie chimique donnés à des étudiants de premier et de second cycle . Le Dr Henda exerce dans le secteur de l’ingénierie chimique et des matériaux avancés . Il est l’auteur, avec ses étudiants et d’autres collègues, de nombreux articles sur la modélisation et la simulation de systèmes chimiques complexes ainsi que sur les films minces solides élaborés . Le Dr Henda est ingénieur professionnel diplômé de l’Ontario et est actuellement éditeur associé du Canadian Metallurgical Quarterly. Il est membre de la fondation Alexander von Humboldt .

Les auteurs

xxi

Syst

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nité

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Les systèmes d’unités sont définis par référence à la seconde loi de Newton pour un système à masse constante :

F = ma (masse-longueur/temps2)

où F est la force nécessaire pour accélérer un corps de masse m avec une accélération a (longueur/temps2)

système Longueur Temps masse ForceSI Mètre m Seconde s Kilogramme kg Newton N

CGS Centimètre cm Seconde s Gramme g dyneAES Pied pi Seconde s Livre masse lbm Livre force lbf

1,0 N est la force nécessaire pour accélérer une masse de 1,0 kg de 1,0 m/s2 .

1,0 dyne est la force nécessaire pour accélérer une masse de 1,0 g de 1,0 cm/s2 .

1,0 lbf est la force nécessaire pour accélérer une masse de 1,0 lbm de 32,174 pi/s2 .

Préfixes métriques

1012 T téra billion 10–1 d déci dixième109 G giga milliard 10–2 c centi centième106 M méga million 10–3 m milli millième103 k kilo millier 10–6 µ micro millionième102 h hecto centaine 10–9 n nano milliardième101 da déca dizaine 10–12 p pico billionième

accélération de la pesanteur g = 9,8066 m/s² (au niveau de la mer, à la latitude de 45°) g = 32,174 pi/s2

Constante des gaz R = 10,731 psia-pi3/lbmol = 0,730 2 atm-pi3/lbmol R = 0,082 056 atm-l/mol-K = 8,314 3 Pa-m3/mol-K R = 0,083 14 l-bar/mol-K = 1,987 Btu/lb mol = 8314,3 J/kg mol-K R = 8,314 3 J/mol-K = 62,36 l-mmHg/mol-K = 1,987 cal/mol-Kmasse volumique de l’eau à 4 °C ρ(H2O, 4 °C) = 1,0 g/cm3 = 1,0 kg/l = 103 kg/m3

ρ(H2O, 4 °C) = 8,34 lbm/gal = 62,43 lbm/pi3

densité de l’eau = 1,0

densité du mercure = 13,6

Systèmes d’unités

Facteurs de conversion

masse 1 lbm = 5⋅10-4 t = 0,453 593 kg = 453,593 g = 16 oz 1 kg = 1 000 g = 2,204 62 lbm = 0,001 t 1 t = 2 000 lbm ; 1 t = 1 000 kgLongueur 1 pi = 12 po ; 1 ft = 0,304 8 m = 30,48 cm ; 1 po = 2,54 cm ; 1 mile = 5 280 pi 1 m = 1010 Å = 39,37 po = 3,280 8 pi = 1,093 6 yd = 0,000 621 4 miVolume 1 pi3 = 7,481 gal = 1 728 po3 = 28,317 l = 28,317 cm3

1 gal = 231 po3 ; 1 po3 = 16,387 cm3

1 cc = 1 cm3 = 1 ml ; 1 000 ml = 1 l 1 000 l = 1 m3 = 35,3145 pi3 = 220,83 gal imp = 264,17 gal = 1 056,68 qt 8 fl oz = 1 cup ; 4 cup = 1 qt ; 4 quart = 1 gal = 128 fl ozmasse volumique 1 g/cm3 = 1 kg/l = 1 000 kg/m3 = 62,428 lb/pi3 = 8,345 lbm/galForce 1 lbf = 32,174 lbm-pi/s2 = 4,448 222 N = 4,448 2 ∙ 10 dynes 1 N = 1 kg-m/s2 = 105 dynes = 105 g-cm/s2 = 0,224 81 lbf

Pression 1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 105 N/m2

Par définition, le Pascal (Pa) vaut 1 N/m2 = 1 kg/m-s2

1 atm = 1,013 25 bar = 14,696 lbf/in .2 = 760 mmHg à 0 °C (torr) = 29,92 po Hg à 0 °C 1 psi = 1 lbf/po ; psia (absolue) = psig (relative) + 14,696Température 1 K = 1,8°R (températures absolues) T (°C) = T (K) – 273,15 T (°F) = T (°R) – 459,67 T (°F) = 1,8T(°C) + 32Énergie 1 J = 1 N-m = 1 kg-m2/s2 = 107 ergs = 107 dyne-cm = 2,778 ∙ 10–7 kW-h = 0,239 01 cal = 0,737 6 pi-lbf = 9,486 × l0–4 Btu 1 cal = 4,1868 J ; 1 Btu = 778,17 ft-lbf = 252,0 cal 1 Btu/lbm-F = 1 cal/g-°CPuissance 1 cv = 550 ft-lb/s = 0,745 70 kW 1 W = 1 J/s = 0,239 01 cal/s = 0,737 6 ft-lbf/s = 9,486 × 10-4 Btu/s 1 kW = 1 000 J/s = 3 412,1 Btu/h = 1,341 cv

1

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ion

1.1 Qu’est-cequel’ingénieriechimique?Il n’existe à ce jour pas de définition universellement acceptée de l’ingénierie chimique. On peut trouver dans un dictionnaire que « l’ingénierie chimique est une branche de l’ingénierie qui implique la conception et la mise en œuvre d’usi-nes chimiques, de raffineries pétrochimiques et autres, à échelle industrielle ». Autre définition qui circule sur Internet : « L’ingénierie chimique traite des procé-dés nécessaires à la transformation de la composition chimique ou physique, de la structure ou de l’état physique de substances. » Malgré l’absence de consensus parmi les ingénieurs chimistes sur la définition de leur discipline, qui peut être attribuée à la nature très ouverte de la discipline elle-même, il n’y a aucun désac-cord sur le fait que les ingénieurs chimistes :

¡ convertissent des matériaux de faible valeur en produits à forte valeur ;¡ sont impliqués dans la conception et le développement de produits ;¡ conçoivent des procédés de fabrication ;

Ch a p i t r e 1Introduction

1. De comprendre ce qu’est l’ingénierie chimique.2. D’expliquer les différences entre valeurs, unités et dimensions d’une expres-

sion.3. De passer d’un système d’unité à un autre.4. D’utiliser des arguments dimensionnels pour vérifier la validité d’une équation.5. De comparer deux quantités à l’aide d’un groupe adimensionnel.6. D’utiliser la notation scientifique (avec le nombre correct de chiffres signifi-

catifs)7. De déterminer le nombre de chiffres significatifs d’une valeur donnée et d’un

résultat arithmétique.

Cechapitredoitvouspermettre

2

¡ interviennent lors des augmentations d’échelle, du développement et de l’optimisation des procédés ;

¡ réalisent l’analyse économique des procédés de production ;¡ exploitent et contrôlent les procédés de manière à s’assurer que la qualité

des produits est conforme aux spécifications ;¡ sont impliqués dans la gestion des procédés ;¡ interviennent dans les ventes et le service technique associés aux produits.

Comme l’ingénierie chimique repose sur des principes aussi variés que la nature qui nous entoure, les possibilités offertes aux ingénieurs sont immenses et les défis auxquels ils sont confrontés souvent difficiles et en constante évolution. De manière succincte, les applications de l’ingénierie chimique couvrent :

¡ des domaines traditionnels, comme l’extraction minière, la pâte à papier et le papier, le raffinage pétrolier, les matériaux (caoutchoucs, plastiques) et l’environnement ;

¡ des domaines non traditionnels tels que la microélectronique (fabrication des semi-conducteurs), les biotechnologies (procédés de production phar-maceutique, ingénierie génétique, etc.) et les nanotechnologies ;

¡ d’autres domaines (par ex. médecine, juridique et commerce).

Tous les systèmes d’ingénierie chimique ont en commun de mettre en œuvre des procédés dont la finalité est de transformer des matières premières en produits. Un problème typique de conception d’un nouveau procédé ou de modification d’un procédé existant se pose comme suit : « Étant donné la quantité et les propriétés des matières premières, calculer la quantité des produits et en déterminer les pro-priétés, ou vice versa ». Pour répondre à cette question, les ingénieurs chimistes disposent d’outils puissants qui s’appuient sur les bilans matière et énergétique.

1.2 BilansmatièreeténergétiqueLes bilans matière peuvent être utilisés pour décrire les quantités de matière qui transitent lors des opérations de traitement. Ces bilans rendent compte de la conservation de la masse. De même, il est possible de décrire les quantités d’éner-gie mises en jeu par des bilans qui rendent compte de la conservation de l’énergie. S’il n’y a pas d’accumulation, ce qui entre dans un procédé doit en sortir. Quelle que soit l’industrie, les bilans matière et énergétique sont très importants. Les bilans matière sont fondamentaux pour le contrôle du traitement, en particulier pour le contrôle du rendement en produit. Les premiers bilans matière sont déterminés lors des études préliminaires, améliorés par des expériences à échelle pilote, lors de l’élaboration et des tests du procédé, vérifiés à la mise en service de l’unité puis affinés et utilisés comme outil de contrôle lorsque la production est établie.

3

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Intro

duct

ionLes bilans matière doivent être déterminés à chaque modification du procédé. Le

coût croissant de l’énergie a conduit les industriels à étudier des moyens d’en réduire la consommation. Les bilans énergétiques permettent d’étudier les diffé-rentes étapes d’un procédé, un procédé dans sa globalité et même l’ensemble du système de production depuis les matières premières jusqu’au produit fini.Les bilans matière et énergétique peuvent être simples ou extrêmement complexes, mais l’approche de base ne change pas. Des expériences sur des systèmes sim-ples, comme des opérations unitaires, permettent de développer des outils pour étendre les méthodes à des situations plus complexes. La disponibilité des ordi-nateurs permet aujourd’hui de définir et manipuler assez facilement les bilans matière et énergétique, et par conséquent de les utiliser au quotidien dans la ges-tion du procédé pour maximiser les rendements et réduire les coûts. De manière générale, un bilan sur une quantité conservée (la masse ou l’énergie) dans un sys-tème s’écrit :

Accumulation = (entrée – sortie) + (génération – consommation) (1.1)

Les professionnels de l’ingénierie chimique se doivent d’avoir une bonne com-préhension et une maîtrise des bilans matière et énergétique. La formulation des bilans a de grandes implications car :

¡ elle fournit une base pour la modélisation de systèmes qui seraient diffici-les et chers à étudier sur le papier ou par des simulations informatiques ;

¡ elle facilite la synthèse des procédés chimiques et l’évaluation des proces-sus de conception ;

¡ elle guide l’analyse des systèmes physiques ;¡ elle fournit une base pour l’estimation des coûts et bénéfices économiques

d’un projet.

1.3 Valeurs,unitésetdimensionsLes ingénieurs chimistes, comme la plupart des autres ingénieurs, ont constam-ment recours à des valeurs, des unités et des dimensions. Par exemple, une liste de provision indique :

¡ 1 l de lait (valeur : 1 ; unités : litre ; dimensions : volume [longueur3]) ;¡ 1,5 kg de viande (valeur : 1,5 ; unités : kg ; dimensions : masse).

Dans un autre exemple, on considère l’achat de 2,0 l d’eau ; dans ce cas, la « valeur » est la quantité numérique (2,0). L’« unité » indique ce que représente la quantité, dans ce cas 2,0 l. La « dimension » est la propriété mesurable que représentent les unités.

4

taBLe aU 1.1Quantités, unités et symboles du système international (SI)

Quantité Unité (de base) Symbole

Longueur Mètre mCentimètre cm

Masse Kilogramme kgGramme g

Temps Seconde sJour j

Température Celsius °CKelvin K

Le litre est une unité de volume (les unités sont un cas particulier de quantité dimensionnelle). Une quantité mesurée ou comptée comporte une valeur numé-rique (2,0 par ex.) et une unité (2,0 de quoi…). Il est important, dans les calculs d’ingénierie, d’indiquer à la fois la valeur et l’unité. Une valeur sans unité n’a aucun sens, par exemple, la longueur d’une table est 2 m, ou encore 17 s, 2,5 kg, 7 anneaux d’or. Une dimension est une propriété qui peut être mesurée, comme une longueur, une masse ou une température, ou calculée comme par exemple : longueur/temps = vitesse, longueur3 = volume ou masse/longueur3 = masse volu-mique. Des unités mesurables sont des valeurs spécifiques de dimensions qui ont été définies par convention, comme le gramme pour la masse, la seconde pour le temps et le centimètre pour la longueur.Les unités peuvent être traitées comme des variables algébriques lorsque des quantités sont ajoutées, soustraites, multipliées ou divisées. Les unités dérivées peuvent être obtenues en multipliant ou en divisant les unités de base (c’est-à-dire les unités de longueur, de masse et de temps) (voir les tableaux 1.1 et 1.2).

1.3.1 Systèmes d’unités

Il existe différents systèmes d’unités, mais les ingénieurs en utilisent essentielle-ment deux : le Système International (SI) et le système d’unités américain pour

taBLe aU 1.2Relation entre quelques unités courantes et les unités de base

Quantité Unité Symbole Exprimé en unités de base

Volume Litre l 0,001 m3

Force Newton N 1 (kg⋅m)/s2

Énergie Joule J 1 N⋅m = 1 (kg⋅m2)/s2

Pression Pascal Pa 1 N/m2 = 1 kg/(m⋅s2)Masse volumique g/cm3 ρ 1 kg/m3

Masse molaire g/mol M 1 kg/kmol

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l’ingénierie (AES – American Engineering System). Les autres systèmes sont le Centimètre Gramme Seconde (CGS), le Pied (Foot) Livre (Pound) Seconde (FPS) et le système d’unités Anglo-saxon. Le tableau 1.3 donne les unités associées à chacun de ces systèmes.

1.4 ConversiondesunitésUne quantité mesurée peut être exprimée en termes d’unités de dimensions appropriées. Par exemple, la vitesse peut être exprimée en pieds par seconde, miles/heure ; centimètres par an ou tout autre rapport de longueur par unité de temps. La valeur numérique de la vitesse dépend des unités choisies, par exem-ple 20 m/s = 66 pi/s.Pour convertir une quantité exprimée dans une unité en son équivalent dans une autre unité, il faut multiplier la quantité donnée par le facteur de conversion (nouvelle unité/ancienne unité).Par exemple, pour convertir 36 mg en grammes :

,mg mgg

g36 1 0001

0 036# =c m

Les conversions suivantes sont couramment utilisées et doivent être connues.

1.4.1 Temps

,min mins s60 1 160 1= =

,min

minsh j

h jan

60 60 24 365 25

1.4.2 Masse

,tonne courte

lblb

gkg

gtonne

kg2 000 453 6 1 000 1 000m

m

taBLe aU 1.3Unités associées aux différents systèmes d’unités

Système Masse (m) Longueur (l) Temps (t) Température (T)

SI Kilogramme (kg) Mètre (m) Seconde (s) Kelvin (K)AES Livre (lbm) Pied (pi) Seconde (s) Degré Fahrenheit (°F)CGS Gramme (g) Centimètre (cm) Seconde (s) Kelvin (K)FPSa Livre (lbm) Pied (pi) Seconde (s) Degré Fahrenheit (°F)Anglo-saxon Slug Pied (pi) Seconde (s) Degré Celsius (°C)

a Le sigle FPS est parfois utilisé pour désigner les unités du système impérial.

6

1.4.3 Longueur,

mcm cm

pipo

po milepi100 2 54 12 5 280

1 m = 100 cm = 1 000 mm = 106 µm = 1010 Å

1.4.4 Volume

cmcc

mcm

lml

ml

l1 1 1 000 1 000

3

3

3

1.4.5 Masse volumique

Masse volumique de l’eau à 4 °C exprimée dans différentes unités

, ,cm

g kgm

kggal

lb lbl pi

1 1 10 8 34 62 4m m3 3

3

3; ; ; ;

Densité de l’eau = 1,0Densité du mercure = 13,6

1.4.6 Force

D’après la deuxième loi de Newton, une force est proportionnelle au produit d’une masse par une accélération (longueur/temps²) et a pour unité (kg·m)/s² (SI), (g·cm)/s² (CGS) et (livre·pi)/s² (AES). Dans les systèmes métriques, on utilise couramment les unités dérivées suivantes :

F = m·a1 Newton (N) ≡ 1 (kg·m)/s2

1 dyne ≡ 1 (g·cm)/s2

( )/N skg m

kg m sN

2 2:

:= ;

Dans le système AES, la force dérivée est appelée livre force (lbf) et est définie comme le produit d’une unité de masse (1 lbm) par l’accélération de la pesanteur, qui vaut 32,174 pi/s2.

,,

lb slb pi

lbs

lb pi

32 17432 174

fm

f

m

2

2= :

:

;

7

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ion1.4.7 Pression

La pression est le quotient d’une force par la surface sur laquelle elle s’exerce.

1 pascal (Pa) = 1 N/m2 = 1 kg/ms2 (pression en unités de base)

/ ,760 ; 1,013 25psi

lb inatm

psimmHg

atmbar

atm1 14 696f2

10/bar

PaN

Pabar

kPam

1100 5

2;;

1.4.8 Énergie

1 J = 1 N⋅m = 1 kg⋅m2/s2 (unités de base de l’énergie)

10 4,184JkJ

N mJ

Jcalorie1

3 :;

,kJ

JBtu

kJ10 1 053

1.4.9 Puissance

W = J/s ; kW = 1,34 cv

/1,34W

J skW

Wcv

kW1 103

1.4.10 Poids

Le poids P d’un objet de masse m est la force exercée par l’attraction de la pesan-teur g sur cet objet :

P = m⋅g

La valeur de g, au niveau de la mer et à 45° de latitude, dans les différents systè-mes d’unité est :

g = 9,806 6 m/s2 (SI)

= 980,66 cm/s2 (CGS)

= 32,174 pi/s2 (AES)

8

1.5 HomogénéitédimensionnellePour qu’une équation soit valide, les dimensions de part et d’autre du signe égal doivent être les mêmes. Ou, pour l’exprimer différemment, les équations doivent être dimensionnellement homogènes. Il est recommandé de travailler dans des unités similaires (par conversions). Il est également souhaitable, lors de la réso-lution d’un problème, de faire apparaître toutes les unités afin de tester la vali-dité des équations. Il est possible d’utiliser des arguments dimensionnels pour vérifier la validité d’une équation.Les équations suivantes sont-elles dimensionnellement homogènes ?

1. x(m) = x0(m) + 0,304 8(m/pi) ν(pi/s) t(s) + 0,5a(m/s2)[t(s)]2

2. ,/

( )P Pm skg

atmPa

Pakg ms

atm mkg

sm101 325 0 12

2

0 3#:

t o= +c ` c c `m j m m j

Réponse1. Il est parfois plus simple d’écrire les unités sous forme de fractions verti-

cales afin de faciliter les simplifications.

( ) ( ) , ( ) , [ ( )]x x t a tm mm

ss

sm

spi

pi0 3048 0 50 2

2o= + +e e eo o o

m [=] m + m + m

L’équation ci-dessus est dimensionnellement homogène, car chacun des termes a la dimension d’une longueur (m).

2. Simplifier l’équation en écrivant les unités sous forme de fractions verti-cales.

,/

( )P Pm skg

atmPa

Pakg ms

atm mkg

sm101 325 0 12

2

0 3#:

t o= +c e e c `m o o m j

m skg

2:= m s

kg2:

m skg2 2:

+

Comme on peut le voir, les dimensions ne sont pas homogènes. Une équation dont les dimensions sont homogènes n’est pas nécessairement valide ; les con sidérations sur les dimensions servent uniquement de premier test de validité. Les unités sont également importantes pour les ingénieurs chimistes comme outil mathématique. Comme les équations doivent être cohérentes du point de vue des dimensions, les ingénieurs peuvent exploiter cette contrainte pour donner leurs unités aux différents termes et en déduire les unités des varia-bles. « Dimensionnellement cohérent » signifie que l’égalité définie par le signe égal n’impose pas uniquement que les valeurs soient identiques, mais égale-ment que les unités soient les mêmes pour les deux membres de l’équation.

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ion1.6 Chiffressignificatifs

Les chiffres significatifs d’un nombre sont les chiffres depuis le premier non nul en partant de la gauche jusqu’au dernier (nul ou non) à droite si le nombre com-porte un séparateur décimal ou le dernier chiffre non nul du nombre s’il n’y a pas de séparateur décimal. Le nombre de chiffres significatifs est facile à identifier en notation scientifique. La notation scientifique est en général un mode de repré-sentation des grands nombres plus commode (tableaux 1.4 et 1.5).

Trois chiffres significatifs comme par exempleNombre conventionnel 123 000 000Notation scientifique 1,23 × 108

représentent la précision avec laquelle une valeur est connue.Montre sans trotteuse → 7:31Montre avec trotteuse → 7:31:07Chronomètre → 7:31:07,13

Les nombres peuvent être écrits de manière à faire apparaître les chiffres signifi-catifs :

¡ Avec décimales : Compter depuis le premier chiffre non nul à gauche jusqu’au dernier chiffre à droite.

¡ Sans décimales : Compter depuis le premier chiffre non nul à gauche jusqu’au dernier chiffre non nul à droite.

¡ Notation scientifique : Seuls les chiffres significatifs sont représentés.

Exemples4,050 0 × 104 (40 500) → 5 chiffres significatifs0,001 2 (1,2 × 10–3) → 2 chiffres significatifs0,001 200 (1,200 × 10–3) → 4 chiffres significatifs40 500 (4,05 × 104) → 3 chiffres significatifs1,47 × 108 → 3 chiffres significatifs

taBLe aU 1.4Chiffres significatifs pour des nombres sans séparateur décimal

Nombres Chiffres significatifs

2 300 2230 001 602 301 4023 010 4

10

taBLe aU 1.5Chiffres significatifs pour des nombres avec séparateur décimal

Nombres Chiffres significatifs

230,001 60 230,10 50,010 3 30,010 30 4

Pour un nombre avec séparateur décimal, compter tous les chiffres à partir du premier non nul à gauche, jusqu’au dernier chiffre, zéros compris.Il existe une convention acceptée pour les résultats issus de calculs. Celle-ci dit simplement qu’un résultat final ne doit pas être présenté avec plus de chiffres significatifs que le facteur le moins précis de l’expression évaluée. Par exemple, la distance parcourue en 2 s par un véhicule se déplaçant à une vitesse de 16,223 m/s est 32 m. Le fait que votre calculatrice soit capable d’afficher 32,446 000 m n’est qu’un artefact électronique. Vous devez arrondir le résultat pour qu’il comporte le nombre de chiffres significatifs approprié. Les calculs intermédiaires doivent être effectués avec la précision maximum des outils utilisés (calculatrice ou ordi-nateur) mais le résultat doit refléter la précision réelle.

1.6.1 Multiplication et division

Le nombre de chiffres significatifs de votre réponse doit être égal au nombre de chiffres significatifs du terme multiplié ou divisé qui en compte le moins.

1.6.2 Addition et soustraction

Comparer les positions du dernier chiffre significatifs de chacun des termes : la position la plus à gauche doit être la position du dernier chiffre significatif de votre réponse.

ExEmplE 1.1 Chiffres significatifsCombien y a-t-il de chiffres significatifs dans 2,04 × 10–3 ?

RéponseCe nombre en notation scientifique comporte trois chiffres significatifs.

ExEmplE 1.2 Addition et chiffres significatifsVotre voiture pèse 1 100 kg ; vous placez un sac de 4 kg dans le coffre. Combien votre voiture pèse-t-elle maintenant ?

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ionRéponse

La voiture pèse toujours 1 100 kg. Vous ajoutez les deux nombres

1 100 kg + 4 kg = 1 104 kg

mais vous ne pouvez conserver que les centaines puisque le poids de la voiture (sans le sac) n’est pas connu avec une meilleure précision.

ExEmplE 1.3 Multiplication de chiffres significatifsVous mesurez la masse d’un échantillon à 3 kg. Calculez-en le poids en multi-pliant la masse par l’accélération de la pesanteur g = 9,81 m/s². Combien trouvez-vous ?

RéponseOn trouve un poids de 30 N. La multiplication des deux nombres donne

(3 kg)(9,81 m/s²) = 29,43 N

Mais on ne peut conserver qu’un seul chiffre significatif puisque la masse n’était pas connue avec plus de précision (c’est-à-dire 30 N).

1.7 ProcédéetvariablesdeprocédéSchéma de procédé – Schéma représentant l’enchaînement des opérations unitai-

res connectées par des courants de procédé. Il montre la circulation de la matière et de l’énergie entre les différentes opérations unitaires (figure 1.1).

Procédé – Désigne toute opération ou série d’opérations qui modifie physique-ment ou chimiquement une substance ou un mélange de substances.

Opération unitaire – Appareil ou équipement dans lequel est réalisé l’une des opérations constitutives d’un procédé. À chaque opération unitaire est asso-cié un jeu de courants de procédé d’entrée et de sortie, constitués de maté-riaux qui entrent et sortent de l’unité.

Courant de procédé – Ligne qui représente le déplacement de matière depuis ou vers des opérations unitaires. En général, ces courants comportent des infor-mations sur la quantité, la composition, la température et la pression des composants.

Entrée Procédé unitaire(réacteur, séparateur, etc.)

Sortie

Fi GUr e 1 .1Schéma global d’un procédé.

12

1.7.1 Masse volumique, masse et volume

La masse volumique (ρ) ≡ masse (m) par unité de volume (V) d’une substance ; les unités sont en masse/longueur3 (kg/m3, g/cm3)

Vm

volumemasse

t = =

La masse volumique peut servir de facteur de conversion pour relier la masse au volume d’une substance. Les masses volumiques de solides et de liquides purs sont pour ainsi dire indépendantes de la pression et varient légèrement avec la température. Pour la plupart des composés, la masse volumique diminue avec la température (expansion du volume). L’eau représente une exception.

ρ (H2Oliquide) = 0,999 87 g/cm3 à 0 °C

= 1,000 00 g/cm3 à 4 °C

= 0,958 28 g/cm3 à 100 °C

Hypothèses : Les solides et les liquides sont incompressibles, ce qui signifie que leur masse volumique est constante et indépendante des variations de pression. Les gaz (vapeurs) sont compressibles, ce qui signifie que leur masse volumique varie avec la pression.Volume spécifique (1/ρ) ≡ volume occupé par une unité de masse d’une subs-tance.Unité de longueur3/masse (inverse de la masse volumique).Densité (d) ≡ au rapport de la masse volumique (ρ) d’une substance à la masse volumique (ρref) d’une substance de référence dans des conditions spécifiques

ce de r f rencecee etan

ensiontan

[]d dimmasse volumique de la subs

masse volumique de la subssans

reftt= = = =

l l

Il est d’usage de faire référence à l’eau à 4 °C, pour les solides comme pour les liqui des. Sa masse volumique est donnée par : ρref = ρH2O|@4°C = 1,000 g/cm3 = 1 000 kg/m3.La notation suivante signifie que la densité d’une substance à 20 °C par référence à l’eau à 4 °C est de 0,6 :

,d 0 6ref4 Csub20 C

t

t= c

c

1.7.2 Débit

Le débit définit la quantité de matière transportée dans une conduite du pro-cédé, par unité de temps (figure 1.2).

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ion

Débit massique = ṁ = masse/temps Débit volumique = V̇ = volume/temps

Où le « point » au-dessus du m et du V indique qu’il s’agit d’un débit. La masse volu-mique peut être utilisée pour convertir le débit volumétrique connu d’un courant de procédé en un débit massique de ce même courant, ou vice versa.

..

Vm mMasse volumique t= = =

V

1.7.3 Moles et masse molaire

La masse atomique est la masse d’un atome d’un élément donné. Une mole est la quantité d’une espèce dont la masse en grammes est numériquement égale à sa masse molaire ; 1 mole, quelle que soit l’espèce, contient approximativement 6,02 × 1023 (le nombre d’Avogadro) molécules de cette espèce. La masse molaire (ou masse moléculaire) est la somme des masses atomiques des atomes constitutifs d’une molécule du composé ; elle a pour unité le kg/kmol ou le g/mol. La masse molaire est le facteur de conversion qui relie la masse et le nombre de moles à une quantité de substance.

1.7.4 Fraction massique et fraction molaire

Les courants de procédé contiennent parfois une unique substance, mais il s’agit le plus souvent de mélanges de liquides ou de gaz, ou de solutions d’un ou plusieurs solutés dans un solvant liquide. Les relations suivantes peuvent être utilisées pour définir la composition d’un mélange de substances contenant une espèce A :

: x masse de Akg totalkg de A

o totalg de A

Fraction massique masse totale u gA = c m

: y moles Akmol totales

kmol de A o mol totalesmol de AFraction molaire moles totales

de uA = c m

Le pourcentage massique de A est donné par 100xA, et le pourcentage molaire de A par 100yA. Les fractions massiques peuvent être converties en fractions molaires ou inversement en définissant une base de calcul. Souvenez-vous que ces fractions sont sans unités.

1.7.5 Concentration

La concentration d’un composant d’un mélange ou d’une solution est la quantité de ce composant par unité de volume du mélange. La concentration massique

m· (kg de fluide/s) ou

V (m3 de fluide/s)·

Fi GUr e 1 .2Transport de matière dans une conduite du procédé.

14

est la masse d’un composant par unité de volume de mélange (g/cm3 et kg/m3). La concentration molaire est le nombre de moles d’un composant par unité de volume de mélange (mol/l et kmol/m3). Les composés présents à l’état de traces (espèces présentes en très petites quantités) d’un mélange de gaz ou de liquides sont généralement quantifiés en parties par million (ppm) ou parties par milliard (ppb)1.Si yi est la fraction molaire du composant i, alors

ppmi = yi × 106, ppb = yi × 109

1.7.6 Pression

La pression est le quotient d’une force par la surface sur laquelle elle s’exerce. Les unités de pression sont des unités de force divisées par des unités de surface (ex. : N/m2 ou pascal (Pa), dynes/cm2). La pression exercée par une colonne ver-ticale de fluide de masse volumique (ρ) et de hauteur (h) est appelée la pression hydrostatique et est donnée par :

P = P0 + ρgh

OùP0 est la pression appliquée en haut de la colonneg est l’accélération de la pesanteur

L’atmosphère terrestre peut être considérée comme une colonne de fluide sur laquelle s’exerce une pression nulle. La pression du fluide à la base de cette colonne (par ex. au niveau de la mer) est la pression atmosphérique, Patm.

Patm = 760 mmHg = 1,013 25 × 105 N/m2 (Pa) = 1 atm

La pression absolue, Pabs, d’un fluide est la pression relative à un vide parfait (P = 0). De nombreux dispositifs de mesure donnent la pression relative du fluide, qui est la pression du fluide par rapport à la pression atmosphérique. Une pres-sion relative de 0 indique que la pression absolue du fluide est égale à la pression atmosphérique. Par définition, la pression est une force par unité de surface. Elle peut être expri-mée comme une pression relative ou absolue. Les unités de pression sont :

Unité SI : N/m2 (ou Pa)

Unité CGS : dynes/cm2

Unité AES : lbf/po2 (ou psi)

1. N.D.T. : Pour éviter la confusion entre les m de million et de milliard, on conserve la nota-tion anglo-saxonne ppb pour part per billion.

15

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion

Les ingénieurs chimistes s’intéressent particulièrement aux pressions exercées par des fluides :

1. si un fluide s’écoule dans une conduite horizontale et qu’une fuite se forme, une force doit être appliquée sur la zone de la fuite. Cette pression est appelée pression du fluide (la force appliquée doit être divisée par la surface du trou). Ceci est schématisé sur la figure 1.3 ;

2. si un récipient vertical contient un fluide, la masse du fluide exercera une force sur la base du récipient. Cette pression est appelée pression hydro-statique. La pression hydrostatique est la pression exercée par la masse d’un fluide. Ceci est schématisé sur la figure 1.4.

Patm

Pression du fluide =F/S

Force, F

Surface, S

haut

eur,

h

Bac ouvert

Fi GUr e 1 .3Pression du fluide à la base d’un réservoir.

Bac ouvert

h (m)

S (m2)

P0 (N/m2)

P (N/m2)

Masse volumiqueρ (kg/m3)

Fi GUr e 1 .4Pression à la base d’une colonne de fluide (pression hydrostatique).

16

1.7.7 Types de pressions

a. La pression atmosphérique, Patm, est la pression exercée par le poids de l’atmosphère terrestre. Elle est souvent appelée pression barométrique.

b. La pression absolue, Pabs, est la pression totale. Une pression absolue de 0,0 est un vide parfait. C’est la pression à utiliser dans tous les calculs, sauf lorsqu’il s’agit de différences de pression.

c. La pression relative, Prel, est la pression par rapport à la pression atmos-phérique.

d. La pression de vide, Pvide, est une pression relative inférieure à la pression atmosphérique. Elle permet d’utiliser une valeur de pression positive.

La pression absolue, la pression relative et la pression atmosphérique sont reliées par l’expression suivante :

Pabsolue = Prelative + Patmosphérique

Une atmosphère standard est définie comme la pression équivalente à 760 mmHg au niveau de la mer à 0 °C. L’unité de la pression standard est l’atmosphère (atm). Les pressions équivalentes à l’atmosphère standard (atm) sont :

1 atm = 760 mmHg = 76 cmHg

= 1,013 × 105 N/m2 (ou Pa) = 101,3 kPa = 1,013 bar

= 14,696 psi = 29,92 poHg = 33,91 piH2O

Les unités psi et atm sont parfois suivies d’un suffixe « a » ou « r » (« g » pour « gauge » pour les unités anglo-saxonnes) qui indique s’il s’agit d’une pression absolue ou relative. Ainsi psig désigne une pression relative en psi et psia, une pression absolue en psi. De même pour atma ou atmr.

ExEmplE 1.4 Notions fondamentales sur la pressionConsidérer le manomètre de la figure E1.4. Sachant que h = 25,4 cm et que le fluide dans le manomètre est du mercure (ρ = 13,6 g/cm3), calculer les pressions relative et absolue.

RéponsePression relative = pression absolue – pression atmosphérique

ρ = 13,6 g/cm3 (ou 13,6 fois supérieure à celle de l’eau)

17

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion

On a :Pression relative = Prel = ρgh

, , , [ ] ,cmg

cmg

mkg

mcm

cmsm13 6 1 000 9 81 25 4 0 013

3

2

2

3# # # #=

J

L

KKKK

c c

N

P

OOOO

m m

R

T

SSSSS

= ; ;

V

X

WWWWW

G E E

mskg

hPa33 900 3392= =; E

Pression absolue = Prel + Patm = 339 + 1 013 = 1 352 hPa

ExEmplE 1.5 Mesures de la pressionLa pression atmosphérique diminue avec l’altitude sur la terre. La température de l’atmosphère diminue également avec l’altitude jusqu’à environ 10 km puis elle commence à remonter. Sur les dix premiers kilomètres, la température diminue linéairement avec l’altitude selon la constante C = 6,5 K/km ou (°C/km). La pres-sion à une altitude quelconque peut être calculée à l’aide de l’équation suivante :

1PP

TC z– CR

Mg

0 0= c m

OùP = pression à une altitude zP0 = pression au niveau de la merC = 6,5 K/kmT0 = température au niveau de la merz = altitude par rapport au niveau de la merM = 29 g/mol = masse molaire de l’airg = 9,806 6 m/s2 = attraction de la pesanteurR = 8,314 J/mol·K = constante des gaz parfaits

Pressionatmosphérique

h

Prel =ρgh

h = différence de hauteur

g = accélération de la pesanteur

ρ = masse volumique du fluide

Fi GUr e e1.4Mesure de la pression à l’aide d’un manomètre.

18

a. Vérifier que la valeur entre parenthèses et l’exposant sont sans dimension.b. Calculer la pression (en atm) au sommet du Mont Everest (8 848 m) en

considérant une température au niveau de la mer de 20 °C.

Réponsea. Substituer les unités comme ci-dessous :

–( , )

,PP

km KK

mm

1293 156 5

810

8 848 30, ,

2

,

km

K

m

km

mol K

J

Js

kg m

mol

g

g

kg

s

m

6 5103

8 3142

29103

9 806 62

=km

e o

Z

[

\

]]]]

]]]]

_

`

a

bbbb

bbbb

b. , , , , ,PP

PP P Patm atm0 804 0 317 1 0 317,

0

5 26

00

3 &= = = =

ExEmplE 1.6 Pression relative dans un réservoirUne jauge de pression placée sur un réservoir indique 20 psi. Quelle est la pres-sion relative ?

RéponseLa jauge indique directement la pression relative. L’indication doit donc par conséquent être interprétée comme une pression relative et pour éviter toute confusion, il est préférable d’écrire 20 psig plutôt que 20 psi.

ExEmplE 1.7 Pression absolueUne jauge placée sur un réservoir indique 15 psi. Quelle est la pression absolue dans le réservoir ?

RéponsePabs = Prel + Patm

Comme la pression atmosphérique n’a pas été donnée, nous supposons qu’elle est de 14,69 psi. Nous calculons donc la pression absolue dans le réservoir par :

Pabs = 14,69 + 15 = 30 psia

ExEmplE 1.8 Pression absolue à partir d’une pression de videLa jauge de pression placée sur un réservoir indique 20 cmHg de vide. Quelle est la pression absolue dans le réservoir ?

RéponseLa jauge indique directement la pression relative du vide. La pression est infé-rieure à la pression atmosphérique, ou de –20 cmHg par rapport à la pression atmosphérique. La pression absolue est donc :

Pabs = Patm + Prel = 76 + (–20) = 56 cmHg

19

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion

Fi GUr e 1 .5Manomètre à tube de Bourdon.

Les différents types de dispositifs de mesure de la pression sont le tube de bourdon (figure 1.5), la capsule à membrane, le capteur de capacité, la colonne de fluide, le manomètre, le baromètre, la membrane de silicone, et les jauges de con trainte à semi-conducteur, ces dernières ayant la meilleure réponse et la sensibilité la plus élevée. Un manomètre est un dispositif à tube en U qui utilise un fluide de masse volumique supérieure à celle des autres fluides du procédé. Le fonctionnement d’un manomètre repose sur le fait que la pression hydrostatique au même niveau du même fluide doit être identique dans chacune des branches du U. Pour com-prendre le fonctionnement d’un manomètre, il faut comprendre comment est déter-minée la pression hydrostatique générée par la masse d’une colonne de fluide.Par définition de la pression :

P F mg Vg hgghS S S S

St tt= = = = =

À chaque fois qu’il est nécessaire de déterminer la pression hydrostatique due à la masse d’un fluide, il suffit d’appliquer

P = ρgh

ExEmplE 1.9 Pression générée par une colonne de fluideQuelle est la pression (en kPa) générée par une colonne de fluide de 25,0 cm (d = 6,43) au niveau de la mer et dans les conditions ambiantes ?

RéponseP = ρgh

En unités SI : h = 25 cm = 0,250 m ; ρref = 1 000 kg/m3 ; g = 9,8 m/s2

P = ρgh = (ρref × d)gh

20

,mkg

sm

skg m

N

mN

kPa1 000 9 8

1

1

1 000

13 2

2 2:( , ) ( , )m6 43 0 250= , kPa15 8=c ` f fm j p p

ExEmplE 1.10 Pression générée par une colonne de mercureQuelle est la pression (en bar) générée par une colonne de mercure de 193 cm à température ambiante, avec g = 9,81 m/s2 ?

DonnéesLa densité du mercure est de 13,55.La masse volumique de l’eau (fluide de référence) est : ρref = 1 000 kg/m3

RéponseP = ρgh = ρref × d × g × h

, , ,mkg

sm cm cm

mPa

bar bar1 000 13 55 9 81 193 101

101 2 63 2 2 5# # # # #= =

1.7.8 Manomètres pour la mesure de pression et de ∆P

La figure 1.6 représente trois installations de manomètres. Ces manomètres peu-vent être utilisés pour mesurer la pression à l’aide d’une colonne de liquide dense.

a. Un manomètre dont une extrémité est ouverte donne la pression relative.b. Un manomètre différentiel donne le ∆P entre deux points. Noter que la

pression diminue dans la direction de l’écoulement.c. Un manomètre dont l’une des extrémités est fermée donne une pression

absolue. Un manomètre dont une des branches est fermée et l’autre ouverte mesure la pression atmosphérique. Il s’agit d’un baromètre.

(a) Extrémité ouverte (b) Différentiel (c) Extrémité fermée

P1

P2 = 0

P1P1 P2

P2 = Patm

Fi GUr e 1 .6Différentes installations de manomètres.

21

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion

Masse volumique du fluide 2

d1

d2

P1

P2

(b)

h

Masse volumique dufluide du manomètre ρf

(a)

Les principales variables à prendre en compte avec un manomètre sont celles associées à la mesure de la pression ou de la différence de pression comme cela est représenté sur la figure 1.7. La ligne a – b se trouve à l’interface entre le fluide du manomètre et le fluide à la pression la plus élevée. Sur cette ligne, la pression hydrostatique est identique dans chacune des branches du U. Elle devient notre ligne de référence. Dressons un bilan des pressions en les égalisant dans chacune des branches pour écrire l’équation générale des manomètres :

Σ Pressions branche 1 = Σ Pressions branche 2

Soit P1 + ρ1gd1 = P2 + ρ2gd2 + ρfgh

ExEmplE 1.11 Perte de charge dans un diaphragmeDéterminer la perte de charge dans un manomètre à diaphragme tel que repré-senté dans la figure E1.11.

RéponseIl s’agit d’un manomètre différentiel. Noter que la pression hydrostatique au-des-sus du repère 32 est la même de part et d’autre : elle s’annule. La ligne de réfé-rence à retenir se situe au repère 10. L’équation du manomètre est :

P1 + ρ1g(d + l) = P2 + ρfgd + ρ1gl

Fi GUr e 1 .7Variables associées à un manomètre.

22

Fluide: eau

ρ1= 1 000 kg/m3

Fluide du manomètreρf = 1 100 kg/m3

32 mm

10 mm

d

P1 P2

Ce qui se simplifie en

P1 + ρ1gd = P2 + ρfgd

L’équation ci-dessus permet maintenant d’écrire la différence de pression entre les deux côtés du diaphragme :

P1 – P2 = ∆P = gd(ρf – ρ1)

En substituant les variables par leurs valeurs, on obtient

, sm

mkg

sm kg

NmN9 8

1

12 3

22:–( , ) ( )P m0 022 1100 1 000D = , , Pa21 6 21 6= =` fj p

Les manomètres sont des dispositifs simples, peu chers et précis, utilisés pour la mesure de la pression des fluides. Du fait de leur faible masse volumique, les gaz exercent une pression pour ainsi dire uniforme sur les parois du récipient qui les contient. La hauteur différentielle du fluide dans la colonne (figure E1.12) est une mesure directe de la pression relative du gaz.

Fi GUr e e1.11Perte de charge dans un manomètre à diaphragme.

PB = PA + mg/S

PB = PA + ρhg

PB = PA + ρ[S·h] g/S

BacFluide

A

hB

Fi GUr e e1.12Calcul de la pression à l’aide d’un manomètre.

l2

23

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ionExEmplE 1.12 Pression dans un manomètre

Considérer la figure E1.12. En supposant que le fluide du manomètre est une huile de densité 0,87 et que la différence de hauteur relevée est de 0,001 m (1 mm), calculer la pression dans le ballon.

Réponse Prel = ρgh

Prel = (0,87 × 1 000 kg/m3)(9,81 m/s2)(0,001 m)

= 8,53 Pa

= 8,42 × 10–5 atm

1.7.9 Mesure de la température

La température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne d’une substance. Elle peut être mesurée à l’aide de substances dont les propriétés physiques changent avec la température.

¡ Volume d’un fluide (thermomètre)¡ Résistance d’un métal (thermomètre à résistance)¡ Tension électrique à la jonction de deux métaux différents (thermocouple)¡ Spectre d’émission (pyromètre)

Les échelles de température courantes sont les suivantes :

¡ Fahrenheit : Point de congélation de l’eau 32 et point d’ébullition 212.¡ Celsius : Point de congélation de l’eau 0 et point d’ébullition 100.¡ Rankine : Le zéro absolu (absence d’énergie cinétique) vaut 0, l’incrément

est celui de l’échelle Fahrenheit (459,67 °R = 0 °F).¡ Kelvin : Le zéro absolu (absence d’énergie cinétique) vaut 0, l’incrément

est celui de l’échelle Celsius (273,15 K = 0 °C).

1.7.10 Conversion des températures

T (K) = T (°C) + 273,15

T (°R) = T (°F) + 459,67

T (°R) = 1,8 T (K)

T (°F) = 1,8 T (°C) + 32

24

ExEmplE 1.13 Conversion de températuresEffectuer les conversions de température suivantes :

a. Si la température extérieure est de 32 °C, quelle est-elle en °F, °R et K ?b. Si la température extérieure chute de 72 °F à –40 °F, que cela représente-

t-il en °C, K et °R ?c. Quelle est la variation de température (∆T) en °F, °R, °C et K ?

Réponsea. La température extérieure est de 32 °C. T, la température en °F, °R et K est

calculée comme suit

° , ° ° , ° °F C CF F F F32 1 8 32 89 6 90c

c= + = =

° ( ° ° ) °° °R F F FR R90 460 550= + =

( , )° ° °K C C CK K32 273 15 305= + =

b. La température extérieure chute de 72 °F à –40 °F. La température finale en °C, K et °R est calculée comme suit

,

( 40 32 )40

– ––

CF

F FC

1 8cc

c cc=

( 40 273,15 ) 233– C C CK Kc cc

+ =

( 40 460 ) 420– F F FR R1

1c c

cc

c+ =

c. La variation de température (T) en °F, °R, °C et K est calculée comme suit

40 72 112T – – –F F Fc c cD = =

112 112T – –F FR R1

1c

cc

cD = =

112 , 62T – –F FC C1 8

1c

cc

cD = =

112 , 62T – –F FK C1 8

1c

ccD = =

25

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion1.7.11 Loi des gaz parfaits

La loi des gaz parfaits relie le nombre de mole et le volume d’un gaz à sa tempéra-ture et sa pression. La loi dérive de la théorie cinétique des gaz, qui suppose que les molécules d’un gaz ont un volume négligeable, n’exercent aucune force les unes sur les autres et que les chocs sur les parois du récipient sont élastiques. L’équation est généralement donnée sous la forme

PV = nRT ou PV̇ = ṅRT, uniquement valable à basse pression

OùP est la pression absolue du gazV (V̇) est le volume (débit volumétrique) du gazn (ṅ) est le nombre de moles (débit molaire) du gazR est la constante des gaz, sa valeur dépend des unités de P, V, n et TT est la température absolue du gaz

On trouve également

PV̂ = RT

Où V̂ = V/n (volume molaire spécifique du gaz).

ExEmplE 1.14 Calcul de débits volumétriquesDans la figure E1.14, de l’azote sort d’un réservoir à –212 °C avec un débit de 2,72 kg/min, via un compresseur. Il est ensuite chauffé dans un échangeur. Le gaz sort de l’échangeur à 66 °C et 41,4 bar absolu.

a. Calculer le débit volumétrique et le volume spécifique du gaz qui sort de l’échangeur. Faire l’hypothèse de la loi des gaz parfaits.

b. Calculer le débit volumétrique dans les conditions standard.c. Calculer le débit hebdomadaire vers l’échangeur (d = 0,81).

P-1 P-2 P-3

Réservoir

−212°C

6 6 °C = 339,15 K

1 atm = 1,013 25 bar

Compresseur Échangeur

41,4 bar absolu2,72 kg/min

Fi GUr e e1.14Schéma du procédé de liquéfaction de l’azote.

26

Réponsea. Débit volumétrique (V̇) du gaz à la sortie de l’échangeur.

N2 : M = 28 g/mol

V PnRT=oo

, , ( , )

, ,

V min

min

kgg

molkgg

mol KN m C C

bar barmN

m

2 72 28 1 000 8 314 66 273 15

41 410

0 0663

–5

2

1

3

:

:c c= +

=

o c c c c

e

m m m m

o

,, ,V kmol

m

282 72

0 0663 0 68253

= =t

b. Débit en m3 standard par minute dans les conditions standard de tempéra-ture et de pression (STP) 1 atm, 273 K

, , ( , )

, ,

V PnRT

min

min

kgg

molkgg

mol KN m C

bar barmN

m

2 72 28 1 000 8 314 273 15

101 013 2 17

–5

2

1

3

:

:c= =

=

o oc c c c

e

m m m m

o

c. Débit hebdomadaire

, , ( ) ,minminkgh j

hsem

jkg

msemm2 72 60 24 7

0 81 1 000 33 83 3

=c c c c cm m m m m

1.7.12 Conditions standard de température et de pression

Les conditions standard de température et de pression sont souvent utilisées comme point de référence pour l’expression des propriétés des gaz parfait.

Température standard = Ts = 0 °C soit 273 K

Pression standard = Ps = 1 atm = 760 mmHg = 101,3 kPa

Volume molaire standard = ,( )

,( )

V kmolm STP

molSTPl

22 4 22 4s

3

+=t

Une mole d’un gaz parfait à 0 °C et 1 atm occupe 22,4 l.

ExEmplE 1.15 Conservation de la cohérence dimensionnelleSupposons qu’une composition connue C varie en fonction du temps t selon la relation suivante :

27

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ionC = 0,03 e(–2,00t)

Où C [=] (a pour unités) kg/l et t [=] s.

a. Quelles sont les unités de 0,03 et 2,00 ?b. Supposons maintenant que lors d’une expérience, les données sont obte-

nues en C [=] lbm/pi3 et t [=] h. Modifier l’équation précédente pour que les données puissent être utilisées directement dans ces unités.

Réponsea. Comme l’argument d’une fonction exponentielle doit être sans dimension,

2,00t doit être sans unités. Par conséquent, l’unité de 2,00 doit être s–1. L’unité de 0,03 est celle de C soit kg/l.

b. Nous allons écrire une nouvelle expression pour les variables C et t à l’aide des anciennes unités et pour les nouvelles variables C’ et t’ en utilisant les nouvelles unités. Ainsi,

[ ] [ ]t t ts hh

s3 6003 600:= =ll l

[ / ], ,

0,0160C C Ckgpilb

lbg

gkg pi

ll

453 591 000

1

1 000

35 3145m

m3

3

:= =l l= =G G

Nous avons donc, pour les nouvelles variables :

0,016 0C’ = 0,03 [–(2,0) (3 600)t’]

Et enfin,

,C pilb e1 9 ( 7 200 ])t [–m h

3 =l l; E

ExEmplE 1.16 Conversion d’unitésLes ingénieurs ont souvent recours à des groupes adimensionnels. Quelles sont les unités de h, sachant que h/(CpG) est sans unité ?

( ),

C Gh

kC

DG/0 23/

p

p2 3n

n=c cm m

OùCp [=] Btu/(lbm·°F)m [=] lbm/(h·pi)k [=] Btu/(h·pi·°F)D [=] piG [=] lbm/(h·pi2)

28

RéponseRemarquer qu’il n’est pas nécessaire de reprendre toutes les équations pour iden-tifier les unités de h. Comme chacun des groupes doit être sans unités, ou adimen-sionnel, il suffit de travailler à partir d’un unique groupe où intervient h. Ainsi,

[ ] [ ] [ ] ( )h C G lb FBtu

hlb

h FBtu

pi pipm

m2 2: : : :c c

= = =; ;E E

ExEmplE 1.17 Analyse dimensionnelleTrouver comment varie le coefficient de diffusion D en fonction de la taille de la molécule s, des interactions intermoléculaires e et de la masse moléculaire m des particules.

RéponseL’analyse dimensionnelle est un outil très puissant pour le développement de relations entre propriétés lorsque les variables indépendantes sont connues. Par exemple, dans le cas présent, nous savons que les seules variables indépendan-tes sont les paramètres moléculaires (s, e et m). Nous savons que, quelle que soit la corrélation utilisée, la cohérence dimensionnelle doit être respectée. Procé-dons en quatre étapes :

1. Commençons par écrire les variables dépendantes sous forme de varia-bles indépendantes à une puissance inconnue.

2. Substituons ensuite les unités pour chaque variable indépendante et réu-nissons les termes dont les unités sont identiques.

3. Nous faisons ensuite correspondre la puissance de chaque unité indépen-dante de part et d’autre du signe égal de manière à respecter la cohérence dimensionnelle.

4. Enfin, nous résolvons le système pour identifier les puissances inconnues. Ceci est illustré par l’exemple.

Étape 1 : Écrire les variables dépendantes sous forme d’un produit de variables indépendantes élevées à des puissances distinctes.

D = D(e, s, m) ou D [=] ex s y mz

Étape 2 : Substituer toutes les unités.

D [=] cm2/s, e [=] ergs, s [=] cm, m [=] g

D [=] cm2/s [=] exsymz [=] (g⋅cm2/s2)x (cm)y (g)z [=] gx+z cm2x+y s–2x

Étape 3 : Faire correspondre les puissances de chaque unité dans les deux mem-bres de l’équation.

g : x + z = 0

cm : 2x + y = 2

s : –2x = –1

29

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ionÉtape 4 : Résoudre le système.

On trouve x = ½, y = 1 et z = –½.Soit, D [=] [s(e/m)0,5].

Ainsi, sans rien connaître de la théorie sur le coefficient de diffusion, nous savons que D est une fonction linéaire du diamètre moléculaire s. Donc des molécules de taille double auront un coefficient de diffusion deux fois plus grand. De même, toutes autres choses égales par ailleurs, la multiplication de la masse par quatre se traduit par la division de D par deux. Ce ne sont pas les seules propriétés ayant un effet sur le coefficient de diffusion, mais si les autres sont constantes, c’est bien ainsi que les propriétés moléculaires s, e et m agiront sur D.

1.8 ClassificationdesprocédésAvant d’écrire un bilan matière, vous devez identifier le type de procédé con-cerné.Discontinu – Dans les procédés discontinus, aucune matière n’entre ni ne sort du

système pendant la période concernée (ex. : chauffage d’une bouteille de lait scellée dans un bain thermostaté).

Continu – De la matière entre et sort en continu du procédé (ex. : pompage de liquide à débit constant dans une colonne de distillation pour le soutirage des courants de produit en tête et en pied de la colonne).

Semi discontinu – Tout procédé qui n’est ni discontinu ni continu (ex. : mélange lent de deux liquides dans un bac).

Stationnaire – Les variables du procédé (T, P, V, débits) ne varient pas dans le temps.

Transitoire – Les variables du procédé varient dans le temps.

1.9 Problèmes

1.9.1 Classification des procédés

Classer les procédés suivants en discontinu, continu ou semi discontinu, et en états transitoire ou quasi-stationnaire.

a. Remplissage d’un ballon avec de l’air, à un débit constant de 2 g/min. (Réponse : Semi discontinu).

b. Une bouteille de lait est sortie du réfrigérateur et laissée sur la table de la cuisine. (Réponse : Discontinu, échauffement transitoire).

c. Alimentation en monoxyde de carbone et en vapeur dans un réacteur tubulaire à débit constant pour former du dioxyde de carbone et de l’hy-

30

drogène. Les produits et les réactifs non réagis sont soutirés à l’autre extrémité. Au démarrage du procédé, le réacteur contient de l’air. La tem-pérature du réacteur est également constante et la composition et le débit des courants de réactif sont indépendants du temps. Classer le procédé au départ (Réponse : Continu, transitoire), puis après un temps suffisamment long, (Réponse : Continu, stationnaire).

1.9.2 Types de procédés

De l’eau (ρ = 1 000 kg/m3) entre dans un bac de 2,00 m3 à un débit de 6,00 kg/s et est soutirée à un débit de 3,00 kg/s. Initialement, le bac est rempli à moitié.

a. Le procédé est-il continu, discontinu ou semi discontinu ? (Réponse : Continu).

b. Est-il transitoire ou stationnaire ? (Réponse : Transitoire).c. Utilisez l’équation du bilan matière générale pour déterminer le temps

nécessaire au remplissage du bac. (Réponse : 1 000 kg/(3 kg/s)).

1.9.3 Conversion d’unités

Combien une année compte-t-elle de secondes ? (3 600 s/h × 24 h/jour × 365 jours/an)

1.9.4 Débit dans un tuyau horizontal

Du gaz naturel circule dans un tuyau horizontal à un débit de 50 l/s. Quel est le débit en m3/s, m3/h ? (Utiliser le tableau de conversion)

1.9.5 Débit molaire

Du propane (C3H8) gazeux entre dans un four, à un débit de 1 450 m3/h à 15 °C et 150 kPa (rel.), où il est brûlé avec de l’air en excès de 8 %. Calculer le débit molaire (mol/s) de propane gazeux qui entre dans le four. (Astuce : Faire l’hypo-thèse d’un gaz parfait et utiliser PV̇ = ṅRT.)

1.9.6 Homogénéité dimensionnelle

Une quantité k dépend de la température T de la manière suivante :

k A RTE–expcm s

Mol a3 :

=c cm m

Ea est en cal/mol et T en Kelvin. Quelles sont les unités de A et de R. (Astuce : Remarquez que l’exposant est sans unité ; Ea/RT = []).

Ch

ap

itr

e 1

Intro

duct

ion1.9.7 Calcul d’une masse à partir de la densité et du volume

La densité de l’essence est d’environ 0,7. Quelle est la masse (kg) de 10 l d’essence ? (Réponse : 7 kg)

1.9.8 Conversion d’une équation dans d’autres unités

La capacité calorifique de l’ammoniac est : Cp = 2,5 J/(g⋅°C). Convertir l’expres-sion de Cp en Btu/(lbm⋅°F). (Astuce : Remarquez qu’il s’agit ici d’un incrément de température ; 1 °C/1,8 °F ; 1 K/1,8 °R ; 1 °C/1 K)

Pourallerplusloin1. Reklaitis, G.V. (1983). Introduction to Material and Energy Balances, John Wiley & Sons,

New York.2. Felder, R.M. & R.W. Rousseau (1999). Elementary Principles of Chemical Processes,

3rd ed., John Wiley, New York.3. Himmelblau, D.M. (1974). Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering,

3rd ed., Prentice-Hall, New Jersey.4. Whirwell, J.C. & R.K. Toner (1969). Conservation of Mass and Energy, Blaisdell, Wal-

tham, Massachusetts.5. Cordier, J.-L., B.M. Butsch, B. Birou & U. von Stockar (1987). The relationship between

elemental composition and heat of combustion of microbial biornass. Appl. Microbiol. Biotechnol. 25, 305-312.

6. Atkinson, B. & F. Mavituna (1991). Biochemical Engineering and Biotechnology Hand-book, 2nd ed., Macmillan, Basingstoke.

7. Scott Fogler, H. (1999). Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd ed., Prentice Hall Inc., New Jersey.

33

Ch

ap

itr

e 2

Opé

ratio

ns u

nita

ires e

t ana

lyse

des d

egré

s de

liber

té2.1 AnalysedesdegrésdelibertéLa résolution d’un problème de bilan matière nécessite de se poser deux questions :

1. De combien d’équations ai-je besoin ?2. D’où proviennent-elles ?

L’analyse des degrés de liberté (DDL) permet de répondre à ces questions. Il s’agit d’un outil puissant d’analyse systématique à partir des schémas de procédé. Elle fournit un moyen rapide pour déterminer si un problème peut, ou non, être résolu, c’est-à-dire si les informations disponibles sont suffisantes, et donne une méthode structurée pour la détermination des équations à résoudre et de l’ordre à respecter pour cette résolution. En bref, il s’agit de compter le nombre de variables indé-pendantes puis le nombre d’équations. Cette analyse nécessite de commencer

Ch a p i t r e 2Opérationsunitairesetanalysedesdegrésdeliberté

1. De dessiner un schéma de procédé totalement renseigné.2. De réaliser une analyse des degrés de liberté.3. De calculer le nombre de degrés de liberté d’un problème afin de s’assurer

que celui-ci a une unique solution, compte tenu des données disponibles.4. De décider des équations à utiliser, si certaines ne sont pas indépendantes.5. De préparer un schéma de circulation des matières et d’établir les bilans

matière du problème.6. De comprendre le fonctionnement des opérations unitaires les plus utilisées

en ingénierie chimique.

Cechapitredoitvouspermettre

34

par tracer un schéma du procédé, d’identifier chaque courant en précisant quels sont ses composants constitutifs et de dresser une liste des informations supplé-mentaires connues telles que les débits, les compositions, les ratios et les con-versions. Deux points doivent être précisés.Le premier concerne le tracé des « frontières des bilans », c’est-à-dire le nombre de systèmes pour lesquels il est possible d’écrire l’équation du bilan matière. Trois éléments essentiels doivent être entourés d’une frontière :

a. Chaque opération unitaire.b. Chaque point de raccordement.c. L’ensemble du procédé (sauf s’il n’y a qu’une seule frontière).

Le second point est lié au nombre d’équations qu’il est possible d’écrire pour chaque frontière tracée. Vous pouvez écrire autant d’équations qu’il y a de com-posants traversant la frontière Toutefois, pour résoudre un système d’équations ou pour travailler sur des réactions, il est important de comprendre quand il est possible d’écrire des équations. Le décompte des inconnues est simple ; il suffit de suivre attentivement le schéma de procédé. Pour pouvoir résoudre un sys-tème d’équations, le nombre d’équations doit être égal au nombre d’inconnues.Afin de pouvoir déterminer entièrement un courant, il est nécessaire de connaî-tre les informations suivantes au moment du tracé du schéma du procédé :

1. Le débit total du courant.2. La composition du courant (les inconnues sont notées sous forme de

variables).

Nombre de degrés de liberté = nombre d’inconnues + nombre de réactions indé-pendantes – nombre de bilans matières indépendants – nombre de relations auxiliaires pertinentes.

2.1.1 Résultats possibles de l’analyse des degrés de liberté

a. DDL = 0. Le système est entièrement défini. Il existe une solution unique.b. DDL > 0. Le système n’est pas défini (sous-spécifié). Il existe un nombre

infini de solutions.c. DDL < 0. Le système est sur-défini (sur-spécifié). Il y a trop de restrictions.

Vérifier les nombres d’équations et de restrictions. Les problèmes sur-défi-nis ne peuvent être résolus tout en restant cohérent avec l’ensemble des équations.

En général, le nombre de degrés de liberté peut être déterminé en utilisant les équations suivantes pour réaliser les bilans sur les espèces moléculaires, la méthode d’avancement de la réaction et le bilan matière (l’analyse des degrés de liberté pour les procédés réactifs sera discutée plus en détail au chapitre 5).

35

Ch

ap

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e 2

Opé

ratio

ns u

nita

ires e

t ana

lyse

des d

egré

s de

liber

téBilans sur les espèces moléculaires et l’avancement de la réaction :

Nombre de degrés de liberté = N

N

reactions chimiquesombre

d inconnues

ombre de

independantes

+l

l

l

Z

[

\

]]

]]'

_

`

a

bb

bb1

–

Nombre de bilans sur

les especes moleculaires

independantes

} l

l

Z

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_

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a

bb

bb

plementaires reliant– sup

Nombre de reactions

les autres variables

l

l

Z

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]]

_

`

a

bb

bb (2.1)

Les équations permettant d’établir le nombre de degrés de liberté à travers les bilans sur les espèces moléculaires et par la technique de l’avancement de la réaction sont identiques.Bilans sur les espèces atomiques :

Nombre de degrés de liberté = –Nombre

Nombre de bilans sur

d inconnuesles especes atomiques

independantesl

}

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bb1

–

Nombre de bilans

moleculaires ou d especes

non reactives independantes

ll }

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bb

plementaires reliant– sup

Nombre de reactions

les autres variables

l

l

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a

bb

bb (2.2)

2.2 OriginedeséquationsLes équations qui relient les variables inconnues d’un procédé peuvent provenir :

1. Des bilans matière, pour les procédés non réactifs : en général, mais pas tou-jours, le nombre d’équations indépendantes qui peuvent être écrites est égal au nombre d’espèces chimiques qui interviennent dans le procédé.

2. Des bilans énergétiques.3. Des spécifications du procédé indiquées dans l’énoncé du problème.4. Des propriétés et des lois physiques, comme la loi des gaz parfaits, la rela-

tion entre la masse, le volume et la masse volumique.5. Des contraintes physiques : la somme des fractions massiques ou molaires

doit valoir 1.6. Des relations stœchiométriques : pour les systèmes impliquant des réac-

tions chimiques.

371

Inde

x

Index

A

Absorbeur d’acétone, dans des procédés à plusieurs unités, 121-123Absorption de gaz, 43-44Acetobacter aceti, 164American engineering system of units (AES),

4-5Ammoniac

dans des procédés stationnaires à plu-sieurs unités, 178-179

réacteurs avec courant de recyclage, 179-182réaction en présence d’inerte dans le courant d’alimentation, 182-188

oxydation de, 253-254procédé de synthèse, 173, 188-192, 270-272 (voir aussi Recyclage et purge)

calcul des débits dans, 271-272Analyse des degrés de liberté (DDL), 33-35,

63-64, 284pour des procédés à plusieurs unités, 100-101pour les procédés avec réaction, 156pour un bilan atomique, 280

Analyse dimensionnelle, 28-29Appoint, dans des procédés à plusieurs uni-

tés, 103Atmosphère standard, 16Avancement de réaction (ξ), 141-142, 144, 155,

165, 175, 244, 252, 278, 287, 307

B

Benzène ; voir aussi Bilans énergétiques ; Pro- cédé à plusieurs unitéset mélange toluène-xylène, 115, 127séparation du toluène, 80, 87-89, 117-121

transalkylation catalytique du toluène en, 272-273

Bilan différentiel, 135-136Bilan énergétique à l’état transitoire, 329

chauffage d’un bac recevant un débit, 331-334chauffage d’un système fermé, 330-331chauffage d’une solution de glycol, 338-342chauffage d’une solution, 336-338trempe d’une barre de fer, 334-336

Bilan intégral, 136Bilan matière à l’état transitoire, 315

diffusion d’un solide dans un liquide, 325

composé dissous dans l’eau, concen-tration d’un, 329E–Z solve et polymath, 328

remplissage d’un bac de stockage dont le niveau est régulé, 316

hauteur dans un bac à l’état station-naire, avec E–Z solve, 318hauteur de fluide en fonction du temps, avec E–Z solve, 318résolution d’équations non linéaires pour l’état stationnaire, 319script pour E–Z solve, 317

solution saline, dilution de, 320, 322concentration d’un sel dans un bac, 321concentration de l’eau de mer, 323débit massique, 320résolution d’équations différentielles, 319schéma du procédé, 320

traitement des eaux usées, 324concentration en fonction du temps, 325-326

Bilans énergétiques, 2-3, 203, 279 ; voir aussi Bioprocédés

372

en l’absence de réaction, 238sur des systèmes fermés, 207-208sur les éléments, 256-258procédure générale avec réaction, 258sur des systèmes ouverts

à l’état stationnaire, 212-213, 279bilan énergétique global de, 213simplifications possibles sur, 213

sur des procédés avec réaction, techni-ques d’analyse, 251

technique des enthalpies de forma-tion, 254-258, 279techniques des enthalpies de réaction, 252-254, 279

Bilans massiques, 67-68Bilans sur les espèces, indépendants, 157Bioprocédé de fermentation, 164-165

voir aussi Réactions de combustion ; Pro-cédés avec réaction, bilan matière sur les filtres presse, 37

Bioprocédés, bilan énergétique sur, 222ébullition de l’eau, utilisation de charbon pour, 229-230échangeur de chaleur, 222-223

à double tube, 239fermentation et production d’acide citri-que, 268-270

bilan énergétique intégral, utilisation du, 269

piston sans frottement, vérin équipé d’un, 228pompage du pétrole brut, 225puissance d’un compresseur, 226-227refroidissement de l’acide gluconique, 223-224rotor de turbine, 224-225turbine à vapeur, 225-226

Bioprocédés, bilan matière sur, 93-95

C

Capacité calorifique, 216, 218, 223, 240des gaz d’entrée et de sortie, 264en fonction de la température, 217vapeur de cyclopentane (Cpn) en fonc-tion de la température, 290

Centimètre gramme seconde (CGS), système d’unités, 5

Centrale électrique à turbineanalyse des degrés de liberté, 299bilan atomique et bilan sur O, 300

calcul de l’air théorique et de l’air en excès, 301procédé de combustion, 300réactions chimiques indépendantes dans, 299

Chaleur latente de vaporisation, 218, 291, 298Chaudière, chaleur fournie à, 219-220Chiffres significatifs, 9-11

pour des nombres avec valeur décimale, 10pour des nombres sans valeur décimale, 9

Chlorométhane, propriétés, 214-215 Classification des

courants, 11définition, 11et variables, 12-16fonctions de

absorption et désorption, 43-44cristallisoir et réacteurs, 46-63déshumidificateur et humidificateur, 40-42distillation et évaporation, 38-40séchage et filtration, 37-38vaporisation flash et distillation, 45- 46lixiviation et extraction, 42-43condenseur partiel, 44-45diviseur et mélangeur, 36-37

schéma de procédé, 11types de procédé, 29

Colonne d’absorption, 59-60dans des procédés à plusieurs unités, 106-107

Colonne de distillation industrielle, 40Colonne de distillation multi composant,

86-87Colonne de distillation, 53-54, 58-59

caractéristiques de, 39en série, dans des procédés à plu-sieurs unités, 104-105

procédés avec, 38-39Colonne de purification, 105-106Colonne de séparation multi composant, 57-

58Combustion de l’éthane

air théorique et air en excès, 305chaleur transférée au réfrigérant (Q), 306schéma d’un procédé de combustion, 305

Composé binairecolonne de distillation, 54-55procédé de séparation, 51-52, 56-57

373

Inde

xCompression d’un gaz dans un cylindre équipé d’un piston, 209

Concentration massique, 13-14Concentration molaire, 14Concentration, des composants, 13-14Condensation du cyclopentane, 289-291Condenseur partiel, 44-45Conditions de sortie inconnues, procédés

dont les ; voir aussi Bilans énergétiques, Enthalpieéthanol, déshydrogénation, 259-260méthanol, déshydrogénation, 260-262Monoxyde de carbone, combustion du, 262-264réaction en phase gazeuse, 264-268

Conversion à simple passe, 171-172Conversion des unités, utilisation, 5-7Courant d’appoint, 103Courant de purge, 103Cristalliseur, 46Cuir anhydre, 55Cylindre avec piston mobil, 210-211

D

Débit volumétrique, calcul, 25-26Débit, 12-13

dans une conduite horizontal, 30débit volumétrique, calcul, 25-26

Densité, 12Déshumidification, 40-41Désorption, 43-44Diagramme psychrométrique, 230-232

enthalpie spécifique, calcul de, 237humidité absolue, calcul de, 234humidité relative, calcul de, 233pour estimer la température de saturation adiabatique de l’air, 289température de bulbe humide, calcul de, 235volume humide, calcul de, 236

Dimension, en ingénierie chimique, 3-5Diméthyl-formamide (DMF), 105Disposition des manomètres, 20

pour la mesure de pression, 20-21variables pour, 21

Diviseur et recyclage, dans des procédés à plusieurs unités, 110-111

Diviseur, 36

E

Énergiecomme unité de conversion, 7déplacement dans des systèmes, 204formes, 204transfert, 206-207

Énergie cinétique (Ek), 23, 204-205Énergie interne (U), 204-206, 211, 218, 243,

246-247, 330Énergie potentielle (Ep), 204-205, 209, 211,

223, 310Enthalpie de combustion standard, 250, 270Enthalpie de vaporisation, 218Enthalpie spécifique, 206, 215, 225, 227, 232,

310, 330 ; voir aussi Enthalpie Enthalpie standard de réaction, 245, 250, 270,

286 ; voir aussi Enthalpie de réaction à partir de la déshydrogénation de l’éthane, 251à partir des enthalpies de formation, 246oxydation du méthane, 255pour l’oxydation de l’ammoniac, 253-254technique de l’avancement de la réac-tion, 255-256

Enthalpie, 203calculs, 214de la vapeur de cyclopentane, 290mélange de solutions et réactions, 221-222

changements de phase, 218-221température, variation de, 216-217

variation associée à la combustion du butane, 245variation dans des procédés sans réac-tion, 216variation pour la vapeur d’éthanol, 298

par rapport à un état de référence, 291

Enthalpies de réaction, 243, 245-246calcul à partir

des enthalpies de combustion, 250-251des enthalpies de formation, 249-250

en utilisant l’avancement de la réaction, 244mesure, 247-248oxydation du méthane à titre d’exemple, 285-289pour l’estérification en phase liquide de l’acide lactique, 270pour les liquides combustibles, 250

374

Équation du bilan matière, 277conversion, 277-278pour la distillation, 70rendement, sélectivité et avancement de réaction (ξ), 278simplifications, 69

Équation et coefficients stœchiométriques, 137

Équations, origine des, 35-36Équilibre chimique, 157-158, 281États de référence, 214Éthanol

déshydrogénation, 311-312bilan matière et énergétique, 259-260

productionanalyse des degrés de liberté, 302conversion à simple passe et débit du courant de recyclage, 303schéma du procédé, 302

Extraction, 42-43, 85-86 ; voir aussi Procédés de lixiviation

F

Fermentation de levure en conditions anaé-robies, 273-274

Fraction massique, 13, 79, 97, 124, 130, 161Fraction molaire, 13, 60, 79, 91, 97, 117, 162,

165-166, 186-187, 189, 192, 195, 230, 286, 292

H

Homogénéité dimensionnelle, 8Humidité spécifique, 230

I

Ingénierie chimiqueapplication, 2chiffres significatifs, utilisation en, 9-11classification des procédés, 29définition, 1homogénéité dimensionnelle en, 8procédé et variables de procédé (masse volumique, masse, volume et débit), 11-13

évaluation et conversion de la tempé-rature, 23-24loi des gaz parfaits, 25-26moles et masse moléculaire, fraction massique et molaire, concentration, 13-14pression, 14-20

température et pression standard, 26-29utilisation des manomètres, 20-23

Ingénieurs chimistes, rôle des, 1-2

L

Livre-force (lbf), 6Loi de Hess, 248-249Loi de Raoult, 189Loi des gaz parfaits, 25-26

M

Masse atomique, 13Masse molaire, 13Masse volumique

conversion d’unité, 6utilisation, 12-13

Mélange binaireséparation avec recyclage, 283-285séparation, procédé de, 48-52

Mélange méthanol-eau, bilan matière, 80-81Mélange toluène-xylène-benzène, dans des

procédés à plusieurs unités, 115-117Mélanges d’hydrocarbures, 60-61, voir aussi

Analyse des degrés de libertéMélangeur, 36-37Méthane

brûlé dans une chaudière, 274procédé d’oxydation, 158-160, 256, 285

enthalpie de réaction standard, 286-287enthalpie, des composants du courant de sortie, 288-289technique de l’avancement de la réac-tion, 255-256

Méthanolchauffage du, 239déshydrogénation, 260

bilans matière et énergétique, 261-262

procédé de combustion, 300débit molaire, 304enthalpie de réaction, 304-305schéma du procédé, 304sélectivité vis-à-vis de l’acide formi-que, 305taux de conversion du méthanol, 305

production, 174-177, 192-193, 196-197, voir aussi Recyclage et purgesynthèse, 294

analyse des degrés de liberté, 295

375

Inde

xbilans atomiques sur H et C, 296bilans sur un point de mélange et bilan global, 295-296

Méthanol liquide ; voir aussi Méthanol, chauf-fage du, 291bilan atomique, 293calcul de l’oxygène théorique, 293-294réactions chimiques, 292schéma de procédé renseigné, 292taux de conversion du méthanol, 292-293vaporisation du, 238

Moles, dans les réactions chimiques, 133-135Monoxyde de carbone, combustion du, 262

bilan énergétique, 263bilan matière, 262-263calcul de Q, 263-264enthalpies calculées, 263schéma du procédé, 262

Moteur à essence, 207

P

Parties par milliard (ppb), 14Parties par million (ppm), 14Pied livre seconde (FPS), système d’unité, 5Point de rosée, 230Polystyrène, estimation du pourcentage mas-

sique et molaire, 79Premier principe de la thermodynamique, 207Pression ; voir aussi Manomètre à colonne

de fluide, 19-20à colonne de mercure, 20définition et unités de, 14jauge sur un bac, 18mesure, 17-18notions fondamentales sur, 16-17perte de charge dans un diaphragme, 21-22types de, 16

Pression absolue (Pabs), 14, 16, 18Pression atmosphérique (Patm), 14, 16Pression hydrostatique, 14-15, 19, 21Pression relative (Prel), 16Procédé à l’état non stationnaire, 73Procédé avec by-pass, 102-103Procédé de compression, 209

gaz dans un cylindre avec piston, 209-210vérin avec piston mobile, 210-211

Procédé de génération de vapeur, 229Procédé de mélange, 36, 59Procédé de séchage, 37, 57Procédé de séparation

de mélanges binaires, 56

de mélanges ternaires, 52-53mise en place de recyclage sur, 283

Procédé de séparation multi composant, 91- 93

Procédé stationnaire à plusieurs unités et réactions, 177-178avec recyclage et purge, 172-174avec séparation du produit et recyclage, 171-172limitations dans, 197-201procédé à plusieurs réactions, dans un réacteur, 194-196procédé de synthèse de l’ammoniac, 188-192production d’hydrogène, 193-194production du méthanol, 192-193, 196-197réacteurs d’ammoniac et courant de recy-clage, 179-182réaction de synthèse de l’ammoniac, 178-179réactions de l’ammoniac, en présence d’inerte dans l’alimentation, 182-188

Procédés à l’état stationnaire, définition, 29, 73

Procédés à l’état transitoire, 29, 73Procédés à plusieurs unités, 99-100

absorbeur d’acétone, 121-123analyse des degrés de liberté pour, 100-101colonne d’absorption dans, 106-107colonne de purification dans, 105-106deux colonnes de distillation, en série, 104-105diviseur et recyclage, 110-111lavage de minerai, étude de cas, 123-127limitations dans, 127-131

mélange toluène-xylène-benzène, 115-117

opération unitaire absorbeur-strippeur, 113-115procédé de séparation benzène-toluène, 117-121production de jus d’orange, 107-109recyclage, by-pass, purge et appoint, 101-103unités évaporateur-cristalliseur, 111-113

Procédés avec réaction, bilan matière sur, techniques des bilans atomique/sur les éléments dans, 142-143bilan différentiel, 135-136bilan intégral, 136équation et coefficients stœchiométri-ques, 137

376

équilibre chimique, 157-160limitations dans, 166-168rapport stœchiométrique, 137réactifs limitant et en excès, 138-141

approches par les bilans moléculaires/sur les composants, 143production d’acrylonitrile, exemple, 148-152technique de l’avancement de la réac-tion, 141-142technique des bilans sur les éléments/atomiques, 142-143

réactions chimiques indépendantes et bilans sur les espèces, 157réactions de combustion, 160-165résolution de problèmes, méthodes, 141-152taux de conversion, 141

Procédés continus, définition, 29, 73Procédés d’absorption et de désorption, 43-

44Procédés d’absorption et de lavage, 113-115Procédés d’évaporation, 39-40, 55Procédés d’humidification, caractéristiques,

41-42Procédés de filtration, 37-38Procédés de lixiviation, 42-43Procédés discontinus, définition, 29, 73Procédés fermés, réactions dans les bilans

énergétiques, 246énergie interne, 246-247

Procédés semi discontinu, 29, 73Procédés unitaires, bilans matières sur, 2-3,

67calcul, base pour, 76

benzène et toluène, séparation de mélange, 80benzène-toluène, procédé de sépara-tion, 87-89bioprocédé : mélange en discontinu, 94-95ciment, grillage des matières premiè-res, 82-83colonne de distillation multi compo-sant, 86-87concept, 76confiture de fraise, préparation de, 81-82cuir humide, séchage du, 91équation générale du bilan matière, 77-78extraction, 85-86fermentation, 93-94

liquides binaires, mélange de, 85mélange méthanol-eau, 80-81méthode de résolution des problè-mes, 77pourcentage massique et molaire, dans le polystyrène, 79propane, isobutane, isopentane et n-pentane, séparation de, 91-93séchage, avec condensation, 84-85séparation éthanol-méthanol, 90-91taux de croissance, d’organismes, 89-90vaporisation partielle, 83-84

changement d’échelle, 76classification des procédés, 73équation générale, 68-69notions fondamentales, 72-76problèmes, 69-72schéma de procédé, 69spécifications des courants, 74-76types de bilan, 73

Production d’acrylonitrile, bilans matières dans 148-152

Production d’éthylène, bilan matière, 154-156Propriétés d’état, 214Puissance d’un compresseur, 226Puissance, calcul, 207Purge, dans des procédés à plusieurs unités,

103

R

Rankine, échelle de température, 23Rapport stœchiométrique, 137Ratio d’un diviseur, 284-285Réacteur à lit à garnissage, 47-48Réacteur à lit fluidisé, 47-48, 173Réacteur continu à cuve agitée (CSTR), 47-48Réacteur piston, 47-48Réacteurs chimiques avec recyclage

schéma du procédé de production du butanol, 306taux de production du butanol, 307taux de recyclage, 307

Réacteurs discontinus, 47Réacteurs, 46

procédé comportant plusieurs réactions, dans, 194-196réacteur discontinu, 47

réacteur agité continu et à lit fluidisé, 48réacteur piston et réacteur à lit à gar-nissage, 48

377

Inde

xRéactif en excès, dans les bilans matière, 138-140

Réactif limitant, 138-140Réaction de production d’hydrogène, 193-194Réaction en phase gazeuse ; voir aussi Tech-

niques des conditions de sorties incon-nues, pour évaluer Q, 264bilan énergétique et sur les éléments et enthalpie, utilisation de 267-268température de référence, de 25 °C, 264-265Tref, 500 °C, 266-267

Réactions chimiques, 142-142avec recyclage et purge, 172-174avec séparation du produit et recyclage, 171-172équilibrées, 157-160et procédés à plusieurs unités à l’état stationnaire procédés avec, 177indépendantes, 157multiples et avancement de réaction, 153-156production du méthanol, 174-177

Réactions de combustion, 160-161air théorique et en excès, 160-161bioprocédé de fermentation, 164-165procédé de combustion du charbon, 161-164

Réactions multiples et avancement de la réactionproduction d’éthylène, 154-156réaction d’oxydation, 153-154

Recyclage et purge, réaction avec, 172-174, 188

Recyclage, dans des procédés à plusieurs uni-tés, 101-102

Rendement d’une réaction, 147, 153, 155, 160, 163, 278, 302

Rotor de turbine, 224-225 ; voir aussi Bilans énergétiques

S

Schéma de procédé, 69Séchage (à chauffage direct), 37Sélectivité, d’une réaction, 278Séparation du produit et recyclage, avec

réaction, 171-172Séparation éthanol-eau, procédé, 70-71

débits et composition des courants, 71Séparation éthanol-méthanol, procédé,

pourcentage de méthanol dans le cou-rant de fond, 90-91

Spécifications des courants, 74-75Streptomyces kanamyceticus, 93Synthèse du cumène, 312-313Système adiabatique, 204Système d’unités anglo-saxonnes, 5Système d’unités internationales (système

SI), 4Système ouvert à l’état stationnaire, équation

du bilan énergétique pourbilan atomique, analyse des degrés de liberté pour, 280-281

brûleur à gaz naturel, 281réactions équilibrées, 281-283

bilan atomique, formulation mathémati-que, 280bilans atomiques, concept des, 280procédé de séparation, mise en place d’un recyclage sur, 283

cyclopentane, condensation du, 289-291éthane, combustion du, 305-306éthanol, production de, 301-303mélange binaire avec recyclage, sépa-ration de, 283-285méthane, oxydation du, 285-289méthanol liquide, chauffage du, 291-294, 298méthanol, combustion du, 303-305méthanol, synthèse du, 294-296propane gazeux, chauffage du, 296-297propylène, pour la production du butanol, 307-309réacteurs chimiques avec recyclage, 306-307température de saturation adiabati-que, 289turbine à vapeur, 309-311turbine de centrale électrique, 299-301

technique des enthalpies de formation, 279technique des enthalpies de réaction, 279

T

Tableaux de vapeur, interpolation linéaire, 215Taux de conversion, 141, 146, 148, 155, 159-

160, 166, 194, 196, 271, 292-293, 305, 307, 313

Technique du bilan atomique, 142-143 ; voir aussi procédés réactifs, bilan matière pour l’analyse des degrés de liberté, 280-281formulation mathématique, 280

Technique du bilan moléculaire, pour le bilan matière, 143-146

Températureconversion de, 24définition et mesure de, 23échelles de température courantes, 23

Température de saturation adiabatique, 289Toluène, séparation du, 127Travail (W), 207, 212Triéthanolamine (TEA), utilisation de, 61-62Tube de Bourdon, 19Turbine à vapeur, bilan énergétique et schéma

de procédé, 309-310

U

Unitésconversions, 5-7, 27-28, 30en ingénierie chimique, 3-5

Unités d’évaporation cristallisation, dans des procédés à plusieurs unités, 111-113

V

Vapeur humide, expansion de, 239Vapeurs saturées, 215-216Vaporisation flash/distillation, 45-46Variables de procédé, origines des équations

des, 35-36Variables intensives et extensives, 206Vide (dépression), 16

X

Xylène, séparation du, 127

9 782804 165673

ISBN : 978-2-8041-6567-3

GHASEMConc

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l'ingénierie chimiquePrincipes et applications pratiques



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l'ingénierie chimique


Principes et applications pratiques


CD-ROMinclus

L’objectif de cet ouvrage est de présenter aux étudiants et ingénieurs en génie chimique les principes de base de cette discipline et les techniques de calcul utilisées.

Après un bref rappel des grandeurs manipulées en génie chimique, ce manuel, écritde manière claire et concise, aborde de façon systématique les différentes opéra-tions unitaires (mélange, séparation, réaction, etc.) et le calcul des degrés de libertéqui leur sont associés.

Suivant une progression logique, l’ouvrage détaille le calcul des bilans matières sur les procédés unitaires, les procédés comportant plusieurs unités, les procédésavec réaction ainsi que l’importance du recyclage et de la purge. Il traite ensuitedes bilans énergétiques pour des procédés sans et avec réaction pour finir par le calcul combiné des bilans matière et énergétique et les bilans sur les procédés non stationnaires.

De nombreux exercices corrigés, dont les calculs sont présentés de manière détaillée, ainsi que des problèmes, permettent à l’étudiant de vérifier l’acquisitiondes connaissances.

Le CD-ROM qui accompagne l’ouvrage contient un résumé en anglais de chaquechapitre, des exercices, et met à disposition des logiciels de simulation et de calculadaptés.

Traduction de l’édition américaine

Vincent Lafond est Ingénieur chimiste et Docteur en chimie des matériaux. Il officiedepuis plusieurs années comme traducteur professionnel, spécialisé dans différents domaines de la chimie industrielle (extraction minière, pétrochimie, analyse).

www.deboeck.com

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CD-ROM inclus et énergétique pour aGhasem e · Le CD-ROM qui accompagne l’ouvrage contient un résumé en anglais de chaque chapitre, ... vii 2 .4 Résumé sur l’analyse des