Analyse des procédés industriels

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Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Analyse des procédés industriels Un procédé industriel est l’ensemble des opérations nécessaires pour modifier les entrées en sorties en subissant des transformations chimiques et physiques par échange d’énergie.

Entrées

“Alimentation”

Procédés

“Produits”

Sorties

industriels

Energie http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

1

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Classification des procédés Il y a 3 types: I.

Procédés discontinus ou procédés batch: – Toute la charge est introduite dans le procédé Aucune masse n’est introduite ou soutirée du procédé durant l’opération – Sont utilisés pour des échelles petites de production – Opére en régime stationnaire. –

2 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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II. Procédé continu

– Input et output sont introduites et soutirées d’une

façon continue de procédé – Opére en régime stationnaire – Sont utilisés pour des échelles grandes de production III. Procédé Semibatch – ni batch ni continu – Durant le processus une partie de réactant peut être

introduite ou une partie de produit peut être soutirée du procédé 3 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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2 types d’études de procédés 1. Régime stationnaire (Steady state) ◦

◦

2.

Toutes les variables (i.e. temperatures, pressure, volume, débits, etc) ne change pas avec le temps. Des petites fluctuations peuvent être accéptable

Dynamique ou régime transitoire “Unsteady state“ ◦

Les variables du procédé changent avec le temps.


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Comment le developer? Il faut définir: 





Le diagramme des flux de procédés Le schéma du procédé ou le flowsheet Le descriptif de fonctionnement du procédé.


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Analyse des procédés industriels? •

Equations entre entrées et sorties de chaque unité du procédé ou du procédé entier.

3 types de modèles: 

Modèles statistiques empiriques ou semi-empiriques: développés par ajustement de données expérimentales en mettant en ouvre les techniques de l’analyse statistique.



Modèles physico-chimiques: basésetsur les lois de demouvement. transferts et de conservation de matière, d’énergie la quantité



Modèles de population: obtenus à l’aide de bilans de population et mettant en œuvre les fonctions de distributions. 6

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Diagramme des flux de procédés

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Zone

Zone

Zone de

d ’alimentation

réactionnelle

séparation-purification

Zone de traitement

Sous-produits

Réactifs

Réacteur

Séparations

Rejets

Produit principal

Mise en forme 7 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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Diagramme des flux de procédés plus élaboré

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Préchauffage ?

Purge ?

Recyclage ?

T Réacteur T, P ?

Réactifs P Purification ?

Séparation 1 T, P

Recyclage ?

Traitement

Séparation 2

T, P Sous-produits

...

Rejets

Produit principal

Valorisables ?

Mise en forme 8 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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Schéma du procédé ou Flowsheet Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Caractéristiques  Représentation graphique et disposition des  Sens de

matériels utilisés

circulation des fluides

 Matières premières, produits obtenus  conditions de fonctionnement du procédé :

température, pression …

ère

Schéma de procédé : 1 concrétisation du dispositif expérimental Passage schéma de procédé Plan technologique http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

Réalisation industrielle

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Schéma du procédé ou Flowsheet

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Symboles utilisés

. . . .. .. .. . .. . . . . .. Réacteur agité

Réacteur à lit fixe

Réacteur Régénérateur tubulaire de catalyseur

. . . .. .. .. . . . .

Réacteur Tour de à lit fixe polymérisation

DISPOSITIFS DE SEPARATION

Filtre

Dispositif d’évaporation


Décanteur

Séparateur gaz-liquide

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Centrifugeuse Dispositif de Essoreuse dépoussiérage

Colonne de lavage Colonne de séchage

Cyclone

Séchoir rotatif

Colonne de distillation à plateaux

Filtre à gravier

Colonne de distillation à garnissage 11


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Colonne d’extraction

Colonne de trempe

Colonne de strippage

DISPOSITIFS DE STOCKAGE

Réservoir sous pression

Réservoir ouvert

Réservoir Réservoir Réservoir Réservoir fermé fermé de stockage à toit flottant sphérique


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DISPOSITIFS D’ECHANGE THERMIQUE

Chauffeur

Surchauffeur électrique

Chaudière

Chaudière

à vapeur

à cuire sous vide

Echangeur réfrigérant http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

Four tubulaire

Condenseur

Four

Four à chaux

Echangeur

Récupérateur

chauffant

de chaleur

Vaporiseur

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Agitateur-mélangeur

Circulateur d’air

Pompe

Pompe à vide

Turbine de détente

Compresseur Vanne de détente

Malaxeur

Tuyère

INDICATIONS PARTICULIERES

Mélangeur des fluides

Diviseur des fluides

Mélangeur statique 14


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Exemple: Description du procédé (oxydation partielle du méthanol) Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

 Matières premières : méthanol et oxygène (eau)  Catalyseur : à base d’argent  Taux de conversion voisin de 90 %  Sous-produits : CO2, CO,

CH3OH + 1,5 O2 CH2O + O2 CH2O CH2O + 0,5 O2

CO2 + 2 H2O CO2 + H2O CO + H2 CO + H2O

(+ CH4, HCOOH, HCOOCH3, CH3-O-CH3 si T mal maîtrisée)  Solutions de

formaldéhyde corrosives -> appareillages en acier inoxydable

 Le catalyseur (Ag) évolue au cours du temps -> régénération

Durée de vie : quelques mois 15 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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Schéma par blocs

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Gaz CH4, CO, CO2, H2 O2 ?

Méthanol

Eau

Solution à 50 % de formaldéhyde

Séparations

Réacteur

Air

Vapeur d’eau

CH3OH H2O HCHO CO CO2 H2 O2 ? CH4 (HCOOH HCOOCH3 CH -O-CH ) 3


3

Méthanol

?

HCOOH HCOOCH3 CH3-O-CH3

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Schéma par blocs détaillé

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Gaz 4 2 2 CH O2 ?, CO, CO , H

Méthanol

Méthanol

T

T Vaporisation

Eau

Réacteur

Séparation 1

Séparation 2

700 °C

Air Vapeur d’eau

HCOOH HCOOCH3 CH3-O-CH3

Séparation 3 ?



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Flow-sheet Purge (incinération ) Effluent gazeux Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Méthanol

+ recyclage Eau

700 °C Méthanol

Air

Ag Vapeur d’eau

RECYCLAGE



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Analyse Statistique des procédés industriels

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

Classification des variables du procédé.

Variables d’entrées

Procédé

L’analyse peut se

Variables de sorties

faire:



pour chaque opération unitaire du procédé;



ou en considérant le procédé comme boite noire.

Exprimer les variables de sorties en http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

fonction des variables d’entrées

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Modèle empirique


Il s’écrit sous la forme:

Avec:  Y une variable de sortie au point expérimental i  X0i, X1i,…, Xmi sont des variables d’entrée ou leur combinaisons

Soit n le nombre du point expérimental collecté d’un procédé.

Y(1)= a0 x01+ a1 x11 +a2 x21 +a3 x31 +…+am xm1 Y(2)= a0 x02+ a1 x12 +a2 x22 +a3 x32 +…+am xm2 :

Y(n)= a0 x0n+ a1 x1n +a2 x2n +a3 x3n +…+am xmn


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Forme matricielle


On peut écrire le système d’équations précédent sous forme matricielle:

Y=X A avec y1

x 01 x 11 x 21 .......... .......x m1

a1

y 2

x 02 x 12 x 22 .......... .......x m2

a 2

Y

.

X

.

A

.

.

.

.

y n

x 0n x 1n x 2n .......... .......x mn

am


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Estimation des coefficients Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Méthode des moindres carrés:

Analyse par sensibilité paramétrique.


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Remarque: • Il faut utiliser des variables d’entrées

pondérées • Procéder à l’analyse en composante principale

ACP pour le choix des facteurs significatifs


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Exemple 1:

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Une équation empirique des coûts de fabrication d'échangeurs de chaleur peut être utilisée pour prédire le coût d'un nouvel échangeur de la même classe avec les variables de conception différentes. Le coût est exprimé sous forme d’une équation linéaire : Où β1, β2 et β3 sont des constantes N=le nombre de tube surface de Estimer lesde constantes β1la , βcalandre 2 et β3, en utilisant les données du tableau ci-contre. A=l’aire


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Réponse:


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Exemple 2: Dix points expérimentaux ont été considérés où la variable indépendante x est le pourcentage molaire d'un réactif et la variable dépendante y est le rendement (en pourcentage):

Développer le modèle empirique exprimant le rendement en fonction du pourcentage molaire en réactif et déterminer la valeur de x qui maximise le rendement. 27 http://slide pdf.c om/re a de r/full/a na lyse -de s-proc e de s-industr ie ls

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Réponse:


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Equations des bilans

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L’équation générale des bilans matière (masse totale, masse d’une espèce), énergie et quantité de mouvement d’un système peut s’écrire sous la forme:

Flux I

d’entrée

Flux de Sortie

I Système

Accumulation = Entrée – sortie + production – consommation 

•

Si est sansest réaction: Production = consommation = 0= 0 Si le ensystème plus le système en régime stationnaire: Accumulation

Entrée = Sortie


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Equations de conservation de matière et d’énergie Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

• Bilan de matière global:

• Bilan de matière partiel:

• Bilan de l’énergie totale:


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Exemple typique: Q , i

CAi T

•

Modélisation d’un réacteur à cuve agité à

•

Réaction d’ordre n exothermique et

double enveloppe. irréversible :

i

Tw2

k A

Tw1, Qw

B

Modèle math. du réacteur = Eqs de Bilans Matière Eq. de bilan:et thermique. Accumulation = entrée – sortie + production consommation

Q s, CAs Ts


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Eq. B. M. global autour de la cuve agitée ( ρ = cte): 5/7/2018


Eq. B. M./ au constituant A autour de la cuve agitée:

Avec Eq. de bilan thermique autour de la cuve agitée:

Eq. de bilan thermique autour de la double enveloppe:

t: variable indépendante V, CA, T, T j, et Q : Variables dépendantes 4 éqs à 5 inconnus le degré de liberté est égal à 1.


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Résolution de ce système différentiel Il faut disposer de : - Des valeurs des variables d’entrées: Q i, CAi, Ti, Tw - Des paramètres du modèles tels que: - les propriétés physiques; - les paramètres de cinétique chimique - les paramètres thermochimiques - les paramètres géométriques - les paramètres de transfert de chaleur.

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En régime Stationnaire: Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Eq. B. M. global:

Eq. B. M./ au constituant A:

Eq. de bilan thermique :

Remarque! Le bilan matière peut se faire sur la base des masses, des nombres de moles ou des molalités

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II) BILAN MATIÈRE EN RÉGIME STATIONNAIRE (Steady-state) Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

II.1) Stœchiométrie:

Le problème des bilan peut s’écrire pour chaque élément présent dans la réaction

Exemple: Écrire et équilibrer la réaction de la fabrication du vinyle chlorure à partir d'éthylène, le chlore et l'oxygène.

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II.2) Choix des frontières du système: •

Les équations des bilans sont valables pour le procédé entier ou pour une partie du procédé.

• •

Le choix des frontières d’une subdivision du procédé à étudier. Les flux d’entrée et de sortie de cette frontière seront considérés dans

les équations de bilans Les étapes effectuées pour l’application des éqs. de bilans: 1) Essayer d’écrire les équations des bilans autour du procédé entier.

2) Sélectionnez les volumes de contrôle en divisant le procédé en étapes simples et faire un bilan sur chaque étape séparément. 3) Sélectionnez la frontière de manière à réduire le nombre de courants inconnus le plus que possible. 4) Dans un premier temps, inclure tous les flux de recyclage dans les volumes de contrôle.

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Exemple typique

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Dans la section de préparation d’alimentation d'une usine d'ammoniac, l'hydrogène est produit à partir de méthane par un processus d’oxydation partielle. Un excès d'air est utilisé dans cette opération pour avoir un rapport molaire 03:01 de l'hydrogène et d'azote dans l'alimentation de l'unité de fabrication d'ammoniac. Le mélange d'hydrogène et d'azote est chauffé à la température de réaction et introduit dans un réacteur à lit fixe où la conversion de 20% des réactifs à l'ammoniac est obtenu par passe. À la sortie du réacteur, le mélange est refroidi et l'ammoniac est éliminée par condensation. Le mélange qui n'a pas réagi hydrogène et en azote est recyclé et mélangé avec l’alimentation. Sur la base de 100 kmol/s de l’alimentation, écrire les équations des bilans matière et déterminer les taux de production de l'ammoniac et de recyclage.

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Exemple typique

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Le diagramme montre les principales étapes dans un procédé de production des polymères. D'après les données suivantes, calculer le flux pour un taux de production de 10.000 kg / h. Réacteur, le rendement de polymère de 100 % Bouillie de polymérisation 20 % monomère/eau conversion 90 % catalyseur 1 kg/1000 kg monomère agent d'arrêt court 0,5 kg/1000 kg de monomère non réagi Filtrer, l'eau de lavage 1 kg d’eau / 1 kg de polymère colonne de récupération, le rendement de 98 %(% récupéré) Sécheur, l'alimentation ~ 5 % d'eau Produit séché 0,5%H2O Les pertes en polymère dans le filtre et dans le sécheur est 1%

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II.3) Nombre de composantes indépendantes L’équation de bilan peut être écrite pour chaque espèce:

1) Pour des systèmes où il n’y a pas de réaction Nombre d’équations indépendantes de bilans

=

Nombre d’espèces chimiques

Exemple : Cas de la production d'un acide nitration par mélange d’une solution d’acide 3 et une autre d’acide sulfurique de 98% en H2SO4. Le nitrique à 70% HNO nombre d'espèces chimiques distinctes est de 3, l'eau, l'acide sulfurique, acide nitrique.

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Exemple typique Une boue contenant 25 % en poids de matières solides est introduite dans un filtre. Le gâteau de filtration contient 90 % de solides et le filtrat contient 1% de solides. Faire un bilan matière autour du filtre pour un taux d'alimentation en boues de 2000 kg / h (4400 lb / h). Pour ce taux d'alimentation, quels sont les débits correspondants de gâteau et de

filtrat?

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2) Pour des systèmes avec réaction Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Nombre d’équations indépendantes de bilans

= Nombre d’espèces chimiques –

Nombre de réactions chimiques indépendantes

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Exemple typique: Si l'acide de nitration est préparé en utilisant l'oléum (mélange de H2SO4/SO3/ H2O) à la place de H2SO4 98%, il y aura quatre espèces chimiques distinctes: l'acide sulfurique, le trioxyde de soufre, l'acide nitrique, de l'eau. SO3 réagit avec H2O produisant H2SO4 de manière à avoir seulement trois espèces chimiques indépendantes.

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Exemple typique Le gaz naturel qui est composé de 95% de méthane et de 5% d'azote (en volume) est brûlé dans un four avec un excès d'air de 15%. Quelle quantité d'air requise à 289 K et 101,3 kPa pour faire la combustion de 10m3/s de carburant? Faire les bilans de matière global et partiel et calculer la quantité et la composition des gaz de combustion. Tous les gaz seront traités comme gaz parfait.

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II.4) Conversion et rendement Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Distinction entre la conversion et le rendement a) Conversion Conversion mesure la fraction du réactif qui réagit:

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Exemple

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Dans le procédé de production de C2H3Cl (VC) par pyrolyse de dichloroéthane DCE la conversion dans le réacteur est limitée à 55% pour réduire la formation de carbone qui peut déposer sur la paroi du réacteur (phénomène d’encrassement). Calculer la quantité de DCE nécessaire pour produire 500 kg/h de VC. Les masses molaires de: • DCE est 99 kg/kmole • VC est 62.5 kg/kmole

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b) Rendement Mesure la performance d’un réacteur ou d’un procédé. Pour un réacteur le rendement est défini par:

Facteur stoech. = le nombre de moles stoechimétrique du réactif requis par le nombre de mole du produit

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Rendement du procédé est:

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Exemple:

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d’éthanol par hydrolyse d’éthylène, le diDans le procédé de production éthylether est produit comme sous-produit. La composition du flux d’alimentation est: 55% éthylène, 5% inertes, 40% H2O. Celle du flux produit est 52,26% d’éthylène, 5,49% d’Ethanol, O,16% d’éther, 36,81% d’eau et 5,28% d’inerte. Calculer le rendement d’éthanol produit de la réaction d’éthylène.

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II. 5) Méthode algébrique générale 5/7/2018


Système de NS flux et Nc espèces chimiques dans chaque flux, NV variables: NV = Ns x Nc Ne Eqs indépendantes des bilans matière, le nombre de variables, Nd, qui doit être spécifié est donnée par: Nd = (Ns x Nc) – Ne

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On considère l’exemple simple de mélangeur:


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Fn est le débit total dans le flux n, et xmn est la composition du constituant m dans le flux n. l’éq. générale de bilan matière s’écrit:

L’éq. de bilan global:

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III) BILAN ENERGETIQUE Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

L’énergie peut exister sous différentes formes, le bilan d’énergie

devient un peu complexe que le bilan matière. L’équation générale de bilan énergétique s’écrit:

Energie Entrée = Energie sortie + Energie Générée – Energie consommée – Energie accumulée Les réactions Chimiques sont endothermiques ou exothermiques !

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III-1) Forme d’énergie

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III.1.1) Energie potentielle Ep = g z g: accélération gravitationnelle (9,81 m/s 2) Z: position en m

III.1.2) Energie cinétique v est la vitesse en m/s 52


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III.1.3) Energie interne Mouvement des molécules ou ces atomes: U = f(T)

III.1.4) Travail: F est la force en N, dx est la distance en m. Le travail du aux forces de Pressions: P en N/m2 ou Pa

III.1.5) Chaleur: Energie transférée sous forme de chaleur.

III.1.6) Doit être Energie tenue dansélectrique: les éqs de bilan énergétique.

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III-2) Equation de bilan

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En régime stationnaire, l’équation de de bilan d’énergie pour le système la figure ci-dessous s’écrit en tenant compte des différentesde formes d’énergie:

1 et 2 représentent l'entrée et la sortie. 54


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Par définition: Si la contribution, des énergies cinétique et potentiel, est négligeable: W=0

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Exemple

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l’eau Calcul de débit de la nécessaire vapeur utilisée le chauffage du bouilleur et celuidans de de de refroidissement pourdans la colonne de distillation présentée la figure ci-dessous. Cette vapeur est disponible à 25 psig (274 kN/m2). L'augmentation de la température de l'eau de refroidissement est limitée à 30 °C. La colonne fonctionne sous une pression de 1 bar

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III-3) ENTHAPLIE SPÉCIFIQUE Ana lyse de s proc é dé s industr ie ls - slide pdf.c om

Les propriétés thermodynamiques des àcorps dans des ouvrages spécialisées et standards sont données 25°C.purs sont publiées L’enthalpie H(T) à une température autre que 25°C:

où Cp est la chaleur spécifique donnée en fonction de la température selon l’une des corrélations suivantes:

a, b,c,d,… sont des coefficients caractéristiques de chaque corps purs 57


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III-4) CHALEUR DE REACTION

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L’enthalpie de la réaction chimique à des conditions standards.

Où

ΔH est f 0

l’enthalpie de formation du constituant à l’état standard.

L’enthalpie de la réaction chimique à une autre température.

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Exemple:

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Calcul de l’enthalpie de la réaction chimique suivante:

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IV) ANALYSE DE QUELQUES MODÈLES D APPAREILS 5/7/2018


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Analyse des procédés industriels

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