ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL DÉPARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE GCH1110N ANALYSE DES PROCÉDÉS ET DÉVELOPPEMENT DURABLE EXAMEN FINAL AUTOMNE 2012

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1 INFORMATIONS UTILES Date : Le dimanche 6 janvier 2013 Heure : 13h30 à 16h00 Documentation : Une feuille manuscrite recto-verso 8.5 x 11 Calculatrice : Calculatrice autorisée seulement RÉPONDEZ DIRECTEMENT SUR LE QUESTIONNAIRE DANS L ESPACE PRÉVU À CETTE FIN. SI VOUS UTILISEZ LE VERSO DES PAGES, VEUILLEZ L INDIQUEZ CLAIREMENT. NE DÉTACHEZ AUCUNE PAGE DE CE QUESTIONNAIRE. CE QUESTIONNAIRE COMPREND 17 PAGES. NOM : NUMÉRO DE SECTION : SIGNATURE : MATRICULE : Total : / 20 Cet examen est composé de trois questions : Question 1 : Questions en rafale Question 2 : Préparation d une teinture à cheveux en continu A) /2 Total /5 B) /1.25 C) /1.75 Total /5 Question 3 : Étude d un procédé de production d hydrogène A) /0.5 B) /1.5 C) /1.5 D) /2 E) /4.5 Total /10 Page 1

2 1. Questions en rafale (5 points) Temps suggéré : 35 minutes A) Une pile formée d une électrode de cuivre (Cu) plongée dans une solution de CuSO 4 et d une électrode de zinc (Zn) plongée dans une solution de ZnSO 4 permet de produire une force électromotrice E pile = 1.15 V. Les électrolytes ont une concentration de 15g/L. La puissance fournie par la pile est de 1.2 kw (2 points) i. Quel est le potentiel standard de cette pile? ii. Quel compartiment devrait-on alimenter en électrolyte si l on désire opérer la pile en régime permanent? Pourquoi? iii. Calculer ce débit d alimentation (g/s) pour ce compartiment. Page 2

3 B) Une conduite contenant des vapeurs de toluène (C 7 H 8 ) à 150 o C est reliée à un compresseur. Un manomètre est installé sur la conduite d alimentation du compresseur et indique une pression de jauge de 2 atm. Le débitmètre massique installé à l entrée indique 120 kg/s. On désire augmenter la pression à 100 atm et la température augmentera alors à 600 o C. (1.25 point) i. Comment variera le débit massique de la vapeur entre l entrée et la sortie du compresseur? Justifiez votre réponse. ii. Quel est le débit volumique (m 3 /s) des vapeurs à l entrée du compresseur? C) Un courant à 40 o C et 1 atm contient moles/s de O 2, 0,06 moles/s de N 2 et 0,03 moles/s de H 2 O. Déterminez si toute l eau est à l état vapeur. Si non, précisez les débits partiels d eau liquide et d eau vapeur. (1.75 points) Page 3

4 Problème 2 : Préparation d une teinture à cheveux en continu Temps suggéré : 35 minutes (5 points) Le réservoir agité partiellement annoté représenté ci-dessous permet la fabrication de teinture à cheveux à partir de deux réactifs liquides (A et B). Le produit C liquide est alors obtenu. Cette réaction est endothermique et du chauffage est alors nécessaire afin de maintenir la cuve à 70 o C. Le réactif A est alimenté à un débit de 100 moles/s tandis que le réactif B est en excès de 50%. La conversion du réactif A est de 100%. Les réactifs sont alimentés à une température de 25 o C. L agitation est faite grâce à une hélice fournissant une puissance de 500 kw et le procédé opère à pression atmosphérique. A (l) + 2B (l) C (l) Pour le chauffage, on utilise de la vapeur d eau surchauffée à 330 o C et 10 bar. Cette vapeur est alimentée à la chemise du réservoir et l eau quitte sous forme de liquide saturé à la même pression. Le débit d eau est de 5 kg/s. n 1A(l) 25 o C Réservoir n 1B(l) 25 o C Vapeur d eau 330 o C, 10 bar Eau liquide 10 bar Produits n 2A(l) n 2B(l) n 2C(l) Figure 1 Réservoir de fabrication de teinture à cheveux Les chaleurs molaires spécifiques des 3 substances et les températures d ébullition sont disponibles, mais les chaleurs de formation sont inconnues. Déterminez la chaleur de réaction standard (kj/mol). Tableau 1 Extraits des tables thermodynamiques de l eau État de l eau Conditions Enthalpie (kj/kg) Liquide 0.01 o C et bar 0 Liquide saturé, 10 bar 42 Vapeur surchauffée 300 o C et 10 bar 3052 Vapeur surchauffée 350 o C et 10 bar 3159 Page 4

5 Tableau 2 Données pour les substances A, B et C Substance Température Chaleur molaire Chaleur de formation d 1 atm spécifique (kj/mol o C) (kj/mol) A (l) 175 o C 0,076??? B (l) 140 o C 0,092??? C (l) 107 o C 0,056??? Page 5

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7 Problème 3 : Étude d un procédé de production d hydrogène Temps suggéré : 70 minutes (10 points) Du propane (C 3 H 8(g) ) à 1 atm et à 25 o C est alimenté aux tubes d un réacteur afin d obtenir l hydrogène nécessaire pour alimenter une pile à combustible. On désire produire 140 moles/s de H 2(g). Le propane est mélangé avec de la vapeur d eau à 1 atm afin de former un mélange à 150 o C. La réaction non-équilibrée suivante se déroule dans le réacteur : C 3 H 8(g) + H 2 O (g) H 2(g) + CO (g) L excès d eau est de 25% et la conversion du propane est de 90% dans les tubes du réacteur. Les gaz provenant des tubes du réacteur sortent à 900 o C et sont acheminés à un échangeur de chaleur permettant de produire du méthanol vapeur à 110 o C (CH 3 OH) à partir de méthanol liquide à 30 o C. L échangeur de chaleur fonctionne à 1 atm. n 1 C 3 H 8(g) 25 o C, 1 atm n 10 O 2(g) n 11 N 2(g) n 12 H 2 O (g) 25 o C, 1 atm n 9 C 3 H 8(g) 25 o C, 1 atm Réacteur n 2 H 2 O (g) 1 atm Gaz de combustion n 13 CO 2(g) n 14 H 2 O (g) n 15 O 2(g) n 16 N 2(g) 1100 o C, 1 atm n 3 C 3 H 8(g) n 4 H 2 O (g) n 5 CO (g) n 6 H 2(g) 900 o C n 8 CH 3 OH (v) 110 o C, 1 atm Échangeur de chaleur n 7 CH 3 OH (l) 30 o C, 1 atm n 3 C 3 H 8(g) n 4 H 2 O (g) n 5 CO (g) n 6 H 2(g) Figure 2 Procédé de production d hydrogène Une réaction de combustion a lieu dans la calandre du réacteur (autour des tubes) afin de fournir l énergie nécessaire à la réaction se déroulant dans les tubes. Du propane (débit n 9 ) à 25 o C est alimenté en présence d air humide à 25 o C (débits partiels n 10, n 11 et n 12 ) avec un excès d air de 15%. L humidité relative de l air est de 30%. La combustion du propane est complète et aucun monoxyde de carbone (CO) n est formé. Les gaz de combustion sortent de la calandre du réacteur à une température de 1100 o C. Page 7

8 A) Effectuez une analyse des degrés de liberté sur les tubes du réacteur. (0.5 point) B) Calculez les débits de propane (n 1 ) et d eau (n 2 ) à alimenter aux tubes du réacteur. (1.5 points) C) Calculez le débit de méthanol produit en supposant que la quantité d énergie perdue par les gaz de combustion lors de leur passage dans l échangeur de chaleur correspond à 1000 kw. (1.5 points) D) Calculez la quantité d énergie (kw) à fournir aux tubes du réacteur en utilisant la méthode des chaleurs de formation. (2 points) E) Calculez le débit de propane requis (n 9 ) à la calandre du réacteur en utilisant la méthode des chaleurs de réaction. (4.5 points) Tableau 3 Données utiles Substance (kj/mol) T ébul (1 atm) C p (kj/mol. o C) C 3 H 8(g) o C CH 3 OH (l) o C CH 3 OH (v) H 2 O (l) H 2 O (g) CO 2(g) CO (g) o C --- A) Effectuez une analyse des degrés de liberté sur les tubes du réacteur. (0.5 point) Page 8

9 B) Calculez les débits de propane (n 1 ) et d eau (n 2 ) à alimenter aux tubes du réacteur. (1.5 points) C) Calculez le débit de méthanol produit en supposant que la quantité d énergie perdue par les gaz de combustion lors de leur passage dans l échangeur de chaleur correspond à 1000 kw. (1.5 points) Page 9

10 D) Calculez la quantité d énergie (kw) à fournir aux tubes du réacteur en utilisant la méthode des chaleurs de formation. (2 points) Page 10

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12 E) Calculez le débit de propane requis (n 9 ) à la calandre du réacteur en utilisant la méthode des chaleurs de réaction. (4.5 points) Page 12

13 Bonne chance! Patrice Perreault et Patrice Farand Page 13

14 Annexes Page 14

15 Diagramme généralisé de compressibilité Page 15

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