ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL DÉPARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE GCH1110 ANALYSE DES PROCÉDÉS ET DÉVELOPPEMENT DURABLE EXAMEN FINAL HIVER 2011

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1 Date : Mercredi, 20 avril 2011 Heure : 9h30 à 12h00 Documentation : Une feuille manuscrite recto-verso 8.5 x 11 Calculatrice : Calculatrice autorisée seulement 1. Étude d un évaporateur (7 points) Un courant liquide contenant 50% molaire de benzène et le reste de toluène est alimenté à 25 o C à un évaporateur. Le débit total d alimentation est de 1320 moles/s. Le liquide et la vapeur quittent l évaporateur à une température de 95 o C, soit la température d opération de l évaporateur. Le liquide contient 42.5% molaire de benzène et la vapeur contient 73.5% molaire de benzène. Afin de chauffer cet évaporateur, on utilise de la vapeur d eau surchauffée à 300 o C et 1 bar. Cette vapeur se condense dans la chemise de l évaporateur et en ressort sous forme de liquide saturé à la même pression. Vous trouverez ci-dessous un diagramme d écoulement partiellement annoté du procédé. A) Calculez la chaleur (kw) requise à l évaporateur. (4 points) B) Calculez le débit de vapeur d eau surchauffée requis (kg/s). (1.5 points) C) À partir des résultats obtenus, déterminez si l équilibre liquide-vapeur est atteint dans l évaporateur. (1.5 points) Sortie vapeur n V y B y T 1320 moles/s x B x T Évaporateur Vapeur surchauffée m H2O Figure 1 Évaporateur Sortie liquide n L x BS x TS Liquide saturé m H2O Données utiles : Substance Phase Cp (kj/mol o C) (kj/mol) Benzène (C 6 H 6 ) Liquide T 30.8 (T b = o C) Benzène (C 6 H 6 ) Gazeuse T --- Toluène (C 7 H 8 ) Liquide T 33.5 (T b = o C) Toluène (C 7 H 8 ) Gazeuse T --- Page 1 sur 9

2 2. Production de formaldéhyde (8 points) Un réacteur est alimenté par un mélange d oxygène (O 2 ) et de méthane (CH 4 ) afin de produire du formaldéhyde (HCHO) selon la réaction suivante : CH 4(g) + O 2(g) HCHO (g) + H 2 O (g) Malheureusement, une réaction secondaire se produit et entraîne la combustion d une partie du méthane selon la réaction suivante : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) Du méthane frais est alimenté à 25 o C. Ce courant se combine à un courant d oxygène frais également à 25 o C. Par la suite, le courant se mélange avec un courant de méthane recirculé et le tout est acheminé à un réacteur opérant à 400 o C. Le débit de méthane alimenté au réacteur (n 1_CH4 ) est de 500 moles/s. Le rendement en HCHO est de 30%, l excès en oxygène alimenté au réacteur est de 10% et la sélectivité du HCHO par rapport au CO 2 est de 4.5 moles de HCHO/mole CO 2. À la sortie du réacteur, les produits sont acheminés à un séparateur afin de récupérer tout le méthane qui n a pas réagi et de le faire recirculer à l entrée du procédé. Le méthane est refroidi à 25 o C dans un échangeur de chaleur. n 4_CH4 n 0_CH4 n 1_CH4 n 1_O2 Échangeur de chaleur n 0_O2 Réacteur n 2_CH4 n 2_O2 n 2_CO2 n 2_HCHO n 2_H2O Figure 2 Procédé de production de formaldéhyde Séparateur n 3_O2 n 3_CO2 n 3_HCHO n 3_H2O Page 2 sur 9

3 A) Quelle est la conversion globale du méthane? (0.5 point) B) Effectuez une analyse des degrés de liberté (DDL) sur le réacteur en utilisant la méthode des avancements de réaction. (0.5 point) C) Quels sont les débits de méthane et d oxygène frais à alimenter au procédé (moles/s)? (3.5 points) D) Calculez la chaleur (kw) requise au réacteur en utilisant la méthode des chaleurs de réaction. (3.5 points) Données utiles : Substance Phase Cp (kj/mol o C) Chaleur de formation (kj/mol) Formaldéhyde (HCHO) Gazeuse Méthane (CH 4 ) Gazeuse Eau (H 2 O) Liquide Eau (H 2 O) Gazeuse Non-disponible dans cette table Dioxyde de carbone (CO 2 ) Gazeuse Non-disponible dans cette table Oxygène (O 2 ) Gazeuse Non-disponible dans cette table 0 3. Questions en rafale (5 points) A) Répondez aux deux questions suivantes en inscrivant la lettre correspondant à la bonne réponse dans votre cahier d examen. (1 point) I. Quelle est la masse d une solution qui contient 100 grammes d eau si l on ajoute 1 gramme de sel? a) 99 grammes. b) 100 grammes. c) Entre 100 et 101 grammes. d) 101 grammes. e) Plus de 101 grammes. Page 3 sur 9

4 II. Soit une réaction quelconque à l équilibre. Que se passe-t-il lorsque le système a atteint l équilibre? a) La réaction directe et la réaction inverse ne se produisent plus. b) La réaction directe et la réaction inverse continuent de se produire et changent la concentration des réactifs et des produits. c) La réaction directe et la réaction inverse continuent de se produire, mais ne changent pas la concentration des réactifs et des produits. d) Seule la réaction directe se produit. e) Seule la réaction inverse se produit. B) Le diagramme isobare du mélange binaire formé par le 2-méthylpropan-2-ol (noté 1) et le propan-2-ol (noté 2) est donné ci-dessous. La composition est donnée en fraction molaire. T ( o C) P = 1 atm 100 B 90 A ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x 2 ou y 2 Figure 1 Diagramme isobare du mélange 2-méthylpropan-2-ol (1) / propan-2-ol (2) On chauffe, sous 1 atm, un mélange contenant 1.5 mol de (2) et 2.25 mol de (1). Déterminez la composition de la première bulle de vapeur formée. (1 point) Page 4 sur 9

5 C) Une pile à combustible à membrane polymère (PEM) est alimentée à raison de 0.10 mol/s H 2(g) (à 25 o C et 1.12 atm). De l air sec est utilisé comme comburant, avec un excès de 1250% afin de s assurer que toute l eau produite par la réaction soit évacuée sous forme de vapeur. L air est alimenté à 1.0 atm et 25 o C. La conversion de H 2(g) est de 100%. La pile opère à 25 o C et 1.0 atm. Figure 3 Diagramme d écoulement de la pile à combustible à membrane de polymère (PEM) Les bilans de matière et d énergie ont été résolus et les valeurs suivantes ont été obtenues : Variable Valeur n moles/s n moles/s y y kw I. Sachant que la valeur du potentiel standard de la pile pour de l eau sous forme vapeur (2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (v) ) est, calculez la différence de potentiel (E pile ) entre l anode et la cathode (en V). (1.5 points) II. Calculez le travail électrique el fait par la pile (en kw). (1 point) III. Calculez le flux de chaleur (en kw). (0.5 point) Page 5 sur 9

6 Annexes Page 6 sur 9

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