INFORMATIONS UTILES Date : Le mardi 10 décembre 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 16 PAGES. PRÉNOM : NOM : NUMÉRO DE SECTION : SIGNATURE : MATRICULE : Total : / 20 Cet examen est composé de trois questions : Question 1 : Questions en rafale Question 2 : Séparation d un mélange acétone/éthanol A) /1 A) /1.5 B) /0.5 B) /1.5 C) /2 C) /3 D) /1.5 Total /6 Total /5 Question 3 : Production d huile chaude A) /1 B) /2 C) /6 Bonus /0.5 Total /9 Page 1
1. Questions en rafale (5 points) Temps suggéré : 35 minutes A) Le procédé ci- dessous permet à la réaction suivante de se produire : A (g) + B (g) à 3 C (g). Du A (g) est alimenté à un échangeur de chaleur afin d être réchauffé puis est acheminé au réacteur. Le B (g) est directement alimenté au réacteur. À la sortie de ce dernier, le mélange gazeux (A, B et C) est alimenté à un compresseur afin d augmenter la pression. Le procédé opère en régime permanent et la pression est constante dans tout le procédé sauf à la sortie du compresseur. Répondez aux questions dans le tableau suivant. (1 point) Réservoir de A Échangeur de chaleur Réacteur Compresseur Réservoir de B Figure 1 Procédé i. Comment le débit molaire du B (g) varie- t- il entre l entrée et la sortie du réacteur? ii. Comment le débit massique global varie- t- il entre l entrée et la sortie du réacteur? iii. Comment la masse volumique du A (g) varie- t- elle entre l entrée et la sortie de l échangeur de chaleur? iv. Comment la fraction molaire du C (g) varie- t- elle entre l entrée et la sortie du compresseur? v. Comment la pression partielle du C (g) varie- t- elle entre l entrée et la sortie du compresseur? Augmente, diminue, reste constant Page 2
B) Lors d un bilan d énergie dans un procédé non- réactif, vous avez posé la référence suivante pour l eau : H2O (l), 25 o C, 1 atm. Si vous désirez calculer l enthalpie spécifique de l eau vapeur à 25 o C et 1 atm, le calcul à réaliser correspond à : H!"# = H!"#. Vrai ou Faux? Si vous répondez faux, donnez l expression exacte à utiliser. (0.5 point) C) Un mélange équimolaire gazeux formé de benzène (C 6 H 6 ) et de toluène (C 7 H 8 ) est alimenté à un compresseur à un débit de 1000 mol/s. La température de sortie du compresseur est de 595 o C et le débit volumique est de 1 m 3 /s. Quelle est la pression (atm) de sortie du compresseur? (2 points) Page 3
D) Un solide mouillé avec du n- hexane liquide est séché en le mettant en contact avec de l azote à haute température. Le courant gazeux quittant le séchoir est à 85 o C, 1 atm et 50% d humidité relative. Afin de récupérer le n- hexane du gaz, on achemine le courant à un condenseur. Le courant gazeux sortant du condenseur doit contenir 5% molaire de n- hexane et le condensât de n- hexane est récupéré à un débit de 1.50 kmol/min. Le condenseur est opéré à une pression de 1 atm. Calculez la température d opération du condenseur. (1.5 points) N 2, haute T Séchoir N 2, 85 o C, 1 atm Condenseur N 2 Solide mouillé Solide sec Figure 2 Séchage d un solide 1.5 kmol C 6 H 14 (l)/min Page 4
Problème 2 : Séparation d un mélange acétone/éthanol Temps suggéré : 45 minutes (6 points) Le procédé partiellement annoté de la figure suivante permet de séparer un mélange d acétone (C 3 H 6 O) et d éthanol (C 2 H 5 OH) grâce à une colonne à distiller. Le liquide qui sort en bas de la colonne est dirigé vers un rebouilleur partiel. Le liquide qui n a pas été vaporisé forme le résidu (courant 4) et les vapeurs qui ont été vaporisées retournent à la colonne à distiller (courant 3). Le rebouilleur opère de sorte à vaporiser 55% du liquide sortant au bas de la colonne (courant 2). L alimentation de la colonne à distiller (courant 1) contient 200 kmol/h d un mélange composé à 60% molaire d acétone et 40% molaire d éthanol. Le distillat (courant 8) contient 90% molaire d acétone alors que le résidu contient 5% molaire d acétone (courant 4). Le liquide sort au bas de la colonne à 65 C (courant 2) et les vapeurs sortant du rebouilleur sont à 76 C (courant 3). Tout comme la colonne à distiller, le rebouilleur opère à 1 atm. Figure 3 Diagramme d écoulement du procédé Page 5
Note : Vous pouvez annoter directement le diagramme précédent afin de déclarer les différentes variables que vous utiliserez. Tableau 1 Données utiles Substance ΔĤ vap (kj/kmol) Cp du liquide (kj/kmol C) Cp de la vapeur (kj/kmol C) Acétone (C 3 H 6 O) 30 200 (T eb = 56 C) 123 + 0.186 T 71.96 + 0.201 T Éthanol (C 2 H 5 OH) 38 580 (T eb =78.5 C) 158.8 61.34 + 0.1572 T A. Calculez le débit du résidu (kmol/h) (courant 4), celui du liquide sortant au bas de la colonne (kmol/h) (courant 2) ainsi que celui de la vapeur sortant du rebouilleur et retournant à la colonne à distiller (kmol/h) (courant 3). (1.5 points) B. Calculez la composition du liquide sortant au bas de la colonne (courant 2) ainsi que celle de la vapeur sortant du rebouilleur et retournant à la colonne à distiller (courant 3). (1.5 points) C. Calculez l énergie qui doit être fournie par les tubes dans le rebouilleur (kw) en supposant qu il n y a aucune perte d énergie vers l environnement. (3 points) A. Calculez le débit du résidu (kmol/h) (courant 4), celui du liquide sortant au bas de la colonne (kmol/h) (courant 2) ainsi que celui de la vapeur sortant du rebouilleur et retournant à la colonne à distiller (kmol/h) (courant 3). (1.5 points) Page 6
B. Calculez la composition du liquide sortant au bas de la colonne (courant 2) ainsi que celle de la vapeur sortant du rebouilleur et retournant à la colonne à distiller (courant 3). (1.5 points) C. Calculez l énergie qui doit être fournie par les tubes dans le rebouilleur (kw) en supposant qu il n y a aucune perte d énergie vers l environnement. (3 points) (Suite à la page suivante) Page 7
Page 8
Problème 3 : Production d huile chaude Temps suggéré : 70 minutes (9 points) Le diagramme d écoulement partiellement annoté présenté ci- dessous illustre une fournaise permettant de chauffer une huile froide à 30 o C circulant dans les tubes grâce à la combustion d un courant d hydrocarbures gazeux de 100 moles/s. Ce courant contient 40% molaire de n- butane (C 4 H 10 ) et 60% molaire de n- pentane (C 5 H 12 ). Huile froide 50 mol/s 30 o C Huile chaude n 1 mol O 2 /s n 2 mol N 2 /s n 3 mol H 2 O/s 30 o C, 1 atm Fournaise 100 (mol/s) 0.4 mol C 4 H 10 /mol 0.6 mol C 5 H 12 /mol 25 o C, 1 atm Figure 4 Diagramme d écoulement du procédé Le débit d huile à chauffer est de 50 mol/s. Les hydrocarbures sont alimentés à 25 o C et brûlés en présence d air humide alimenté à 30 o C et 1 atm. L humidité relative de l air est de 30%. Les gaz de combustion sortent à 600 o C. Une analyse des gaz de combustion a permis de déterminer que les conversions du n- butane et du n- pentane sont de 90%. De plus, cette analyse a révélé la présence de monoxyde de carbone (CO). Ce CO provient de la combustion incomplète uniquement du C 4 H 10. Finalement, l excès d air est de 50% et la sélectivité du CO 2 par rapport au CO est de 14 mol CO 2 /mol CO. A. Effectuez une analyse des degrés de liberté sur la fournaise (sans considérer le courant d huile). (1 point) B. Déterminez les débits partiels du courant d air humide alimenté à la fournaise. (2 points) C. En utilisant la méthode des chaleurs de réaction, calculez la quantité d énergie transférée aux tubes de la fournaise (kw). (6 points) Bonus : Déterminez le rendement en CO 2 de cette fournaise. (0.5 point) Note : Vous pouvez annoter directement le diagramme précédent afin de déclarer les différentes variables que vous utiliserez. Page 9
Substances H f o (kj/mol) Tableau 2 Données utiles Cp (kj/mol o C) H i (kj/mol) à 30 o C (à partir d une référence à 25 o C) H i (kj/mol) à 600 o C (à partir d une référence à 25 o C) Huile - - - 0.08 - - - - - - C 4 H 10(g) - 124.7 0.092 - - - 53.0 C 5 H 12(g) - 146.4 0.115 - - - 89.0 O 2(g) 0 - - - 0.15 - - - N 2(g) 0 - - - 0.15 - - - H 2(g) 0 - - - - - - - - - CO 2(g) - 393.5 - - - - - - - - - H 2 O (g) - 241.83 - - - 0.17 - - - CO (g) - 110.52 - - - - - - - - - A. Effectuez une analyse des degrés de liberté sur la fournaise (sans considérer le courant d huile). (1 point) B. Déterminez les débits partiels du courant d air humide alimenté à la fournaise. (2 points) (Suite à la page suivante) Page 10
C. En utilisant la méthode des chaleurs de réaction, calculez la quantité d énergie transférée aux tubes de la fournaise (kw). (6 points) Page 11 (Suite à la page suivante)
(Suite à la page suivante) Page 12
Bonus : Déterminez le rendement en CO 2 de cette fournaise. (0.5 point) Bonne chance! Douaa Hassan et Patrice Farand Page 13
Annexes Diagramme généralisé de compressibilité Page 14
Page 15
Page 16