Génie chimique : thermodynamique et cinétique

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :

• Axis 1: AA1.1, AA1.2
• Axis 2: AA2.2, AA2.2, AA2.3, AA2.4, AA2.5, AA2.6, AA2.7
• Axis 4: AA4.2, AA4.3, AA4.4

• Modéliser un procédé basique dans le simulateur Aspen+, choisir la méthode thermodynamique adéquate, optimiser certains paramètres du procédé et analyser de manière critique les résultats.

• Expliquer comment déterminer quel type de méthode thermodynamique utiliser dans un problème pratique, sur base de la nature des substances en présence et du domaine de pression-température considéré.
• Expliquer le principe de fonctionnement d’une colonne de distillation fractionnée et expliquer en quoi la présence d’un azéotrope peut affecter la composition du distillat et du résidu.
• Expliquer quels sont les paramètres opératoires importants qui influencent le fonctionnement d’une colonne de distillation et comment l’on peut contrôler pratiquement un tel équipement.
• Expliquer l’utilisation de la distillation fractionnée dans le cas du raffinage du pétrole brut. Expliquer également quelle approche est utilisée en simulation de procédés pour cette opération et quelles sont les paramètres opératoires utilisés pour la contrôler.
• Expliquer le principe de l’extraction liquide-liquide, son intérêt dans les opérations de séparation et la manière de choisir un bon solvant d’extraction.  Citer les types d’équipements utilisés pour cette opération.

• Décrire qualitativement l’allure des diagrammes de phase (h,P) d’une substance pure et donner des exemples illustrant leur utilité dans la résolution d’un certain nombre de problèmes rencontrés dans l’industrie des procédés.
• Définir le concept de fugacité, discuter de son utilité et en donner une interprétation physique.  Montrer comment le coefficient de fugacité d'un gaz pur peut être calculé à partir d'une grandeur mesurable telle que le facteur de compressibilité de ce gaz.
• Donner l'allure de la variation de la compressibilité d'un gaz réel en fonction de la pression et justifier cette allure sur une base physique.
• Justifier l’affirmation de van der Waals que l'équation des gaz parfaits peut être corrigée à l'aide de deux paramètres de manière à tenir compte des interactions entre les molécules constituant le système.  Montrer comment la valeur des deux paramètres en question peut être identifiée.
• Démontrer comment la tension de vapeur d'un liquide à une température donnée peut être déduite de l'allure de la courbe de variation de la pression en fonction du volume molaire exprimée selon l'équation de van der Waals.
• Expliquer le concept et l’utilité de la notion de « coefficient de partage à l’équilibre »  K dans le contexte de problèmes impliquant des phases vapeurs et/ou liquides à l’équilibre.
• Dériver des expressions du coefficient de partage K en termes de coefficients de fugacité et de coefficients d’activité.
• Expliquer comment les équations d’état dérivées de l’équation de van der Waals (p. ex. Soave-Redlich-Kwong ou Peng-Robinson) sont utilisées pour calculer les propriétés thermodynamiques de mélanges liquide-vapeur à l’équilibre, en particulier les coefficients de partage K.
• Expliquer comment les corrélations de calcul des coefficients d’activité de la phase liquide (p. ex. Wilson, NRTL, UNIQUAC ou UNIFAC) sont utilisées pour calculer les propriétés thermodynamiques, en particulier les coefficients de partage K, de mélanges liquide-vapeur non idéaux à l’équilibre.

• Expliquer quels sont les éléments qui caractérisent la demande mondiale de pétrole brut et de produits raffinés, ainsi que son évolution historique passée et future.
• Décrire ce qu’est la marge de raffinage, son principe de calcul et les paramètres qui l’influencent.

• Description de la cinétique des réactions complexes et méthodes de réduction de la complexité des modèles cinétiques.

• Différentes étapes dans une réaction catalytique hétérogène, chemisorption, étapes élémentaires des réactions catalytiques hétérogènes, méthode de Hougen-Watson Langmuir-Hinshelwood et de Eley-Rideal pour la dérivation des expressions cinétiques basé sur étape déterminante de vitesse, méthodologies pour la modélisation cinétique, introduction aux méthodes avancés.

• Effet sur vitesse réactionnel observée, concept de coefficient de transfert, modélisation des coefficients de transfert de masse et de chaleur, critères pour évaluation de l'importance des limitations des transferts interfaciaux.

• Effet sur la vitesse réactionnelle observée, propriétés poreuses des particules catalytiques, description continuum d'une particule catalytique et concept de porosité, tortuosité et diffusivité effective, méthodes expérimentales pour déterminer la porosité et tortuosité des catalyseurs, types de diffusion, modélisation de la diffusion-réaction au sein des catalyseur et calcul des profils de concentration, concept de module de Thiele et de facteur d'efficacité, concept de module de Thiele généralisé, critères pour l'évaluation de l'importance des limitations de diffusion intra-particule.

• Approches de modélisation.

• Différents types de désactivation, désactivation par empoisonnement et approche de modélisation, désactivation par formation de coke et approches de modélisation.

• Phénomènes de transport, modèle à deux films diffusion-réaction, exemples de calcul des profils de concentrations intra-filme pour réactions simples et pour le cas général, concept de nombre de Hatta.