Chapitre 6 - CHG 2717: Introduction à l'analyse et CHG la...

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Unformatted text preview: CHG 2717: Introduction à l'analyse et CHG la conception des procédés chimiques la Système à Phases Multiples Université d’Ottawa / University of Ottawa 1 Chapitre 6 – Système à Phases Multiples • • • • Équilibre de phases, un seul composant Règle des phases de Gibbs Systèmes L-V: un composant condensable Systèmes L-V: plusieurs composants condensable – Loi de Raoult – Loi de Henry • • • Solutions solide - liquide Équilibre liquide-liquide Adsorption sur des surfaces solides Le but principal de ce chapitre est de trouver une relation entre Le les constituants de phases à l’équilibre. Université d’Ottawa / University of Ottawa 2 Équilibre de Phases, un Seul Composant • Diagramme de Phases Point critique H2O 218 Liquide P (atm) Gaz Solide Vapeur 0.006 Point triple 273.15 Université d’Ottawa / University of Ottawa 647 T (K) 3 Équilibre de Phases, un Seul Composant • Estimation des tensions de vapeur (p*) – Modèle, Équation de Clapeyron: ˆ ∆H v dp * = ˆ ˆ dT T Vg − Vl ( ) Si on néglige le volume molaire spécifique du liquide par Si rapport à celle du gaz et si la loi des gaz parfait s’applique, on obtient l’équation suivante: on * ˆ ( ) − ∆H v d ln p = d (1 / T ) R – Relation empirique, Équation d’Antoine: B log 10 p* = A − T+C Coefficients A, B, C: tableau B-4, pp.640-1 Coefficients Université d’Ottawa / University of Ottawa 4 Équilibre de Phases, un Seul Composant • Estimation des tensions de vapeur (p*) Université d’Ottawa / University of Ottawa 5 Règle des phases de Gibbs • Pour un système sans réaction chimique à pression Pour et température constantes, la règle des phases de Gibbs suivante s’applique. Gibbs DL =2+ Degré(s) de liberté Université d’Ottawa / University of Ottawa c Nombre d'espèces chimiques - P Nombre de phases du système à l'équilibre 6 Règle des Phases de Gibbs • DL est le nombre de variables intensives DL indépendantes qui doit être spécifié pour que le système à l’équilibre soit entièrement déterminé, i.e. pour qu’on puisse connaître les autres variables intensives tels que la température, la pression, le volume spécifique, l’enthalpie spécifique, composition molaire, etc. de chaque phase. molaire, • Notez qu’il faut encore faire des bilans de masses et Notez d’énergie afin de déterminer les variables extensives tels que les débits massiques/molaires et d’énergie. tels Université d’Ottawa / University of Ottawa 7 Règle des Phases de Gibbs Eau liquide pure: DL = 2 + c - P = 2 1 1 On doit donc spécifier deux variables (T et P) On pour définir complètement le système. pour Un mélange d’eau sous forme de glace, vapeur et Un liquide à l’équilibre: liquide DL = 2 + c - P = 0 1 Université d’Ottawa / University of Ottawa 3 Point triple 8 Systèmes L-V: un composant condensable T, P a z o te (g ) e a u (v ) e a u (l) Université d’Ottawa / University of Ottawa 9 Systèmes L-V: un composant condensable ’équilibre, • À ll’équilibre, la phase gazeuse est saturée avec l’eau – elle contient la quantité maximale d’eau possible à la température (T) et pression (P) du système – et l’eau dans la phase gazeuse est appelée une vapeur saturée. gazeuse • La loi de Gibbs prédit qu’il est nécessaire de trouver que La deux variables intensives indépendantes (i.e. 2 + 2 composants – 2 phases = 2 degrés de liberté) pour caractériser ce système. Si on cherche à déterminer (T, P, xH2O, yH2O, yN2), et on choisi T et P comme variable intensives ), indépendantes, il reste donc à trouver trois équations indépendantes. indépendantes. • Par bilan de matière, on sait que xH2O = 1 et que yN2 = 1 - yH2O. La dernière équation est la loi de Raoult pour un composant 1 liquide en équilibre of Ottawa vapeur. Cette loi est décrite ci- 0 avec sa liquide Université d’Ottawa / University dessous: Systèmes L-V: un composant condensable • Si un gaz à la température T et à la pression P Si contient une vapeur saturée dont la fraction molaire est yi (mol de vapeur/mol total de gaz), et si la vapeur est est la seule espèce qui condenserait si la température la était légèrement baissée, alors la pression partielle de la vapeur dans le gaz, pi, est égale à la tension de la est vapeur du composant pur, pi*(T), à la température de vapeur *(T), système. En combinant cet énoncé avec une système. avec propriété des gaz parfaits (yi = pi/P), on obtient la propriété /P), relation d’équilibre suivante: relation pi = yiP = pi*(T) Loi de Raoult Université d’Ottawa / University of Ottawa 11 Systèmes L-V: un composant condensable • Notion de température de rosée (dew point) Notion et d’ébullition (boiling point) et • Définitions de saturation pour un mélange Définitions gaz-liquide quelconque; humidité pour le cas particulier air-eau: • • • • Saturation (humidité) relative, Saturation (humidité) absolue Saturation (humidité) molale Pourcentage de saturation (humidité) Université d’Ottawa / University of Ottawa 12 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable Gaz Espèce chimique A Liquide Considérons un système fermé contenant initialement Considérons un liquide pur (sans A). Une petite quantité de l’espèce chimique A est ajoutée dans le gaz au dessus du liquide. On laisse le système atteindre l’équilibre. On 13 Université d’Ottawa / University of Ottawa Systèmes L-V: plusieurs composants condensable Une portion de la substance A migre de la phase Une gazeuse à la phase liquide jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. soit • Si une petite quantité Si additionnelle de A est ajoutée à la phase gazeuse, un nouvel équilibre est atteint. En mesurant la concentration de A dans les deux phases pour chaque équilibre atteint, une courbe d’équilibre est ainsi obtenue. d’équilibre Université d’Ottawa / University of Ottawa cA,G, pA or yA • cA,L or xA 14 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable • Les lois de Raoult et Henry donnent une relation Les d’équilibre entre la pression partielle du composant condensable et sa fraction molaire dans le liquide. condensable • Loi de Raoult: pA = yAP = xApA*(T) – Lorsque xA est voisin de 1 ou pour des mélanges de composants similaires, ex. une huile de paraffine (C7 - C12). composants • Loi de Henry: pA = yAP = xAHA(T) – Lorsque xA est voisin de zéro. Université d’Ottawa / University of Ottawa 15 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable • Les prochaines acétates démontrent la Les procédure du calcul des températures de rosée (Tdp) et de bulle (Tbp) d’un système gazrosée liquide parfait où les composants de la liquide phase gazeuse suivent la loi de Dalton (i.e. la sommation des pressions partielles des composants équivaut la pression totale) et ceux de la phase liquide suivent la loi de Raoult ou de Henri. Raoult Université d’Ottawa / University of Ottawa 16 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable • Pour une pression P donnée, la température de Pour bulle (Tbp) d’un liquide formé des composants bulle d’un A, B, C…, dont les fractions molaires xA, xB, A, xC…sont connues, peut être estimée par: P = ∑ p i = x A p ( Tbp ) + x B p ( Tbp ) + x C p ( Tbp ) + ...... * A Université d’Ottawa / University of Ottawa * B * C 17 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable • Pour une pression P donnée, la température Pour de rosée (Tdp) d’un gaz formé des de d’un composants condensables A, B, C,….et un condensables composant G non-condensable, dont les fractions molaires yA, yB, yC…sont connues, fractions …sont peut être estimée par: peut ∑x i =1= yAP * A p ( Tdp ) + yBP * B p ( Tdp ) + yCP * C p ( Tdp ) + ... (excluant G, qui est un non-condensable) Université d’Ottawa / University of Ottawa 18 Systèmes L-V: plusieurs composants condensable • Représentation Représentation graphique d’un système binaire (A – B) où A est le composé plus volatile. volatile. Université d’Ottawa / University of Ottawa Courbe du point de rosée Courbe du point d’ébullition 19 Solutions Solide - Liquide • Solubilité et saturation – La solubilité d’un solide est la quantité maximale La de cette substance qu’on peut dissoudre dans un montant spécifique de liquide à l’équilibre. montant – Une solution qui contient un maximum de Une composants dissous à l’équilibre est dite saturée avec ce composant. avec – Une solution à l’équilibre avec un solide dissous Une doit être saturée, sinon plus de solides peut être dissous. dissous. 20 Université d’Ottawa / University of Ottawa Solutions Solide - Liquide • Solubilité des solides et des sels Solubilité hydratés hydrat La solubilité d’un solide dans un liquide La dépend de la pression et de la température. Parfois certains solides (ex. Na2SO4, MgSO4) Parfois forment des sels hydratés (ex. Na2SO4⋅ 10H2O), forment O), ce qui change la solubilité du solide. ce Université d’Ottawa / University of Ottawa 21 Solutions Solide - Liquide Université d’Ottawa / University of Ottawa 22 Solutions Solide - Liquide • Les propriétés colligatives (tension de vapeur, point Les de bulle, point de congélation) d’une solution dépendent que de la concentration du soluté. Université d’Ottawa / University of Ottawa 23 Équilibre Liquide-Liquide • Le principe Extraction liquide-liquide est très Le • • simple: un soluté est récupéré par un solvant avec qui il a une grande affinité. qui Solvant: non soluble ou faiblement soluble dans la Solvant: solution à être extraite. solution Étapes d’une extraction liquide-liquide: – Mélange intime du solvant avec la solution contenant le Mélange soluté à extraire; soluté – Séparation du mélange de solutions en deux phases Séparation liquides non miscibles; liquides – Peut être suivi d’une séparation du soluté dans le solvant Peut et la récupération du solvant pour sa réutilisation dans un autre cycle d’extraction. autre Université d’Ottawa / University of Ottawa 24 Équilibre Liquide-Liquide • Miscibilité et coefficients de distribution La relation d’équilibre peut être donnée par La le coefficient de distribution qui est le ratio des fractions massiques du soluté dans les deux phases à l’équilibre. Données pour plusieurs systèmes ternaire se trouvent dans Perry’s Chemical Engineering Handbook. Handbook Université d’Ottawa / University of Ottawa 25 Équilibre Liquide-Liquide Diagramme de Diagramme phase triangulaire triangulaire Utile pour Utile solvants partiellement miscibles miscibles Phase organique Phase aqueuse Université d’Ottawa / University of Ottawa 26 Adsorption sur des Surfaces Solides • Un ou plusieurs constituants d’un gaz ou Un • • d’un liquide sont adsorbés sur la surface d’un solide et une séparation est ainsi effectuée. effectuée. L’adsorbant est habituellement de petites L’adsorbant particules dans un lit fixe. particules Les relations d’équilibre des adsorbants à Les une température spécifique (i.e. isotherme d’adsorption) sont très similaires aux autres données d’équilibre. données Université d’Ottawa / University of Ottawa 27 Adsorption sur des Surfaces Solides q = Kc n q = Kc Université d’Ottawa / University of Ottawa qoc q= K+c 28 ...
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This note was uploaded on 11/23/2011 for the course BIO anp1105 taught by Professor Ced during the Spring '11 term at University of Ottawa.

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