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Beedy Academy · Calculateurs

Calculateurs gratuits pour le génie des procédés

17 calculs de procédés chimiques : réacteurs, cinétique, bilans matière, chaleur, pression de vapeur et distillation. Formule visible et problèmes pratiques.

Réactions et réacteurs

Conversion, rendement et sélectivité

FormuleX = (NA0 − NA) ÷ NA0  ·  Y = ν × NP ÷ NA0  ·  S = ν × NP ÷ (NA0 − NA)
kmol/h
kmol/h
kmol/h
Conversion de A (X)—%
Rendement en produit (Y)—%
Sélectivité (S)—%

Rendement = conversion × sélectivité. Une sélectivité qui baisse signale souvent une température trop haute ou un catalyseur qui vieillit.

Temps de passage et conversion : RPAC et piston

Formuleτ = V ÷ Q  ·  XCSTR = kτ ÷ (1 + kτ)  ·  XPFR = 1 − e−kτ
m³
m³/h
h⁻¹
Temps de passage (τ)—h
Conversion en réacteur agité (CSTR)—%
Conversion en réacteur piston (PFR)—%

Réaction du 1er ordre, densité constante, isotherme. À volume égal, le réacteur piston convertit toujours plus que le réacteur agité.

Volume de réacteur pour une conversion visée

FormuleVCSTR = Q × X ÷ (k × (1 − X))  ·  VPFR = −Q × ln(1 − X) ÷ k
m³/h
h⁻¹
%
Volume en réacteur agité (CSTR)—m³
Volume en réacteur piston (PFR)—m³

1er ordre, isotherme, densité constante. Au-delà de 90 % de conversion, le réacteur agité devient très gros : on met alors plusieurs réacteurs en série.

Arrhenius : effet de la température sur la vitesse

Formulek₂ ÷ k₁ = exp[(Eₐ ÷ R) × (1 ÷ T₁ − 1 ÷ T₂)]  (T [K])
kJ/mol
°C
°C
Rapport k₂ ÷ k₁—×
Vitesse ou constante à T₂ (k₂)—

Règle pratique : avec Eₐ ≈ 50 à 55 kJ/mol, la vitesse double environ à chaque 10 °C. Attention aux réactions exothermiques : la chaleur dégagée suit la même courbe.

Énergie d'activation à partir de deux essais

FormuleEₐ = R × ln(k₂ ÷ k₁) ÷ (1 ÷ T₁ − 1 ÷ T₂)  (T [K])
min⁻¹
°C
min⁻¹
°C
Énergie d'activation (Eₐ)—kJ/mol
Eₐ ÷ R—K

k₁ et k₂ dans la même unité. Deux points seulement : pour un vrai résultat, tracer ln k contre 1/T sur au moins trois températures.

Cycle d'un lot et productivité

Formuletcycle = tchargement + tréaction + tvidange + tnettoyage  ·  P = m × 24 ÷ tcycle
h
h
h
h
kg
Durée du cycle—h
Lots par jour—
Productivité (P)—kg/j

Les temps morts (chargement, vidange, nettoyage) pèsent souvent autant que la réaction : c'est là qu'on gagne de la capacité.

Bilans matière et mélanges

Mélange de deux courants

Formulem₃ = m₁ + m₂  ·  w₃ = (m₁ × w₁ + m₂ × w₂) ÷ m₃
kg/h
% m/m
kg/h
% m/m
Débit du mélange (m₃)—kg/h
Concentration du mélange (w₃)—% m/m
Soluté transporté—kg/h

Bilan en masse, pas en volume : les volumes ne s'additionnent pas toujours. Vaut aussi pour mélanger deux réservoirs (kg au lieu de kg/h).

Dilution d'un acide ou d'une base forte

Formulem₁ = m₂ × w₂ ÷ w₁  ·  V₁ = m₁ ÷ ρ₁  ·  mH₂O = m₂ − m₁
% m/m
kg/L
% m/m
kg
Concentré à prendre (m₁)—kg
Concentré à prendre (V₁)—L
Eau à mettre (mH₂O)—kg

Toujours verser l'acide dans l'eau, lentement et en agitant (forte chaleur de dilution). Travailler en masse : les volumes ne s'additionnent pas.

Évaporateur : eau à enlever

FormuleP = F × xF ÷ xP  ·  W = F − P  ·  S = W ÷ e
kg/h
% m/m
% m/m
kg eau/kg vapeur
Concentré produit (P)—kg/h
Eau évaporée (W)—kg/h
Vapeur de chauffe (S)—kg/h

Les solides ne s'évaporent pas : c'est le bilan qui fixe l'eau à enlever. Économie typique : 0,8 à 0,9 en simple effet, environ 0,8 × n pour n effets.

Gaz de procédé : masse volumique et débit réel

Formuleρ = P × M ÷ (R × T)  ·  Q = QN × (PN ÷ P) × (T ÷ TN)
kPa abs
°C
g/mol
Nm³/h
Masse volumique (ρ)—kg/m³
Débit réel—m³/h
Débit massique—kg/h

Gaz parfait (Z = 1) : bon à basse pression ; au-dessus d'environ 10 bar, corriger avec le facteur de compressibilité Z. Air : M = 28,96 ; méthane : 16,04 ; azote : 28,01.

Chaleur et énergie

Chaleur de réaction et élévation adiabatique

FormuleQ = −ṅ × ΔHr  ·  ΔTad = −ṅ × ΔHr ÷ (ṁ × cₚ)
kmol/h
kJ/mol
kg/h
kJ/kg·K
Chaleur dégagée (Q)—kW
Élévation adiabatique (ΔTad)—K

ΔTad = hausse de température si tout le refroidissement est perdu. Pour un lot, utiliser kmol et kg du lot. Au-dessus d'environ 50 K, faire une étude d'emballement.

Réacteur à double enveloppe : eau de refroidissement et surface

Formuleṁc = Q ÷ (cₚ × (Tc2 − Tc1))  ·  A = Q ÷ (U × ΔTlm)
kW
°C
°C
°C
kJ/kg·K
W/m²·K
Débit d'eau de refroidissement—kg/h
Écart logarithmique moyen (ΔTlm)—K
Surface d'échange requise (A)—m²

Réacteur bien agité (température uniforme). U typique en double enveloppe avec eau : 300 à 600 W/m²·K, plus bas avec l'encrassement ou un réacteur émaillé.

Chauffe d'un lot : énergie et vapeur

FormuleQ = m × cₚ × (T₂ − T₁)  ·  P = Q ÷ t  ·  mv = Q ÷ Lv
kg
kJ/kg·K
°C
°C
h
kJ/kg
Énergie à fournir (Q)—MJ
Puissance moyenne (P)—kW
Vapeur consommée (mv)—kg

Chaleur sensible seulement, pertes et masse du réacteur ignorées (ajouter 10 à 20 %). Lv ≈ 2133 kJ/kg à 3 bar abs, 2015 kJ/kg à 10 bar abs.

Équilibre liquide-vapeur et distillation

Pression de vapeur (équation d'Antoine)

Formulelog₁₀ Psat [mmHg] = A − B ÷ (C + T [°C])  ·  Tb = B ÷ (A − log₁₀ 760) − C
°C
Pression de vapeur (Psat)—kPa
Pression de vapeur (Psat)—mmHg
Point d'ébullition normal (101,325 kPa)—°C

Constantes en mmHg et °C (tables usuelles de génie chimique) ; ne pas extrapoler hors de la plage indiquée. À la température où Psat égale la pression du réservoir, le liquide bout.

Volatilité relative et valeurs K (Raoult)

FormuleKi = Pisat ÷ P  ·  α = KL ÷ KH = PLsat ÷ PHsat
°C
kPa abs
Volatilité relative (α)—
Valeur K du léger (KL)—
Valeur K du lourd (KH)—

Mélange idéal (Raoult), juste pour des composés semblables (benzène-toluène, hexane-heptane). Méthanol-eau et éthanol-eau sont non idéaux : α réel différent.

Nombre minimal d'étages (Fenske)

FormuleNmin = ln[(xD ÷ (1 − xD)) × ((1 − xB) ÷ xB)] ÷ ln α
fraction molaire
fraction molaire
Étages théoriques minimum (Nmin)—

Reflux total, α constant, mélange binaire ; Nmin inclut le rebouilleur. En marche réelle il faut environ 2 à 2,5 fois Nmin.

Reflux minimal (Underwood, binaire)

FormuleRmin = [xD ÷ xF − α × (1 − xD) ÷ (1 − xF)] ÷ (α − 1)  ·  R = f × Rmin
fraction molaire
fraction molaire
Taux de reflux minimal (Rmin)—
Taux de reflux de marche (R)—

Alimentation liquide à saturation (q = 1), α constant, débits molaires constants. Facteur usuel f : 1,2 à 1,5.

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