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RÉSUMÉ
Les informations concernant la thermodynamique des équilibres entre phases sous pression sont essentielles en génie énergétique, car de nombreux procédés et systèmes industriels fonctionnent sous pression. Beaucoup de modèles ont été proposés pour la représentation fidèle des propriétés thermodynamiques. Aujourd’hui, de nouveaux modèles thermodynamiques, encore plus précis et qui reposent sur des bases moléculaires, sont en cours de développement. Ces modèles, plus prédictifs, serviront à réduire le nombre de points expérimentaux à déterminer. Ils permettront de dimensionner les systèmes thermodynamiques et d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu.
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Salaheddine CHABAB : Docteur de l’université PSL - Ingénieur Recherche Mines ParisTech
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Patrice PARICAUD : Professeur de thermodynamique et de génie des procédés - Docteur de l’Imperial College London - Ingénieur de l’ENSIC Nancy Unité de chimie et procédé (UCP), ENSTA Paris, Institut polytechnique de Paris, Palaiseau
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Christophe COQUELET : Professeur Mines ParisTech, Université PSL - Docteur de l’École des mines de Paris - Professeur agrégé de l’université - Ancien élève de l’ENS Cachan - Ingénieur ENSIACET
INTRODUCTION
Les informations concernant la thermodynamique des équilibres entre phases sous pression sont essentielles en génie chimique et énergétique. En effet, de nombreux procédés industriels et systèmes énergétiques fonctionnent sous pression : procédés de séparation (distillation, extraction par fluides supercritiques, etc.), procédés géochimiques (stockage souterrain du gaz et de l’énergie), traitement du gaz naturel, réfrigération et pompes à chaleur, moteurs, cycles ORC et valorisation de la chaleur perdue, etc. À ce jour, beaucoup de modèles ont été proposés (corps purs et mélanges) pour la représentation fidèle des propriétés thermodynamiques, prenant en compte les comportements des différents systèmes couramment rencontrés dans le domaine industriel. Toutefois, grâce aux informations précises fournies par les expériences effectuées en laboratoire, de nouveaux modèles thermodynamiques, encore plus précis, peuvent être développés. Ces modèles servent à réduire le nombre de points expérimentaux à déterminer (modèles prédictifs) et à effectuer le dimensionnement des unités ou des opérations unitaires mais aussi à améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. L’évaluation énergétique des procédés nécessite également des modèles thermodynamiques très précis qui permettent d’évaluer et d’effectuer les bilans énergétiques, entropiques et exergétiques. On ne peut effectivement se contenter, lors du calcul d’un coefficient de performance d’un cycle de réfrigération par exemple, d’utiliser des modèles thermodynamiques dont l’incertitude sur le calcul de la densité est trop importante. De même que l’utilisation du gaz parfait a une utilisation très limitée.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 2007 par Christophe COQUELET, Dominique RICHON
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5. Conclusion
Cet article présente une revue de différents modèles pouvant être utilisés pour représenter les équilibres entre phase de corps purs sous pression. Ces modèles sont plus ou moins complexes et nécessitent soit de bien connaître les aspects physico-chimiques entre les molécules, soit des données expérimentales pour l’ajustement des différents paramètres.
Il est à noter que l’industrie utilise très rarement des fluides purs mais bien souvent des mélanges. C’est le cas de l’industrie de la réfrigération : autrefois, les chlorofluorocarbures (CFC) étaient utilisés mais les considérations énergétiques et environnementales ont entraîné l’utilisation de fluides de substitution tels les hydrofluorocarbures (HFC) et de nos jours, à cause du pouvoir de réchauffement climatique très élevé des HFC, les hydrofluorooléfines (HFO) ou les fluides de travail dit naturel (comme l’ammoniac ou le dioxyde de carbone selon l’application visée). L’utilisation de certains HFC, HFO et fluides naturels purs a montré que bien souvent les coefficients de performance calculés étaient moins bons qu’avec les CFC. Une des conséquences est qu’il a fallu utiliser les HFC en mélange et non en tant que composés purs. La connaissance de la thermodynamique des fluides peut être une bonne aide pour la sélection des fluides de travail dans le cadre de la réfrigération ou de la climatisation. La conception des fluides de travail nécessite la connaissance des propriétés thermophysiques et donc la compréhension des diagrammes de phases et la modélisation des propriétés thermodynamiques des fluides.
De la même manière, dans l’industrie chimique en général, des mélanges sont comprimés, détendus, séparés ou réagissent. Il est de fait indispensable de disposer d’une bonne équation d’état, corps purs ou mélange pour pouvoir comprendre le diagramme de phases et prédire les propriétés thermodynamiques. Cependant, avant d’étudier les propriétés thermodynamiques des mélanges de fluides, il faut s’assurer que le modèle choisi, c’est-à-dire l’équation d’état, permet une bonne représentation des propriétés thermodynamiques des fluides purs avec une précision adéquate et un temps de calcul raisonnable.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HIRSCHFELDER (J.O.), CURTISS (C.F.), BIRD (R.B.), MAYER (M.G.) - Molecular theory of gases and liquids. - Wiley, New York (1964).
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(2) - ROWLEY (R.), WILDING (W.), OSCARSON (J.), YANG (Y.), ZUNDEL (N.), DAUBERT (T.) et al - DIPPR data compilation of pure compound properties. - Design Institute for Physical Properties (2003).
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(3) - Van DER WAALS (J.) - Over de Continuiteit van den Gas-en Vloestoftoestand. (Über die Kontinuittät des Gas-und Flüssigkeitszustands) (1873). - Dissertation, Universität Leiden, Niederlande, deutsche Übersetzung, Leipzig (1899).
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(4) - JI (W.-R.), LEMPE (D.) - A systematic study of cubic three-parameter equations of state for deriving a structurally optimized PVT relation. - Fluid Phase Equilibria, 147, p. 85-103 (1998).
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(5) - STARLING (K.E.) - Thermo data refined for LPG. 1. Equation of state and computer prediction. - Hydrocarbon processing, 50, p. 101 (1971).
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ANNEXES
Mines ParisTech, PSL Université, CTP – Centre thermodynamique des procédés 38, rue Saint honoré, 77305 Fontainebleau Cedex Tél. : (33)164694962 Fax : (33)164694968
ENSTA Paris, IP Paris UCP – Unité chimie et procédés 828, boulevard des Maréchaux, 91762 PALAISEAU Cedex Tél. : (33) 181872026
INREAE, Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l’environnement (FRISE) 1, rue Pierre-Gilles de Gennes, CS 1003092761 Antony Cedex Tél. : +33(0)1 42 75 90 00
ENSIC, Université de Lorraine, LRGP (Laboratoire réactions et génie des procédés) 1, rue Grandville BP 20451, 54001 Nancy Tél. : +33(0) 3 72 74 36 00
CNAM, Laboratoire du froid, des systèmes énergétiques et thermiques (Lafset) Case 2LAF01, 292, rue Saint Martin, 75141 Paris Cedex 03 Tél. : +33(0) 1 58 80 85 65
INSA LYON, Centre d’energétique et de thermique de Lyon (CETHIL) Bâtiment Sadi-Carnot, 9, rue de la Physique, Campus LyonTech La Doua, 69621 Villeurbanne Cedex Tél. : +33(0)4 72 43 88 10
HAUT DE PAGE
CAMPESTRINI (M.) – Étude thermodynamique des équilibres solide-liquide-vapeur : application à la cryogénie et aux unités de séparation de l’air. Thèse École des Mines de Paris, 432 p. (2014).
CHAPOY (A.) – Étude des équilibres des systèmes eau-hydrocarbures-gaz acides dans le cadre de la production...
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