2023-2024 / CHIM0009-3

Thermodynamique chimique appliquée

Durée

26h Th, 26h Pr

Nombre de crédits

 Bachelier en sciences de l'ingénieur, orientation ingénieur civil5 crédits 
 Master : ingénieur civil en chimie et science des matériaux, à finalité5 crédits 
 Master : ingénieur civil en génie de l'énergie, à finalité5 crédits 

Enseignant

Marie-Noëlle Dumont, Nathalie Job, Grégoire Léonard

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue française

Organisation et évaluation

Enseignement au deuxième quadrimestre

Horaire

Horaire en ligne

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

Ce cours compte pour 5 ECTS. Pour rappel 1 ECTS représente approximativement 30 heures de travail « étudiant ». Les cours en présentiel représentent un total de 52 heures. Il vous reste donc un peu moins de 100 heures de travail à fournir.

Ce cours est donné à destination des 3ème BAC ingénieurs, options chimie et électromécanique et à destination des étudiants du BLOC0 master ingénieur en chimie et sciences des matériaux.

Il consiste en 13 sessions donnés au Q2, le lundi après-midi (13h30-15h30 cours théorique; 15h45- 17h45 : TD . Ces informations sont données à titre indicatif, veuillez toujours consulter l'horaire en ligne disponible sur Celcat (myuliege)

L'espace en ligne associé au cours CHIM0009 est hébergé sur la plate-forme eCampus à laquelle vous accédez avec vos identifiants ULiege.

Vous pouvez poser vos questions aux heures de cours ainsi que sur le forum disponible sur ecampus. Nous vous encourageons vivement à utiliser le forum car il permet à tous les étudiants de profiter des réponses fournies. Nous nous engageons à vous répondre endéans les 3 jours. Vous pouvez également prendre un rendez-vous individuel en envoyant un email au titulaire concerné.

Description du cours

Comme ingénieur chimiste ou ingénieur électromécanicien, vous pourrez être amenés à faire de la modélisation de procédés, que ce soient des centrales thermiques, des pompes à chaleur ou de n'importe quel procédé de l'industrie chimique ou de production d'énergie. La première étape lors de cette modélisation est de représenter le comportement des fluides qui y circulent. Il est important de prédire correctement une variation d'enthalpie pour dimensionner un échangeur de chaleur ou encore une température de changement de phase pour un ballon flash ou une colonne à distiller. Cette représentation ne peut être correcte que si vous choisissez le bon modèle thermodynamique dans la vaste panoplie disponible sur les différents logiciels de calcul.

Ce cours va vous aider à bien choisir ces modèles que ce soit pour des molécules connues comme pour des molécules encore peu connues. À l'issue de ce cours, vous serez également capable d'estimer les grandeurs thermodynamiques manquantes.

Contenus

Le cours est divisé en deux grandes parties :

  • Les corps purs
  • Les mélanges
Partie I : Corps purs

Cette première partie cours passe en revue les méthodes permettant l'évaluation des propriétés physiques et thermodynamiques de corps purs. Après un rappel des fonctions thermodynamiques et leur évaluation pour le gaz parfait, on met en évidence les relations PVT (pression, volume, température) (équations d'état) et les concepts de grandeurs résiduelles. Les principales méthodes de prédictions de propriétés thermodynamiques des corps purs sont examinées (états correspondants, contributions de groupes), avant de présenter les principales familles d'équations d'état.

Chapitre 1: Principes

  • Définitions
  • Premier principe - système fermé 
  • Premier principe - système ouvert
  • Second principe
  • Energie libre et enthalpie libre
  • Fonctions thermodynamiques 
  • Gaz parfait
Chapitre 2: Propriétés des corps purs

  • Relation P-V-T 
  • Tension de vapeur 
  • Diagramme enthalpique
  • Calcul des propriétés thermodynamiques 
Chapitre 3: Prédiction des propriétés thermodynamiques des corps purs

  • Introduction
  • Techniques de simulation moléculaire 
  • Loi des états correspondants
  • Corrélations propriétés - structure
  • Exemple de relations entre les propriétés thermodynamiques
Chapitre 4 : Equations d'état

  • Introduction
  • Equations d'état dérivées du développement du Viriel
  • Equations d'état dérivées de la théorie de Van der Waals 
  • Équations spécifiques à certains corps purs
Grâce à cette partie consacrée aux corps purs, vous allez apprendre à évaluer des grandeurs thermodynamiques sur base de données incomplètes. Vous pourrez également choisir les méthodes d'estimation les plus appropriées et connaissant les hypothèses sur lesquelles elles ont été bâties, vous pourrez également juger de leur fiabilité.

Il est important de commencer par les corps purs pour bien comprendre la méthodologie en partant de cas simples. De plus, de nombreuses applications de la vie réelle, en particulier dans les systèmes énergétiques (cycles thermodynamiques en général, par exemple pompes à chaleur, cycles frigo, cycles de Rankine...), font encore intervenir des corps purs.

Partie II: Mélanges

La seconde partie du cours passe en revue les méthodes permettant l'évaluation des propriétés physiques et thermodynamiques des mélanges de différentes substances (par exemple, un mélange eau-alcool). Tout d'abord, les grandeurs nécessaires à la caractérisation d'un tel mélange sont rappelées et précisées : grandeurs molaires partielles, potentiels chimiques, fugacités, activités, coefficients de non-idéalité, grandeurs de mélange et d'excès.

La description des équilibres multiphasiques de mélanges est ensuite présentée sur base de ces grandeurs. Les équilibres liquide-vapeur sont explorés en détail, et les systèmes liquide-liquide sont également abordés. Pour la description de tels équilibres appliqués aux mélanges, deux méthodes principales sont présentées : équations d'état, et méthodes à coefficient d'activité. Le choix de la méthode s'effectuant en fonction des applications, des exemples seront donnés. Les principales familles d'équations d'état sont examinées et les règles de mélange sont décrites pour permettre leur utilisation dans le cas de systèmes multi-composés. Les méthodes à coefficients d'activités sont également parcourues en détails, en mentionnant entre autres les méthodes aux compositions locales.

Enfin, les grandeurs thermochimiques caractérisant les réactions sont présentées et des méthodes concernant leur prédiction sont proposées. L'évaluation des équilibres chimiques est également discutée.

Chapitre 0 Introduction

Chapitre 1 Caractérisation et modélisation des mélanges fluides

  • Introduction
  • Grandeurs molaires partielles
  • Potentiel chimique
  • Fugacité.
  • Activité
  • Grandeurs de mélange
  • Grandeurs d'excès
  • Coefficients d'activité
  • Méthodes de calcul
  • Etats de référence
Chapitre 2 Equilibre des mélanges multiphasiques

  • Introduction
  • Equilibres liquide-vapeur
  • Mélange ternaire
  • Systèmes azéotropiques
  • Equilibre liquide-liquide
  • Condition d'équilibre liquide-vapeur
  • Solubilité des gaz dans les liquides
  • Méthodes de calcul
Chapitre 3 Déviations à l'idéalité en phase liquide

  • Introduction
  • Grandeurs d'excès
  • Modèles empiriques simples
  • Contributions à l'enthalpie libre d'excès
  • Solutions associées
  • Solutions ioniques/électrolytes
Chapitre 4 Application des équations d'état aux mélanges

  • Introduction
  • Les équations d'état : principe
  • Règles de mélange
  • Equations d'état dérivées du Viriel
  • Equations d'état cubiques
  • Equations SAFT
  • Application des équations d'état
  • Conclusion
Chapitre 5 Thermodynamique et réaction chimique.

  • Introduction
  • Condition d'équilibre chimique
  • Calcul de l'équilibre chimique
  • Données thermochimiques
  • Prédiction de données thermochimiques
  • Grandeurs de réaction
  • Conclusion
Cette partie consacrée aux mélanges est essentielle pour la compréhension des modèles thermodynamiques utilisés dans les logiciels. Il est en effet assez rare de n'avoir que des corps purs dans un procédé de l'industrie en particulier dans l'industrie chimique. Grâce aux projets, vous aurez l'occasion de mettre en pratique l'ensemble des connaissances acquises dans le cours.

 

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

Le cours de thermodynamique chimique appliquée vise à :

  • Vous initier à l'utilisation pratique de la thermodynamique dans la modélisation des procédés;
  • Vous faire comprendre l'ensemble des opérations complexes qui se cachent derrière le choix simple et rapide d'un modèle thermodynamique dans un logiciel de calcul comme Aspen Plus, EES, coolprop,etc.
  • Vous rendre conscients de l'importance de la qualité des données thermodynamiques qu'on trouve dans les bases de données ou dans les logiciels de simulation
  • Vous familiariser avec les méthodes d'estimation des paramètres thermodynamiques disponibles et leurs limites d'application
Au terme de ce cours, vous devrez être capable :

  • D'identifier les grandeurs thermodynamiques nécessaires à la modélisation d'un système chimique multi-composés,
  • De maîtriser les relations qui unissent les différentes grandeurs thermodynamiques,
  • De justifier l'utilisation de ces grandeurs thermodynamique dans le génie des procédés
  • D'estimer ces grandeurs à partir de la littérature
  • D'acquérir les notions permettant d'évaluer pratiquement des grandeurs thermodynamiques à partir de données incomplètes
  • De choisir les méthodes les plus appropriées pour l'évaluation des grandeurs thermodynamiques parmi celles proposées par les logiciels de modélisation de procédés
  • D'apprécier la précision et la fiabilité des différentes méthodes d'estimation
  • D'évaluer pratiquement les grandeurs thermodynamiques de systèmes chimiques afin de permettre leur utilisation dans un modèle de procédé.
Ce cours contribue aux acquis d'apprentissage I.1, I.2, II.1, III.1, III.2 du programme de bachelier ingénieur civil.

Savoirs et compétences prérequis

Pour suivre ce cours, vous devez maitriser certaines notions fondamentales de chimie car il vous sera demandé de pouvoir :

  • Reconnaître et dessiner des molécules
  • Identifier le caractère polaire ou non polaire d'une molécule
  • Équilibrer une réaction chimique
  • Calculer un équilibre
Vous devez également avoir eu des notions de thermodynamique car vous devez être capable de :

  • Connaître et pouvoir calculer les différentes fonctions thermodynamiques : U, H, G, S
  • Connaître et savoir appliquer les 2 premiers principes de la thermodynamique
  • Pouvoir calculer les équilibres de phases de solutions idéales notamment sur base graphique : LV et LS
Ces notions sont vues dans les cours de bachelier suivants :

  • CHIM9272-2 : chimie 1
  • CHIM9273-1 : chimie 2
  • CHIM0286-1 : éléments de thermodynamique
Elles peuvent également s'acquérir dans les livres de référence suivants :

  • « Chimie générale » de Paul Arnaud
  • « Thermodynamique, une approche pragmatique » de Y. A. Cengel, M. A. Boles et M. Lacroix
Un MOOC de chimie est également disponible pour vous permettre d'acquérir ces notions fondamentales :  https://www.fun-mooc.fr/fr/cours/chimie-ouvrez-les-portes-de-lenseignement-superieur/

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

L'enseignement de la théorie repose sur des cours ex cathedra. Tous les développements sont expliqués au tableau par l'enseignant, en particulier, les équations complexes étudiées dans ce cours ainsi que les hypothèses sur lesquelles elles reposent. Les différents cours théoriques sont également disponibles sous forme de power point commentés disponibles sur onedrive, ce qui vous permettra en cas de doute sur un point de théorie, de retrouver l'explication donnée au cours par l'enseignant. Vous avez ainsi également la possibilité, en cas de force majeure, de suivre le cours de manière asynchrone. Nous ne recommandons cependant pas cette méthode car elle vous prive de l'opportunité de réagir en direct en cas de questionnement sur un point particulier de la théorie. De plus, le risque est plus grand lorsque vous étudiez à distance de vous laisser distancer or, la clé de la réussite repose sur une étude régulière de la théorie.

Pour vous permettre de vérifier votre bonne compréhension de la théorie, des tests de type QCM seront mis à votre disposition chaque semaine sur ecampus. Nous vous demandons d'essayer d'y répondre avant le cours suivant, afin de vous mettre dans des conditions optimales pour la réussite des exercices proposés mais également de l'examen. Vous pouvez réaliser ces tests plusieurs fois. Une note de 100 points minimum est souhaitée avant de venir au TD. La semaine suivante, lors du cours théorique, nous reviendrons sur les questions qui ont été mal comprises et au début du TD, nous vous demanderons de répondre à une des questions du test choisie au hasard. La théorie relative aux questions problématiques sera à nouveau expliquée.

Les travaux dirigés (TD) seront consacrés à la mise en pratique de certains points importants de la théorie. Le calendrier des TD a été établi afin que la théorie relative au TD soit entièrement vue avant de réaliser les exercices. Des fiches d'activité relatives aux différents TD sont disponibles sur ecampus. Nous vous demandons d'en prendre connaissance chaque semaine afin de rendre ce dernier le plus efficace possible.

Les TD commenceront toujours par un rappel théorique relatif aux exercices réalisés. Ce rappel vous permettra de revoir la matière enseignée préalablement d'un autre point de vue, ce qui vous aidera à mieux comprendre et à assimiler les notions plus difficiles. Ensuite, un exercice spécifique est résolu au tableau par l'enseignant. Chaque étape est détaillée à voix haute pour vous permettre de reproduire le raisonnement et vous aider à effectuer des exercices similaires. Vous devrez ensuite traiter ces exercices supplémentaires par groupe de deux et l'enseignant est disponible pour répondre à toutes vos questions.

Les TD seront, chaque semaine, orientés vers la résolution d'un type de problème très spécifique. A l'issue du cours, il est cependant essentiel que vous puissiez être capable de résoudre un problème complexe de thermodynamique chimique. Afin d'atteindre cet objectif, des projets, similaires à des problèmes qu'un ingénieur doit pouvoir résoudre (un sur les corps purs et un sur les mélanges) vont seront soumis au début de chaque partie (semaine 1 pour les corps purs et semaine 8 pour les mélanges)

Les projets ne sont pas une simple juxtaposition d'exercices. Ils demandent une compréhension assez poussée de la thermodynamique. Pour pouvoir progresser régulièrement dans la résolution de vos projets, sans devoir attendre d'avoir parcouru l'ensemble de la matière et d'avoir tout compris, on vous indiquera, chaque semaine, quelle partie du projet peut déjà être résolue grâce aux exercices réalisés.

Ces projets seront réalisés par groupe de deux étudiants. Si vous maitrisez les concepts théoriques, la réalisation de chaque projet vous demandera entre 10 et 15 heures de travail. L'assimilation de la théorie nécessaire à la réalisation du projet n'est pas comprise dans ces heures mais est répartie tout au long du quadrimestre grâce à votre étude régulière validée par la réalisation des tests. Nous pensons que c'est la méthode la mieux adaptée pour qu'au terme de ce cours vous ayez atteint les objectifs d'apprentissage visés. Ces projets sont présentés au début de chaque partie, résolus progressivement selon l'avancement de la matière et rendus une semaine après la fin de la partie concernée. Ils peuvent être rendus sous format manuscrit. Chaque projet fera l'objet d'une évaluation formative à mi-parcours. A ce moment, toutes les tâches demandées ne seront pas encore résolues mais un feedback sur le processus vous sera communiqué afin de vous aider à mieux comprendre le niveau d'exigence demandé (notamment la justification systématique des hypothèses posées).

Voici une estimation de la répartition des heures de travail considérée comme idéale pour réussir ce cours. Pour rappel ce cours représente 5 ECTS soit 150 heures de travail étudiant.

Description de l'activité/Nombre d'heures par semaine/Total (13 semaines)

Cours en présentiel/4h/52h

Révision de la théorie + test/2h/26h

Exercices supplémentaires/1,5 h/19,5h

Avancement dans le projet/1,5 h/19,5h

Finalisation projet corps purs/ /8h/

Finalisation projet mélange/ /8h

Préparation et présentation examen écrit/ /17h

 

Mode d'enseignement (présentiel, à distance, hybride)

Cours donné exclusivement en présentiel


Explications complémentaires:

Cours théorique 2h/semaine au 2eme quadrimestre (présentiel). 13 séances

Travaux pratiques 2h/semaine, en parallèle avec le cours théorique (présentiel). 13 séances

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

Le syllabus de théorie relatif aux mélanges, les syllabi d'exercices ainsi que les slides projetés au cours théoriques sont disponibles en version .pdf sur eCampus (CHIM0009>>>partie...). Les power point de théorie sont également disponibles sur onedrive en format audio-commentés.

Des fiches préparatoires ainsi que des exercices corrigés, en version .pdf sont disponibles sur ecampus (CHIM0009>>> partie...)et en version commentée .mp4 sur onedrive.


Un forum de discussions est ouvert sur eCampus (CHIM0009>>> Discussions) pour poser vos questions relatives à la théorie ou aux exercices. Ce forum permet à tous les utilisateurs de voir les questions posées ainsi que les réponses obtenues et est donc à privilégier pour qu'un maximum d'étudiants en profite.

Les ouvrages de référence utilisés pour ce cours sont disponibles à la bibliothèque des Sciences et Techniques. Il s'agit de :

  • Vidal (1997) Thermodynamique, application au génie chimique et à l'industrie pétrolière. Editions Technip, IFP.
  • De Hemptinne, J. M. Ledanois, P. Mougin, A. Barreau (2012). Select Thermodynamic Models for Process Simulation, a Practical Guide using a Three Steps Methodology. Editions Technip, IFPEn.

Modalités d'évaluation et critères

Examen(s) en session

Toutes sessions confondues

- En présentiel

évaluation écrite ( QCM, questions ouvertes )

Travail à rendre - rapport

Evaluation continue


Explications complémentaires:

Des évaluations formatives sont prévues, chaque semaine, tout au long du quadrimestre sous la forme de tests de type QCM. Ces évaluations vous permettront de vérifier si vos connaissances théoriques de la matière sont suffisantes. En présentiel, nous vérifierons également vos connaissances au début de chaque TD. La correction des questions les moins bien réussies sera l'occasion de revoir la théorie correspondante. En distanciel, les tests seront disponibles chaque semaine sur ecampus. Un feedback vous renverra au point de théorie relatif à la question posée.

Pour les projets, une évaluation formative vous sera proposée à mi-parcours. Nous vous communiquerons alors un feedback pour vous permettre d'améliorer votre rapport avant de rendre la version finale.

La note finale obtenue pour ce cours est une pondération entre :

  • Un examen écrit de théorie et d'exercices sur les partie corps purs et mélanges d'une durée de 4h prévue durant la session. Les questions seront présentées à la fois sous la forme d'un QCM et de questions ouvertes.
  • Un projet sur la partie corps purs effectué en groupe de 2 étudiants. Ce projet vous sera distribué la semaine 1 et devra être rendu avant le vendredi de la semaine 8.
  • Un projet sur la partie mélange effectué en groupe de 2 étudiants. Ce projet vous sera distribué la semaine 8 et devra être rendu avant le vendredi de la semaine 13.
En juin, la répartition de la note finale sera:

-examen (théorie et exercices)  60%

-projets 40%


En cas d'échec à l'examen de juin, les étudiants qui souhaitent présenter l'examen à nouveau lors de la seconde session et qui ont obtenu une note inférieure à 10/20 au projet doivent à obligatoirement soumettre à nouveau le projet à titre individuel, et ce avant le 15/8. En cas de non-remise du projet pour le 15/8, ces étudiants ne seront pas admis à représenter l'examen.

En août, la répartition de la note finale sera:

-examen (théorie et exercices) 70%

-projets 30%


 

 

Stage(s)

Remarques organisationnelles et modifications principales apportées au cours

13 cours donnés au Q2

Le lundi après-midi (13h30-15h30 cours théorique au R53 (B4); 15h45- 17h45 : TD au R53 (B4). Les locaux sont donnés à titre indicatif, veuillez toujours vérifier votre horaire sur celcat (myuliege).


Des fiches d'activité sont disponibles sur ecampus pour vous permettre de suivre le programme que nous estimons idéal pour réussir ce cours. Elles détaillent à la fois les activités qui sont faites en présentiel ainsi que les activités à faire à domicile.

 

Encadrement pour la partie corps purs : Nathalie Job

Encadrement pour la partie mélanges: Grégoire Léonard

Encadrement pour la partie Travaux dirigés : Marie-Noëlle Dumont

Contacts

Théorie et projet « corps purs » : Nathalie Job, professeure ordinaire

Department of Chemical Engineering, Institut de Chimie B6a, bureau 0/10

Téléphone : 04 366 3537 ; Email : nathalie.job@uliege.be

 

Théorie et projet « mélanges » : Grégoire Léonard, chargé de cours

Department of Chemical Engineering, Institut de Chimie B6a, bureau 0/68

Téléphone : 04 366 3513 ; Email : g.leonard@uliege.be

 

Travaux dirigés et projets (corps purs et mélanges): Marie-Noëlle Dumont, professeur associé

Department of Chemical Engineering, Institut de Chimie B6a, bureau 0/65b

Téléphone : 04 366 3523 ; Email : mn.dumont@uliege.be




 

Association d'un ou plusieurs MOOCs