Entraînement à l’examen FE Chemical : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 24 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Bilan matière

Régime permanent
entrée = sortie
Bilan global
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilan par constituant
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Évaporateur
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilan d’énergie

Chaleur sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Chaleur latente
Q = ṁ·hfg
Mélange
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Eau
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Loi des gaz parfaits

Loi des gaz parfaits
pV = nRT
Constante des gaz parfaits
R = 8,314 J/(mol·K)
Loi combinée des gaz
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Température
T[K] = T[°C] + 273,15

Stœchiométrie

Moles
n = m/M
Concentration
c = n/V
Rapport molaire
utiliser les coefficients de l’équation équilibrée
Réactif limitant
celui qui s’épuise en premier
Rendement
réel / théorique × 100%

Méthode

  1. Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
  2. Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
  3. Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
  4. Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.

Équilibre chimique

Constante d’équilibre
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tableau ICE
Initial, Changement (×coefficient), Équilibre
Équation du second degré
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Méthode

  1. Écrivez Kc avec les produits au numérateur et les réactifs au dénominateur, chacun élevé à la puissance de son coefficient.
  2. Dressez un tableau d’avancement : état initial, variation (par pas de x fois les coefficients), équilibre.
  3. Remplacez les expressions à l’équilibre dans Kc et résolvez pour x.
  4. Vérifiez si x est assez petit pour une approximation ; sinon, résolvez l’équation du second degré.

Calorimétrie et enthalpie

Chaleur
q = m·c·ΔT
Eau
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimètre
chaleur cédée = chaleur reçue
Enthalpie de réaction
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinétique chimique

Ordre 1
ln(CA/CA0) = −kt
Demi-vie (ordre 1)
t½ = ln 2/k
Ordre 2
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Deux températures
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Temps de passage
τ = V/Q
RPAC, premier ordre
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
RP, premier ordre
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversion à partir du volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N RPAC identiques en série
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Puissance échangée
Q = U·A·ΔTlm
Différence de température logarithmique moyenne (DTLM)
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilan d’un fluide
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduction thermique

Loi de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction
R = L/(kA)
Résistance de convection
R = 1/(hA)
Résistances en série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Coefficient U
U = 1/(ΣR·A)

Frottement en conduite et pertes de charge

Nombre de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régime d’écoulement
laminaire en dessous de Re ≈ 2000, turbulent au-dessus de Re ≈ 4000
Vitesse moyenne
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières
hm = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K
entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression
Δp = ρ·g·hf
Deux réservoirs à l’air libre
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sortie libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompes et puissance de pompage

Puissance hydraulique
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre
Pshaft = Ph/ηpump
Puissance électrique
Pel = Pshaft/ηmotor
Hauteur manométrique de la pompe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pertes du réseau
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercices

1.Bilan matièreMoyen
MélangeurFlux 1500 kg/h · 50% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProduit35% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 35 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1000 kg/h · 16% sucreProduit P65% sucreVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

Un évaporateur concentre une solution de sucre en évaporant de l’eau pure. Trouvez l’eau évaporée W en kg/h.

F = 1000 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C70 °Ceau · 10 °Ct = ? °C

Du huile légère chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 140 °C90 °Ceau · 30 °C85 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 5 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 30 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
480 g de HeP = 550 kPaT = 75 °CV = ?

Quel volume V occupent 480 g de He à 550 kPa et 75 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 480 gM = 4,003 g/molP = 550 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 150 kPa, 5 L, 20 °C à 350 kPa et 100 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 350 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

20 g de N2 et 32 g de H2 réagissent selon N2 + 3H2 → 2NH3. Quelle masse m de NH3 peut se former ?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 12 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 3,7 g de CaO. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molréel: 3,7 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

On introduit 0,25 mol/L de H₂ et 0,25 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 54. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,2 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 100 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 16 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H2CH3​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 4H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) a k = 0,25 L/(mol·min) et une concentration initiale de 0,8 mol/L. Trouvez sa première demi-vie t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
t (min)X (%)30 minX = ?

Une réaction d’ordre 1 a k = 0,01 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 90 kJ/mol. Le réacteur fermé fonctionne maintenant à 40 °C pendant 30 min. Trouvez le taux de conversion X atteint.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 90 kJ/molT2 = 40 °Ct = 30 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 50 L/minX = 50%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,05 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez le volume du réacteur V en litres pour une conversion de A de 50 %.

Q = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 1000 LQ = 25 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 1000 L alimenté à 25 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT135 °C115 °C100 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 310 kW. Le fluide chaud se refroidit de 135 à 115 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 100 °C. Le coefficient global d’échange vaut 300 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 310 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 135 → 115 °CTc: 30 → 100 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT130 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 130 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 5 m² et U = 2000 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 25 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 130 °CA = 5 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,450 mmVerre, k = 0,96100 mm24 °C-9 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 50 mm de béton et de 100 mm de verre, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -9 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 24 °CT3 = -9 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Verre, k = 0,9650 mmPlaque de plâtre, k = 0,17100 mmpièce 22 °Cextérieur -3 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 50 mm de verre et 100 mm de plaque de plâtre sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -3 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 6 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -3 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,2 m/sD = 50 mmL = 150 mf = 0,022

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,2 m/s dans une conduite horizontale de 150 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 2,2 m/sL = 150 mD = 50 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 200 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 10) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 100 L/s ?

Q = 100 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 40 L/sH = 64 m

Lors d’un essai, une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 64 m tandis que son arbre absorbe 31,4 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 40 L/sH = 64 mPshaft = 31,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Une pompe refoule 50 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 9 m plus haut. La conduite mesure 600 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 6 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 600 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 300 kg/h

Bilan matière en régime permanent : entrée = sortie pour le total et pour chaque composant. Les problèmes de mélange combinent les deux.

Bilans

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(50 − 35)/(35 − 10) = 300 kg/h

Réponse

ṁ2 = 300 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 753,8 kg/h

Composant traceur : un composant qui traverse sans changement un seul flux (ici le soluté) relie directement les débits. Le bilan global donne ensuite le reste.

Bilan sur le soluté

F·xF = P·xP → P = 1000·16/65 = 246,2 kg/h

Bilan global

W = F − P = 1000 − 246,2 = 753,8 kg/h

Réponse

W = 753,8 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 30,1 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 2·2,1·(130 − 70) = 252 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 252/(3·4,18) = 30,1 °C

Réponse

tout = 30,1 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,512 kg/s

Bilan d’énergie avec pertes : chaleur cédée = chaleur absorbée + chaleur perdue.

Chaleur cédée

Qh = 3·2,44·(140 − 90) = 366 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·55) = 1,512 kg/s

Réponse

ṁc = 1,512 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 631,1 L

Loi des gaz parfaits : PV = nRT, avec n = m/M.

Moles

n = 480/4,003 = 119,9 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 119,9·8,314·348,1/550 = 631,1 L

Réponse

V = 631,1 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 2,728 L

Loi combinée des gaz : pour une quantité fixe de gaz parfait, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Températures absolues

T1 = 293,1 K, T2 = 373,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/350)·(373,1/293,1) = 2,728 L

Réponse

V2 = 2,728 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 24,31 g

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Moles de chaque réactif

n(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
n(H2) = 32/2,016 = 15,87 mol

Réactif limitant

0,7138/1 = 0,7138, 15,87/3 = 5,291 → N2

Masse de produit

n(NH3) = 0,7138·2 = 1,428 mol
m = 1,428·17,03 = 24,31 g

Réponse

m = 24,31 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 55,03 %

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Rendement théorique

n(CaCO3) = 12/100,09 = 0,1199 mol
m = 0,1199·1/1·56,08 = 6,724 g

Rendement

Y = 3,7/6,724·100 = 55,03%

Réponse

Y = 55,03%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,05348 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), avec les concentrations à l’équilibre. Un tableau ICE (Initial, Changement, Équilibre) relie les quantités initiales aux quantités à l’équilibre par une seule inconnue x, multipliée par les coefficients.

Expression à l’équilibre

54 = (2x)²/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,25 − x = 0,05348 mol/L

Réponse

[H2] = 0,05348 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,04689 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), avec les concentrations à l’équilibre. Un tableau ICE (Initial, Changement, Équilibre) relie les quantités initiales aux quantités à l’équilibre par une seule inconnue x, multipliée par les coefficients.

Expression à l’équilibre

0,5 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,5·x − 0,1 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,1))/2 = 0,1531 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,2 − 0,1531 = 0,04689 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,04689 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 25,37 °C

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Bilan thermique

100·0,897·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 16)

Isoler la température finale

Tf = (89,7·200 + 1672·16)/(89,7 + 1672) = 25,37 °C

Réponse

Tf = 25,37 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1453 kJ

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Enthalpie de réaction

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Réponse

ΔH° = −1453 kJ

Négatif : la réaction dégage de la chaleur (exothermique).

13.Cinétique chimique

Réponse: t½ = 5 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Demi-vie d’ordre 2

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,25·0,8) = 5 min

Réponse

t½ = 5 min

Chaque demi-vie suivante est deux fois plus longue, car C₀ a été divisée par deux.

14.Cinétique chimique

Réponse: X = 95,81 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Constante de vitesse à la nouvelle température

T1 = 293,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,01·e−(90000/8,314)·(1/313,1 − 1/293,1) = 0,1057 min⁻¹

Conversion

X = 1 − e−0,1057·30 = 1 − 0,04191 = 95,81 %

Réponse

X = 95,81 %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 693,1 L

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−rA = k·CA) en régime permanent, avec le temps de passage τ = V/Q. Un RPAC est parfaitement agité : tout le volume réagit donc à la faible concentration de sortie : τ = X/(k·(1 − X)) et CA = CA0/(1 + k·τ). Dans un réacteur piston (RP), chaque tranche de fluide réagit comme un petit réacteur fermé : τ = ln(1/(1 − X))/k et CA = CA0·e−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

Temps de passage

τ = ln(1/(1 − 0,5))/0,05 = 0,6931/0,05 = 13,86 min

Volume

V = Q·τ = 50·13,86 = 693,1 L

Réponse

V = 693,1 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 82,76 %

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−rA = k·CA) en régime permanent, avec le temps de passage τ = V/Q. Un RPAC est parfaitement agité : tout le volume réagit donc à la faible concentration de sortie : τ = X/(k·(1 − X)) et CA = CA0/(1 + k·τ). Dans un réacteur piston (RP), chaque tranche de fluide réagit comme un petit réacteur fermé : τ = ln(1/(1 − X))/k et CA = CA0·e−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

Temps de passage

τ = V/Q = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,12·40 = 4,8

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 4,8/(1 + 4,8) = 82,76%

Réponse

X = 82,76%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 18,34 m²

Méthode DTLM : l’écart de température entre les fluides varie le long de l’échangeur, donc l’équation utilise sa moyenne logarithmique : Q̇ = U·A·ΔTlm, avec ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔTlm plus grand que le co-courant pour les mêmes températures d’entrée et de sortie.

Écarts de température aux extrémités

À contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 100 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 30 = 85 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 85)/ln(35/85) = 56,35 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 310000/(300·56,35) = 18,34 m²

Réponse

A = 18,34 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 98,25 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Avec ΔT₁ = Ts − Tc,in et ΔT₂ = Ts − Tc,out, la différence ΔT₁ − ΔT₂ est égale à l’élévation de température de l’eau, donc celle-ci se simplifie.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·5/(2·4180) = 1,196

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,196 = 105·0,3023 = 31,75 K
Tc,out = 130 − 31,75 = 98,25 °C

Réponse

Tc,out = 98,25 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 612,4 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 15,57 °C

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·15) = 0,002381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·15) = 0,006944 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0,009325 = 3539 W

Température à l’interface

La température baisse de Q̇·R₁ dans la première couche.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 3539·0,002381 = 15,57 °C

Réponse

Ti = 15,57 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 17,96 °C

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,1339 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-3))/0,1339 = 186,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 186,7·0,02165 = 17,96 °C

Réponse

Ts = 17,96 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 159,7 kPa

Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.

Perte de charge

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(150/0,05)·2,2²/(2·9,81) = 16,28 m

Chute de pression

La conduite est horizontale et la vitesse ne change pas ; l’équation de l’énergie se réduit donc à Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·16,28 = 159720 Pa = 159,7 kPa

Réponse

Δp = 159,7 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 14,3 m

Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.

Vitesse

V = Q/A = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·150/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perte de charge totale

hf = 15·0,5164 = 7,746 m
hm = 12,7·0,5164 = 6,559 m
Δz = hf + hm = 14,3 m

Réponse

Δz = 14,3 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 79,98 %

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.

Puissance hydraulique

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·64 = 25,11 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 25,11/31,4 = 79,98%

Réponse

η = 79,98%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 40,83 m

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.

Vitesse

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (72 + 6)·0,408 = 31,83 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; les termes de pression et de vitesse disparaissent donc.

H = Δz + hL = 9 + 31,83 = 40,83 m

Réponse

H = 40,83 m

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