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 11000 kg/h · 10% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 30% NaOHProduit15% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 15 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2500 kg/h · 20% selProduit PP = ? · 60%Vapeur W (eau pure)0% sel

Un évaporateur concentre une solution de sel en évaporant de l’eau pure. Trouvez le débit de produit P en kg/h.

F = 2500 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C120 °Ceau · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 160 °C100 °Ceau · 15 °C40 °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: 160 → 100 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
440 g de ArP = 500 kPaT = 50 °CV = ?

Quel volume V occupent 440 g de Ar à 500 kPa et 50 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 440 gM = 39,95 g/molP = 500 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CH₄ passe de 350 kPa, 2 L, 25 °C à 350 kPa et 130 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 350 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 et 40 g de O2 réagissent selon 2H2 + O2 → 2H2O. Quelle masse m de H2O peut se former ?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Dans la réaction CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 24 g de CH4 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 37,75 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 37,75 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 = 9. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,1 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,25 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 100 gT = 150 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 150 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 25 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 400 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H100 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂réactifs8CO₂ + 10H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 100 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) : 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)X (%)t = ?60%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,08 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 60 % ? Trouvez t.

k = 0,08 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °C0,0250 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,02 min⁻¹ à 40 °C et une énergie d’activation de 70 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 50 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 50 °CEa = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 95%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 95 % de conversion. Combien de fois un RPAC doit-il être plus grand qu’un RP pour le même débit d’alimentation, la même constante de vitesse et la même conversion ? Trouvez le rapport VCSTR/VPFR.

X = 95%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
Q = 40 L/minX = ?V = 50 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,3 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 50 L alimenté à 40 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 50 LQ = 40 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT90 °C70 °C20 °C60 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 250 kW. Le fluide chaud se refroidit de 90 à 70 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 60 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 250 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 90 → 70 °CTc: 20 → 60 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT175 °C125 °C100,4 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 175 à 125 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 0,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 25 °C. Avec U = 200 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 175 → 125 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Brique, k = 0,72200 mmBois, k = 0,1775 mm21 °C-4 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 200 mm de brique et de 75 mm de bois, avec une surface de 10 m². Les faces extérieures sont à 21 °C et -4 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 21 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17150 mmBois, k = 0,17100 mmpièce 22 °Cextérieur -6 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 150 mm de plaque de plâtre et 100 mm de bois sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -6 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,1 m/sD = 250 mmL = 1000 mf = 0,022

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,1 m/s dans une conduite horizontale de 1000 m de long et de diamètre intérieur 250 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 = 2,1 m/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 100 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 = 2) 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 40 L/s ?

Q = 40 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 150 L/sH = 58 m

Une pompe de rendement 65 % débite 150 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 58 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 150 L/sH = 58 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
200 kPa (relative)PQ = 40 L/sΔz = 8 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Une pompe refoule 40 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 8 m plus haut. La conduite mesure 200 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 6 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 200 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 40 L/sΔz = 8 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 6ptank = 200 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 333,3 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) = 1000·(10 − 15)/(15 − 30) = 333,3 kg/h

Réponse

ṁ2 = 333,3 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 833,3 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 = 2500·20/60 = 833,3 kg/h

Réponse

P = 833,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 48,76 °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 = 1,5·3,6·(180 − 120) = 324 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 324/(2·4,18) = 48,76 °C

Réponse

tout = 48,76 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 3,993 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·2,44·(160 − 100) = 439,2 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·439,2 = 417,2 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 417,2/(4,18·25) = 3,993 kg/s

Réponse

ṁc = 3,993 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 59,18 L

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

Moles

n = 440/39,95 = 11,01 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volume

V = nRT/P = 11,01·8,314·323,1/500 = 59,18 L

Réponse

V = 59,18 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 2,704 L

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

Températures absolues

T1 = 298,1 K, T2 = 403,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/350)·(403,1/298,1) = 2,704 L

Réponse

V2 = 2,704 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 45,05 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(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

5,952/2 = 2,976, 1,25/1 = 1,25 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 1,25·2 = 2,5 mol
m = 2,5·18,02 = 45,05 g

Réponse

m = 45,05 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 70 %

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(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
m = 1,496·2/1·18,02 = 53,93 g

Rendement

Y = 37,75/53,93·100 = 70%

Réponse

Y = 70%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,1 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

9 = (2x)²/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

3 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·3/(2 + 3) = 0,15 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,25 − x = 0,1 mol/L

Réponse

[H2] = 0,1 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,1342 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

0,1 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,25 − 0,1158 = 0,1342 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,1342 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 27,83 °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

100·0,388·(150 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 25)

Isoler la température finale

Tf = (38,8·150 + 1672·25)/(38,8 + 1672) = 27,83 °C

Réponse

Tf = 27,83 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 4951 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 100/58,12 = 1,721 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,721·2877 = 4951 kJ

Réponse

q = 4951 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 11,45 min

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Conversion et concentration

C/C0 = 1 − X = 0,4

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,08 = 11,45 min

Réponse

t = 11,45 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,04596 min⁻¹

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 323,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(70000/8,314)·(1/323,1 − 1/313,1) = 0,832
k2 = 0,02·e0,832 = 0,04596 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,04596 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 6,342

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.

k·τ pour chaque réacteur

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Réponse

VCSTR/VPFR = 6,342

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 31,27 %

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 = 50/40 = 1,25 min, kτ = 0,3·1,25 = 0,375

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,375 = 31,27%

Réponse

X = 31,27%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 8,108 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 co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 90 − 20 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 60 = 10 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 10)/ln(70/10) = 30,83 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(1000·30,83) = 8,108 m²

Réponse

A = 8,108 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 9,083 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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,1·50 = 157,5 kW
Tc,out = 25 + 157,5/(0,5·4,18) = 100,4 °C

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 = 175 − 100,4 = 74,64 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 125 − 25 = 100 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (74,64 − 100)/ln(74,64/100) = 86,7 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 157500/(200·86,7) = 9,083 m²

Réponse

A = 9,083 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 347,7 W

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) = (200/1000)/(0,72·10) = 0,02778 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·10) = 0,04412 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,0719 = 347,7 W

Réponse

Q̇ = 347,7 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 19,21 °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/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0,002778 K/W
ΣR = 0,1392 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-6))/0,1392 = 201,1 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 201,1·0,01389 = 19,21 °C

Réponse

Ts = 19,21 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 194 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·(1000/0,25)·2,1²/(2·9,81) = 19,78 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 = 1000·9,81·19,78 = 194040 Pa = 194 kPa

Réponse

Δp = 194 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 1,215 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perte de charge totale

hf = 10·0,08263 = 0,8263 m
hm = 4,7·0,08263 = 0,3883 m
Δz = hf + hm = 1,215 m

Réponse

Δz = 1,215 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 131,3 kW

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 = 1000·9,81·0,15·58 = 85,35 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 85,35/0,65 = 131,3 kW

Réponse

Pshaft = 131,3 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 37,61 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (29,33 + 6)·0,2611 = 9,227 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont pratiquement au repos ; il n’y a donc pas de terme de hauteur cinétique.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 8 + 20,39 + 9,227 = 37,61 m

Réponse

H = 37,61 m

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