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 1700 kg/h · 50% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProduit45% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 45 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1100 kg/h · 20% sucreProduit PP = ? · 60%Vapeur W (eau pure)0% sucre

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

F = 1100 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 140 °C80 °Ceau · 15 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 140 °C60 °Ceau · 25 °C65 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 15 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
300 g de O₂P = 800 kPaT = 100 °CV = ?

Quel volume V occupent 300 g de O₂ à 800 kPa et 100 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 300 gM = 32 g/molP = 800 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de O₂ passe de 100 kPa, 20 L, 35 °C à 600 kPa et 120 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 600 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g de CH4 et 48 g de O2 réagissent selon CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quelle masse m de H2O peut se former ?

M(CH4) = 16,04M(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, 4 g de CH4 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 7,91 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 7,91 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

On introduit 0,4 mol/L de H₂ et 0,4 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,4 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 200 gT = 150 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 200 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 150 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 200 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H10 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 3H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 10 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) : C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?90%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 0,2 L/(mol·min) et part de 1,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 90 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °Ck1​?2·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 60 kJ/mol. À 40 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 2 fois plus rapide ?

Ea = 60 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 60%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 60 % 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 = 60%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 500 LQ = 50 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 500 L alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 500 LQ = 50 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT110 °C65 °C15 °C35 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur de chaleur à co-courant transfère 380 kW. Sa surface d’échange est de 20 m². Le fluide chaud se refroidit de 110 à 65 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 35 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 380 kWA = 20 m²Th: 110 → 65 °CTc: 15 → 35 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT155 °C75 °C44,67 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 155 à 75 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 30 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 155 → 75 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,4100 mmBois, k = 0,17150 mm20 °C4 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 100 mm de béton et de 150 mm de bois, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 20 °C et 4 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 20 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Bois, k = 0,17100 mmPlaque de plâtre, k = 0,17150 mmpièce 21 °Cextérieur -4 °CQ̇

Un mur de 100 mm de bois et 150 mm de plaque de plâtre sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -4 °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 15 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 0,9 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0,028

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 0,9 m/s dans une conduite horizontale de 400 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,028 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 0,9 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = 15 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,023× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 250 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 15 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 3 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. Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 15 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 30 L/sH = 54 m

Une pompe débite 30 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 54 m. Le rendement de la pompe est de 75 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 94 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 30 L/sH = 54 mηpump = 75%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 60 L/sΔz = 7 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 4

Une pompe refoule 60 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 7 m plus haut. La conduite mesure 100 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 4 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 75 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 60 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 4η = 75%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 100 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) = 700·(50 − 45)/(45 − 10) = 100 kg/h

Réponse

ṁ2 = 100 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 366,7 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 = 1100·20/60 = 366,7 kg/h

Réponse

P = 366,7 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 60,22 °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 = 3·2,1·(140 − 80) = 378 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 378/(2·4,18) = 60,22 °C

Réponse

tout = 60,22 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,489 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·2,44·(140 − 60) = 292,8 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·292,8 = 248,9 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 248,9/(4,18·40) = 1,489 kg/s

Réponse

ṁc = 1,489 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 36,36 L

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

Moles

n = 300/32 = 9,375 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Volume

V = nRT/P = 9,375·8,314·373,1/800 = 36,36 L

Réponse

V = 36,36 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 4,253 L

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

Températures absolues

T1 = 308,1 K, T2 = 393,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/600)·(393,1/308,1) = 4,253 L

Réponse

V2 = 4,253 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 27,03 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(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Réactif limitant

1,87/1 = 1,87, 1,5/2 = 0,75 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 0,75·2 = 1,5 mol
m = 1,5·18,02 = 27,03 g

Réponse

m = 27,03 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 88,01 %

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) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·2/1·18,02 = 8,988 g

Rendement

Y = 7,91/8,988·100 = 88,01%

Réponse

Y = 88,01%
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

36 = (2x)²/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·6/(2 + 6) = 0,3 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,4 − x = 0,1 mol/L

Réponse

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

Réponse: [PCl5] = 0,2919 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

0,04 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,4 − 0,1081 = 0,2919 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,2919 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 31,71 °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

200·0,449·(150 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 19)

Isoler la température finale

Tf = (89,8·150 + 836·19)/(89,8 + 836) = 31,71 °C

Réponse

Tf = 31,71 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 296,7 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) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 10/46,07 = 0,2171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2171·1367 = 296,7 kJ

Réponse

q = 296,7 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 30 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).

Concentration finale

CA = 1,5·(1 − 0,9) = 0,15 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (6,667 − 0,6667)/0,2 = 30 min

Réponse

t = 30 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 49,71 °C

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).

Température absolue

T1 = 313,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(2)/60000 = 3,193 × 10⁻³ − 9,605 × 10⁻⁵ = 3,097 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 322,9 K = 49,71 °C

Réponse

T2 = 49,71 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 1,637

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) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Réponse

VCSTR/VPFR = 1,637

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 54,55 %

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 = 500/50 = 10 min, kτ = 0,12·10 = 1,2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 1,2/(1 + 1,2) = 54,55%

Réponse

X = 54,55%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 336,9 W/(m²·K)

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.

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 = 110 − 15 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 35 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 30)/ln(95/30) = 56,39 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 380000/(20·56,39) = 336,9 W/(m²·K)

Réponse

U = 336,9 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,579 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) = 0,5·2,3·80 = 92 kW
Tc,out = 30 + 92/(1,5·4,18) = 44,67 °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 = 155 − 44,67 = 110,3 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110,3 − 45)/ln(110,3/45) = 72,85 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 92000/(800·72,85) = 1,579 m²

Réponse

A = 1,579 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 335,5 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) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,04769 = 335,5 W

Réponse

Q̇ = 335,5 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,6121 W/(m²·K)

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/(7,7·15) = 0,008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W
ΣR = 0,1089 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,1089) = 0,6121 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,6121 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 30,24 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) = 0,028·(400/0,15)·0,9²/(2·9,81) = 3,083 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 = 1000·9,81·3,083 = 30240 Pa = 30,24 kPa

Réponse

Δp = 30,24 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 170,5 L/s

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.

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·150/0,25 = 12
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Équation de l’énergie

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; tout Δz est donc perdu dans la conduite.

15 = (12 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·15/24,4) = 3,473 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 3,473·0,04909 = 0,1705 m³/s = 170,5 L/s

Réponse

Q = 170,5 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 22,54 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 = 1000·9,81·0,03·54 = 15,89 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 15,89/0,75 = 21,19 kW

Puissance électrique

Pel = 21,19/0,94 = 22,54 kW

Réponse

Pel = 22,54 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 7,901 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.

Vitesse

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12,5 + 4)·0,1859 = 3,068 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 7 + 3,068 = 10,07 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·10,07/0,75 = 7,901 kW

Réponse

Pshaft = 7,901 kW

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