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 1200 kg/h · 45% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 10% sucreProduit25% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 25 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3000 kg/h · 9% NaOHProduit PP = ? · 30%Vapeur W (eau pure)0% NaOH

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

F = 3000 kg/hxF = 9 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 140 °C80 °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: 140 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 150 °C90 °Ceau · 25 °C65 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
70 g de CH₄P = 150 kPaT = 95 °CV = ?

Quel volume V occupent 70 g de CH₄ à 150 kPa et 95 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 70 gM = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de O₂ passe de 400 kPa, 2 L, 40 °C à 400 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 40 °CP2 = 400 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

4 g de Mg et 40 g de O2 réagissent selon 2Mg + O2 → 2MgO. Quelle masse m de MgO peut se former ?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Dans la réaction Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 24 g de Fe2O3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 10,91 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 10,91 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

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

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,2 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Plombm = 100 gT = 160 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en plomb de 100 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 160 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 17 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 250 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H2C2​H6​ + 7O₂réactifs4CO₂ + 6H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)20 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,25 L/(mol·min) et part de 1,5 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 20 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk25 °C0,00255 °C0,0318

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,002 min⁻¹ à 25 °C et 0,0318 min⁻¹ à 55 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,0318 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 10 L/minX = 90%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,2 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 10 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 90 %.

Q = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,5 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 L alimenté à 5 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT120 °C20 °C95 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 120 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (4 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 20 à 95 °C. Le coefficient global d’échange vaut 3500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 120 °Cṁ = 4 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 20 → 95 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT135 °C75 °C18,97 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 135 à 75 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 2 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 10 °C. Avec U = 500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 75 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,17150 mmPolystyrène expansé, k = 0,03550 mm15 °C5 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 150 mm de plaque de plâtre et de 50 mm de polystyrène expansé, avec une surface de 10 m². Les faces extérieures sont à 15 °C et 5 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 15 °CT3 = 5 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Verre, k = 0,96250 mmBrique, k = 0,7250 mmpièce 21 °Cextérieur 4 °CQ̇ = ?

Un mur de 250 mm de verre et 50 mm de brique 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 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 4 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 4 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,6 m/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,028

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 1,6 m/s dans une conduite de 1000 m de long et de diamètre intérieur 200 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,028 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 1,6 m/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 0,2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0184× 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 = 0,018. 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 = 0,2) 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 100 L/s ?

Q = 100 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 60 L/sH = 40 m

Une pompe de rendement 80 % débite 60 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 40 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 60 L/sH = 40 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 75 L/sΔz = 8 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 4

Une pompe refoule 75 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 300 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; 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 82 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 75 L/sΔz = 8 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 4η = 82%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 266,7 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
sucre: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(45 − 25)/(25 − 10) = 266,7 kg/h

Réponse

ṁ2 = 266,7 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 900 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 = 3000·9/30 = 900 kg/h

Réponse

P = 900 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 87,51 °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·(140 − 80) = 324 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 324/(1·4,18) = 87,51 °C

Réponse

tout = 87,51 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,907 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·3,6·(150 − 90) = 540 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·540 = 486 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 486/(4,18·40) = 2,907 kg/s

Réponse

ṁc = 2,907 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 89,05 L

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

Moles

n = 70/16,04 = 4,364 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,364·8,314·368,1/150 = 89,05 L

Réponse

V = 89,05 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 3,086 L

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

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 483,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/400)·(483,1/313,1) = 3,086 L

Réponse

V2 = 3,086 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 6,631 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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

0,1645/2 = 0,08227, 1,25/1 = 1,25 → Mg

Masse de produit

n(MgO) = 0,08227·2 = 0,1645 mol
m = 0,1645·40,3 = 6,631 g

Réponse

m = 6,631 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 54,98 %

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(Fe2O3) = 24/159,69 = 0,1503 mol
m = 0,1503·3/1·44,01 = 19,84 g

Rendement

Y = 10,91/19,84·100 = 54,98%

Réponse

Y = 54,98%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,05714 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

25 = (2x)²/(0,2 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·5/(2 + 5) = 0,1429 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,2 − x = 0,05714 mol/L

Réponse

[H2] = 0,05714 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,02679 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

0,2 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,2·x − 0,02 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,02))/2 = 0,07321 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,1 − 0,07321 = 0,02679 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,02679 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 18,74 °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

100·0,129·(160 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 17)

Isoler la température finale

Tf = (12,9·160 + 1045·17)/(12,9 + 1045) = 18,74 °C

Réponse

Tf = 18,74 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Réponse

ΔH° = −3119 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,1765 mol/L

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).

Loi intégrée d’ordre 2

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,25·20 = 5,667 L/mol
CA = 1/5,667 = 0,1765 mol/L

Réponse

CA = 0,1765 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 75,01 kJ/mol

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 = 298,1 K, T2 = 328,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,766/(-3,066e-4) = 75006 J/mol
Ea = 75,01 kJ/mol

Réponse

Ea = 75,01 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 115,1 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 − 0,9))/0,2 = 2,303/0,2 = 11,51 min

Volume

V = Q·τ = 10·11,51 = 115,1 L

Réponse

V = 115,1 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 98,77 %

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 = 800/5 = 160 min, kτ = 0,5·160 = 80

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 80/(1 + 80) = 98,77%

Réponse

X = 98,77%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,623 m²

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.

Puissance thermique côté eau

Q̇ = 4·4,18·(95 − 20) = 1254 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 120 − 20 = 100 K
ΔT₂ = 120 − 95 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 25)/ln(100/25) = 54,1 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,254 × 10⁶/(3500·54,1) = 6,623 m²

Réponse

A = 6,623 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,703 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) = 0,5·2,5·60 = 75 kW
Tc,out = 10 + 75/(2·4,18) = 18,97 °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 = 135 − 18,97 = 116 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 10 = 65 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (116 − 65)/ln(116/65) = 88,06 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 75000/(500·88,06) = 1,703 m²

Réponse

A = 1,703 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 43,27 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) = (150/1000)/(0,17·10) = 0,08824 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·10) = 0,1429 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,2311 = 43,27 W

Réponse

Q̇ = 43,27 W
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 136,1 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 en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,96·4) = 0,0651 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,1249 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (4))/0,1249 = 136,1 W

Réponse

Q̇ = 136,1 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 18,27 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.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(1000/0,2)·1,6²/(2·9,81) = 18,27 m

Réponse

hf = 18,27 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 8,469 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 = 0,018·150/0,2 = 13,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Perte de charge totale

hf = 13,5·0,5164 = 6,972 m
hm = 2,9·0,5164 = 1,498 m
Δz = hf + hm = 8,469 m

Réponse

Δz = 8,469 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 29,43 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 = 1000·9,81·0,06·40 = 23,54 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 23,54/0,8 = 29,43 kW

Réponse

Pshaft = 29,43 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 15,26 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (27 + 4)·0,2905 = 9,005 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 8 + 9,005 = 17,01 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·17,01/0,82 = 15,26 kW

Réponse

Pshaft = 15,26 kW

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