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 1950 kg/h · 10% selFlux 2ṁ₂ = ? · 35% selProduit20% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 20 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3800 kg/h · 13% 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 = 3800 kg/hxF = 13 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 150 °C120 °Ceau · 20 °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 = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 160 °C110 °Ceau · 30 °C85 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du huile légère 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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Ct: 30 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
320 g de ArV = 30 LT = 25 °CP = ?

Un réservoir de 30 L contient 320 g de Ar à 25 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 320 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de O₂ passe de 350 kPa, 2 L, 25 °C à 650 kPa et 130 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 650 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

8 g de CH4 et 64 g de O2 réagissent selon CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quelle masse m de CO2 peut se former ?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 30 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 10,29 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 10,29 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

On introduit 0,5 mol/L de H₂ et 0,5 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 4. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,05 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 100 gT = 200 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 15 °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 15 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC6​H12​O6​ + 6O₂réactifs6CO₂ + 6H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)15 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,4 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 15 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,00235 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,002 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 80 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 35 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 35 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 25 L/minX = 75%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 25 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 75 %.

Q = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
Q = 10 L/minX = ?V = 100 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 100 L alimenté à 10 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 100 LQ = 10 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT165 °C100 °C65 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 50 kW. Le fluide chaud se refroidit de 165 à 100 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 65 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 50 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 165 → 100 °CTc: 30 → 65 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT170 °C125 °C37,54 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 170 à 125 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 125 °Cṁc = 3 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 mmLaine minérale, k = 0,04150 mm24 °C-8 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 100 mm de béton et de 150 mm de laine minérale, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -8 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 24 °CT3 = -8 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,04250 mmVerre, k = 0,96100 mmpièce 22 °Cextérieur 2 °CQ̇ = ?

Un mur de 250 mm de laine minérale et 100 mm de verre sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à 2 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 2 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 0,8 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,025

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 0,8 m/s dans une conduite horizontale de 200 m de long et de diamètre intérieur 250 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 0,8 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 0,2Δz = 6 mL = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0222× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,022. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 6 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 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. Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 6 mL = 200 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 25 L/sH = 50 m

Une pompe débite 25 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 50 m. Le rendement de la pompe est de 70 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 90 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 25 L/sH = 50 mηpump = 70%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
300 kPa (relative)PQ = 75 L/sΔz = 9 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 8

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 9 m plus haut. La conduite mesure 150 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 = 8 (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 300 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 75 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 8ptank = 300 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 633,3 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
sel: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(10 − 20)/(20 − 35) = 633,3 kg/h

Réponse

ṁ2 = 633,3 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 823,3 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 = 3800·13/60 = 823,3 kg/h

Réponse

P = 823,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 24,31 °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 = 0,5·3,6·(150 − 120) = 54 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 54/(3·4,18) = 24,31 °C

Réponse

tout = 24,31 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,9705 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·2,1·(160 − 110) = 262,5 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·262,5 = 223,1 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 223,1/(4,18·55) = 0,9705 kg/s

Réponse

ṁc = 0,9705 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 661,8 kPa

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

Moles

n = m/M = 320/39,95 = 8,01 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Pression

P = nRT/V = 8,01·8,314·298,1/0,03 = 661,8 kPa

Réponse

P = 661,8 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 1,456 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·(350/650)·(403,1/298,1) = 1,456 L

Réponse

V2 = 1,456 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 21,95 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) = 8/16,04 = 0,4988 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Réactif limitant

0,4988/1 = 0,4988, 2/2 = 1 → CH4

Masse de produit

n(CO2) = 0,4988·1 = 0,4988 mol
m = 0,4988·44,01 = 21,95 g

Réponse

m = 21,95 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 78,01 %

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(CaCO3) = 30/100,09 = 0,2997 mol
m = 0,2997·1/1·44,01 = 13,19 g

Rendement

Y = 10,29/13,19·100 = 78,01%

Réponse

Y = 78,01%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,25 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

4 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

2 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·2/(2 + 2) = 0,25 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,5 − x = 0,25 mol/L

Réponse

[H2] = 0,25 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,8 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

0,05 = x²/(1 − x) → x² + 0,05·x − 0,05 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,05))/2 = 0,2 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 1 − 0,2 = 0,8 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,8 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 24,42 °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 − 15)

Isoler la température finale

Tf = (89,7·200 + 1672·15)/(89,7 + 1672) = 24,42 °C

Réponse

Tf = 24,42 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −2802 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Réponse

ΔH° = −2802 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,1429 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 = 1 + 0,4·15 = 7 L/mol
CA = 1/7 = 0,1429 mol/L

Réponse

CA = 0,1429 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,009884 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 = 293,1 K, T2 = 308,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(80000/8,314)·(1/308,1 − 1/293,1) = 1,598
k2 = 0,002·e1,598 = 0,009884 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,009884 min⁻¹
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 − 0,75))/0,05 = 1,386/0,05 = 27,73 min

Volume

V = Q·τ = 25·27,73 = 693,1 L

Réponse

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

Réponse: X = 91,79 %

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 = 100/10 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Réponse

X = 91,79%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,5945 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 = 165 − 65 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 100 − 30 = 70 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 70)/ln(100/70) = 84,11 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 50000/(1000·84,11) = 0,5945 m²

Réponse

A = 0,5945 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,048 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) = 1·2,1·45 = 94,5 kW
Tc,out = 30 + 94,5/(3·4,18) = 37,54 °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 = 170 − 37,54 = 132,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 125 − 30 = 95 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (132,5 − 95)/ln(132,5/95) = 112,7 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 94500/(800·112,7) = 1,048 m²

Réponse

A = 1,048 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 23,4 °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) = (100/1000)/(1,4·6) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·6) = 0,625 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 32/0,6369 = 50,24 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 50,24·0,0119 = 23,4 °C

Réponse

Ti = 23,4 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 36,76 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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·12) = 0,5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,5441 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (2))/0,5441 = 36,76 W

Réponse

Q̇ = 36,76 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 6,4 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) = 0,025·(200/0,25)·0,8²/(2·9,81) = 0,6524 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 = 1000·9,81·0,6524 = 6400 Pa = 6,4 kPa

Réponse

Δp = 6,4 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 186,2 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 = 0,022·200/0,3 = 14,67
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Équation de l’énergie

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

6 = (14,67 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/16,97) = 2,634 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 2,634·0,07069 = 0,1862 m³/s = 186,2 L/s

Réponse

Q = 186,2 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 19,46 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 = 1000·9,81·0,025·50 = 12,26 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 12,26/0,7 = 17,52 kW

Puissance électrique

Pel = 17,52/0,9 = 19,46 kW

Réponse

Pel = 19,46 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 47,35 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18,75 + 8)·0,2905 = 7,77 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 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 = 9 + 30,58 + 7,77 = 47,35 m

Réponse

H = 47,35 m

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