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 1650 kg/h · 40% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProduit30% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 30 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F600 kg/h · 5% sucreProduit P30% sucreVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 600 kg/hxF = 5 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 130 °C80 °Ceau · 25 °Ct = ? °C

Du éthanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 150 °C90 °Ceau · 10 °C80 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du mélange glycolé 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
290 g de CO₂P = 650 kPaT = 35 °CV = ?

Quel volume V occupent 290 g de CO₂ à 650 kPa et 35 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 290 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 700 kPaT = 100 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de He à 700 kPa et 100 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 700 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

30 g de C3H8 et 40 g de O2 réagissent selon C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quelle masse m de H2O peut se former ?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Dans la réaction N2 + 3H2 → 2NH3, 8 g de N2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 7,97 g de NH3. Calcule le rendement Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molréel: 7,97 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

On introduit 1 mol/L de H₂ et 1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 25. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,2 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,8 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 150 gT = 160 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 300 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 160 °C est plongé dans 300 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 25 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 300 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂réactifsCO₂ + 2H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 250 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) : CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)C (mol/L)5 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,2 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 5 min.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
t (min)X (%)15 minX = ?

Une réaction d’ordre 1 a k = 0,005 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 50 kJ/mol. Le réacteur fermé fonctionne maintenant à 45 °C pendant 15 min. Trouvez le taux de conversion X atteint.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 50 kJ/molT2 = 45 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 40 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 1000 L, k = 0,15 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,15 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 1000 L. L’alimentation entre à 40 L/min avec CA0 = 1,5 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie CA.

V = 1000 LQ = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 100 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 100 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT120 °C55 °C65 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur de chaleur à contre-courant transfère 200 kW. Sa surface d’échange est de 5 m². Le fluide chaud se refroidit de 120 à 55 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 65 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 200 kWA = 5 m²Th: 120 → 55 °CTc: 15 → 65 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT115 °C35 °C30,1 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 115 à 35 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 10 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 115 → 35 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035150 mmPlaque de plâtre, k = 0,1750 mm19 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 150 mm de polystyrène expansé et de 50 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 19 °C et 2 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Bois, k = 0,17150 mmLaine minérale, k = 0,0425 mmpièce 21 °Cextérieur -8 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 150 mm de bois et 25 mm de laine minérale sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -8 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 8 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -8 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 50 mf = 0,022

De l’eau s’écoule avec un débit de 6 L/s dans une conduite de 50 m de long et de diamètre intérieur 75 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 6 L/sL = 50 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0152× 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 = 0,015. 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 = 10) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 120 L/s ?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 40 L/sH = 26 m

Lors d’un essai, une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 26 m tandis que son arbre absorbe 13,6 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 40 L/sH = 26 mPshaft = 13,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
100 kPa (relative)PQ = 40 L/sΔz = 8 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 8

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 400 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 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 100 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 40 L/sΔz = 8 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 433,3 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) = 650·(40 − 30)/(30 − 15) = 433,3 kg/h

Réponse

ṁ2 = 433,3 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 500 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 = 600·5/30 = 100 kg/h

Bilan global

W = F − P = 600 − 100 = 500 kg/h

Réponse

W = 500 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 39,59 °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 = 0,5·2,44·(130 − 80) = 61 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 61/(1·4,18) = 39,59 °C

Réponse

tout = 39,59 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,104 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·3,6·(150 − 90) = 648 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·648 = 615,6 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 615,6/(4,18·70) = 2,104 kg/s

Réponse

ṁc = 2,104 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 25,97 L

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

Moles

n = 290/44,01 = 6,589 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,589·8,314·308,1/650 = 25,97 L

Réponse

V = 25,97 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 0,9032 kg/m³

Masse volumique d’un gaz parfait : ρ = PM/(RT).

Réarranger la loi des gaz

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Masse volumique

ρ = 700·4,003/(8,314·373,1) = 0,9032 kg/m³

Réponse

ρ = 0,9032 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 18,02 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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

0,6803/1 = 0,6803, 1,25/5 = 0,25 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 0,25·4 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Réponse

m = 18,02 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 81,96 %

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(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
m = 0,2855·2/1·17,03 = 9,724 g

Rendement

Y = 7,97/9,724·100 = 81,96%

Réponse

Y = 81,96%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 1,429 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/(1 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(1 − x) → x = 1·5/(2 + 5) = 0,7143 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 1,429 mol/L

Réponse

[HI] = 1,429 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,4877 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/(0,8 − x) → x² + 0,2·x − 0,16 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,16))/2 = 0,3123 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,8 − 0,3123 = 0,4877 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,4877 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 38,08 °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

150·0,897·(160 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 25)

Isoler la température finale

Tf = (134,6·160 + 1254·25)/(134,6 + 1254) = 38,08 °C

Réponse

Tf = 38,08 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 13876 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Réponse

q = 13876 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,5 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 + 0,2·5 = 2 L/mol
CA = 1/2 = 0,5 mol/L

Réponse

CA = 0,5 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: X = 31,34 %

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

Constante de vitesse à la nouvelle température

T1 = 293,1 K, T2 = 318,1 K
k2 = 0,005·e−(50000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 0,02507 min⁻¹

Conversion

X = 1 − e−0,02507·15 = 1 − 0,6866 = 31,34 %

Réponse

X = 31,34 %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: CA = 0,03528 mol/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 = V/Q = 1000/40 = 25 min

Concentration de sortie

CA = 1,5·e−0,15·25 = 0,03528 mol/L

Réponse

CA = 0,03528 mol/L

Conversion : X = 97,65%.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 80 %

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 = 800/100 = 8 min, kτ = 0,5·8 = 4

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Réponse

X = 80%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 849,2 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 contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 120 − 65 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 40)/ln(55/40) = 47,1 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 200000/(5·47,1) = 849,2 W/(m²·K)

Réponse

U = 849,2 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,429 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) = 1,5·2,1·80 = 252 kW
Tc,out = 10 + 252/(3·4,18) = 30,1 °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 = 115 − 30,1 = 84,9 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 35 − 10 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (84,9 − 25)/ln(84,9/25) = 49 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 252000/(800·49) = 6,429 m²

Réponse

A = 6,429 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 3,092 °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) = (150/1000)/(0,035·8) = 0,5357 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,5725 = 29,7 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 29,7·0,5357 = 3,092 °C

Réponse

Ti = 3,092 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 19,25 °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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·8) = 0,1103 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·8) = 0,07813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,2072 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-8))/0,2072 = 140 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 140·0,0125 = 19,25 °C

Réponse

Ts = 19,25 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 1,379 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 moyenne

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,006/0,004418 = 1,358 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,358²/(2·9,81) = 0,09401 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(50/0,075)·1,358²/(2·9,81) = 1,379 m

Réponse

hf = 1,379 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 3,246 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·200/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Perte de charge totale

hf = 10·0,1469 = 1,469 m
hm = 12,1·0,1469 = 1,777 m
Δz = hf + hm = 3,246 m

Réponse

Δz = 3,246 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 75,02 %

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

Puissance hydraulique

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·26 = 10,2 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 10,2/13,6 = 75,02%

Réponse

η = 75,02%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 32,82 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) = (48 + 8)·0,2611 = 14,62 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 + 10,19 + 14,62 = 32,82 m

Réponse

H = 32,82 m

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