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 1600 kg/h · 35% selFlux 2ṁ₂ = ? · 20% selProduit30% sel

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

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2900 kg/h · 12% NaOHProduit PP = ? · 35%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 = 2900 kg/hxF = 12 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 140 °C90 °Ceau · 20 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C70 °Ceau · 15 °C90 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
300 g de N₂P = 700 kPaT = 85 °CV = ?

Quel volume V occupent 300 g de N₂ à 700 kPa et 85 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 300 gM = 28,01 g/molP = 700 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 250 kPa, 5 L, 20 °C à 400 kPa et 70 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 400 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

12 g de Mg et 64 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(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

Dans la réaction C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 8 g de C3H8 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 10,72 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 10,72 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 = 25. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,08 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 1,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 200 gT = 180 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 100 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 180 °C est plongé dans 100 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 17 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 100 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H20 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 20 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 = ?95%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 0,1 L/(mol·min) et part de 1,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,150 °C1,74

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,1 min⁻¹ à 20 °C et 1,74 min⁻¹ à 50 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 1,74 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 40 L/minX = 75%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,25 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 40 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 = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 400 LQ = 5 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 400 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 = 400 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT90 °C50 °C30 °C40 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 380 kW. Le fluide chaud se refroidit de 90 à 50 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 40 °C. Le coefficient global d’échange vaut 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 380 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 90 → 50 °CTc: 30 → 40 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT150 °C??15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur de chaleur à contre-courant, les deux fluides ont le même débit de capacité thermique, ṁ·cp = 2 kW/K. Le fluide chaud entre à 150 °C et le fluide froid à 15 °C. L’échangeur a A = 1,5 m² et U = 500 W/(m²·K). Trouvez la température de sortie du fluide chaud Th,out.

Ch = Cc = 2 kW/KTh,in = 150 °CTc,in = 15 °CA = 1,5 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035200 mmPlaque de plâtre, k = 0,17150 mm17 °C-1 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 200 mm de polystyrène expansé et de 150 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 17 °C et -1 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 17 °CT3 = -1 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17150 mmBois, k = 0,1750 mmpièce 20 °Cextérieur -3 °CQ̇

Un mur de 150 mm de plaque de plâtre et 50 mm de bois sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -3 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 50 L/sD = 200 mmL = 200 mf = 0,025

De l’eau s’écoule avec un débit de 50 L/s dans une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 200 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 50 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 150 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 5) 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 20 L/s ?

Q = 20 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 30 L/sH = 38 m

Lors d’un essai, une pompe débite 30 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 38 m tandis que son arbre absorbe 14,9 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 30 L/sH = 38 mPshaft = 14,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
400 kPa (relative)PQ = 40 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 4

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 5 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 = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 4 (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 400 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 40 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 4ptank = 400 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 300 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) = 600·(35 − 30)/(30 − 20) = 300 kg/h

Réponse

ṁ2 = 300 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 994,3 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 = 2900·12/35 = 994,3 kg/h

Réponse

P = 994,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 49,19 °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 = 1,5·2,44·(140 − 90) = 183 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 183/(1,5·4,18) = 49,19 °C

Réponse

tout = 49,19 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,8541 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·2,1·(120 − 70) = 315 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·315 = 267,8 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 267,8/(4,18·75) = 0,8541 kg/s

Réponse

ṁc = 0,8541 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 45,56 L

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

Moles

n = 300/28,01 = 10,71 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,71·8,314·358,1/700 = 45,56 L

Réponse

V = 45,56 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 3,658 L

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

Températures absolues

T1 = 293,1 K, T2 = 343,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/400)·(343,1/293,1) = 3,658 L

Réponse

V2 = 3,658 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 19,89 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) = 12/24,31 = 0,4936 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Réactif limitant

0,4936/2 = 0,2468, 2/1 = 2 → Mg

Masse de produit

n(MgO) = 0,2468·2 = 0,4936 mol
m = 0,4936·40,3 = 19,89 g

Réponse

m = 19,89 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 81,98 %

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(C3H8) = 8/44,1 = 0,1814 mol
m = 0,1814·4/1·18,02 = 13,08 g

Rendement

Y = 10,72/13,08·100 = 81,98%

Réponse

Y = 81,98%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,1429 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/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,5 − x = 0,1429 mol/L

Réponse

[H2] = 0,1429 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 1,191 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

0,08 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 1,5 − 0,3087 = 1,191 mol/L

Réponse

[PCl5] = 1,191 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 65,95 °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

200·0,897·(180 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 17)

Isoler la température finale

Tf = (179,4·180 + 418·17)/(179,4 + 418) = 65,95 °C

Réponse

Tf = 65,95 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 593,3 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 = 20/46,07 = 0,4341 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,4341·1367 = 593,3 kJ

Réponse

q = 593,3 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 126,7 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 − 0,95) = 0,075 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (13,33 − 0,6667)/0,1 = 126,7 min

Réponse

t = 126,7 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 74,99 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 = 293,1 K, T2 = 323,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,856/(-3,167e-4) = 74992 J/mol
Ea = 74,99 kJ/mol

Réponse

Ea = 74,99 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 221,8 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))/0,25 = 1,386/0,25 = 5,545 min

Volume

V = Q·τ = 40·5,545 = 221,8 L

Réponse

V = 221,8 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 86,49 %

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 = 400/5 = 80 min, kτ = 0,08·80 = 6,4

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 6,4/(1 + 6,4) = 86,49%

Réponse

X = 86,49%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 27,23 m²

Méthode DTLM : l’écart de température entre les fluides varie le long de l’échangeur, donc l’équation utilise sa moyenne logarithmique : Q̇ = U·A·ΔTlm, avec ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔTlm plus grand que le co-courant pour les mêmes températures d’entrée et de sortie.

Écarts de température aux extrémités

À co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 90 − 30 = 60 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 50 − 40 = 10 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60 − 10)/ln(60/10) = 27,91 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 380000/(500·27,91) = 27,23 m²

Réponse

A = 27,23 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Th,out = 113,2 °C

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.

Écart de température constant

La sortie froide se trouve face à l’entrée chaude : Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), donc ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilan d’énergie égal à l’équation de transfert

2·(150 − Th,out) = 0,75·(Th,out − 15)
Th,out = (2·150 + 0,75·15)/(2 + 0,75) = 113,2 °C

Réponse

Th,out = 113,2 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 73,64 kW ; le fluide froid sort à 51,82 °C.

19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 1,408 °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) = (200/1000)/(0,035·8) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·8) = 0,1103 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,8246 = 21,83 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 21,83·0,7143 = 1,408 °C

Réponse

Ti = 1,408 °C
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,7373 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/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,113 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,113) = 0,7373 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,7373 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 3,228 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,592²/(2·9,81) = 0,1291 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,2)·1,592²/(2·9,81) = 3,228 m

Réponse

hf = 3,228 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 1,808 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 = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·150/0,15 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Perte de charge totale

hf = 20·0,06529 = 1,306 m
hm = 7,7·0,06529 = 0,5027 m
Δz = hf + hm = 1,808 m

Réponse

Δz = 1,808 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 75,06 %

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 = 1000·9,81·0,03·38 = 11,18 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 11,18/14,9 = 75,06%

Réponse

η = 75,06%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 46,72 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7,5 + 4)·0,08263 = 0,9502 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 5 + 40,77 + 0,9502 = 46,72 m

Réponse

H = 46,72 m

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