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·x_F = P·x_P, W = F − P

Bilan d’énergie

Chaleur sensible: Q = ṁ·c_p·ΔT
Chaleur latente: Q = ṁ·h_fg
Mélange: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Eau: c_p ≈ 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

Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.

Équilibre chimique

Constante d’équilibre: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tableau ICE: Initial, Changement (×coefficient), Équilibre
Équation du second degré: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Méthode

Écrivez K_c avec les produits au numérateur et les réactifs au dénominateur, chacun élevé à la puissance de son coefficient.
Dressez un tableau d’avancement : état initial, variation (par pas de x fois les coefficients), équilibre.
Remplacez les expressions à l’équilibre dans K_c et résolvez pour x.
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(C_A/C_A0) = −kt
Demi-vie (ordre 1): t_½ = ln 2/k
Ordre 2: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Deux températures: ln(k₂/k₁) = (E_a/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)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
RP, premier ordre: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·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 + kτ_i)^N

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Puissance échangée: Q = U·A·ΔT_lm
Différence de température logarithmique moyenne (DTLM): ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Bilan d’un fluide: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Conduction thermique

Loi de Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction: R = L/(kA)
Résistance de convection: R = 1/(hA)
Résistances en série: Q̇ = ΔT_total/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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K: entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre: P_shaft = P_h/η_pump
Puissance électrique: P_el = P_shaft/η_motor
Hauteur manométrique de la pompe: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Pertes du réseau: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercices

1.Bilan matièreMoyen

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

ṁ₁ = 1000 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 35 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Bilan matièreDifficile

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

F = 1100 kg/hx_F = 7 %x_P = 55 %

P = kg/h

3.Bilan d’énergieMoyen

Du mélange glycolé chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau t_out.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du éthanol 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 ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Ct: 30 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Loi des gaz parfaitsMoyen

Quel volume V occupent 60 g de O₂ à 650 kPa et 100 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 60 gM = 32 g/molP = 650 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de Ar à 1000 kPa et 100 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 39,95 g/molP = 1000 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StœchiométrieMoyen

4 g de Fe₂O₃ et 20 g de CO réagissent selon Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Quelle masse m de CO₂ peut se former ?

M(Fe₂O₃) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StœchiométrieDifficile

Dans la réaction N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 4 g de N₂ réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 3,99 g de NH₃. Calcule le rendement Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molréel: 3,99 g

Y = %

9.Équilibre chimiqueMoyen

On introduit 0,8 mol/L de H₂ et 0,8 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec K_c = 50. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Équilibre chimiqueDifficile

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec K_c = 0,02 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,2 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,02

[Cl₂] = mol/L

11.Calorimétrie et enthalpieMoyen

Un bloc en plomb de 250 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 250 gT_water = 19 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimétrie et enthalpieDifficile

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 20 g de CH₃OH (M = 32,04 g/mol) : 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(CH₃OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Cinétique chimiqueMoyen

Une réaction de loi de vitesse −r_A = k·C_A² a k = 0,1 L/(mol·min) et part de 1,5 mol/L. Trouvez la concentration C_A au bout de 5 min.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/Lt = 5 min

C_A = mol/L

14.Cinétique chimiqueDifficile

Une réaction a une constante de vitesse de 0,1 min⁻¹ à 40 °C et une énergie d’activation de 70 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k₂ à 55 °C.

k₁ = 0,1 min⁻¹T₁ = 40 °CT₂ = 55 °CE_a = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 150 L. L’alimentation entre à 80 L/min avec C_A0 = 2 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie C_A.

V = 150 LQ = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹C_A0 = 2 mol/L

C_A = mol/L

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 1000 L alimenté à 25 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 630 kW. Le fluide chaud se refroidit de 110 à 55 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 55 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,95, et U = 300 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 630 kWF = 0,95U = 300 W/(m²·K)T_h: 110 → 55 °CT_c: 15 → 55 °C

A = m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile

De l’huile chaude (1 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 100 à 50 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 kg/s d’eau (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 30 °C. Avec U = 500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 50 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.Conduction thermiqueMoyen

Un mur est composé de 100 mm de plaque de plâtre et de 150 mm de brique, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 15 °C et -8 °C. Trouvez la température T_i à l’interface entre les deux couches.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 15 °CT₃ = -8 °C

T_i = °C

20.Conduction thermiqueDifficile

Un mur de 50 mm de bois et 25 mm de laine minérale sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -6 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 15 m². Trouvez la température T_s de la face intérieure du mur.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -6 °C

T_s = °C

21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen

De l’eau s’écoule avec un débit de 150 L/s dans une conduite de 1000 m de long et de diamètre intérieur 250 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement h_f.

Q = 150 L/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 100 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), 3 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 15 L/s ?

Q = 15 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 5K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompes et puissance de pompageMoyen

Une pompe débite 15 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 16 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 P_el absorbée par le moteur, en kW.

Q = 15 L/sH = 16 mη_pump = 70%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompes et puissance de pompageDifficile

Une pompe refoule 20 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 6 m plus haut. La conduite mesure 150 m de long, a un diamètre intérieur de 100 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 3 (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 150 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 20 L/sΔz = 6 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 3p_tank = 150 kPa

H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ₂ = 5000 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) = 1000·(5 − 30)/(30 − 35) = 5000 kg/h

Réponse

ṁ₂ = 5000 kg/h

2.Bilan matière

Réponse: P = 140 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·x_F = P·x_P → P = 1100·7/55 = 140 kg/h

Réponse

P = 140 kg/h

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 45,84 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 0,5·3,6·(150 − 120) = 54 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 54/(0,5·4,18) = 45,84 °C

Réponse

t_out = 45,84 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 0,9242 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 1·2,44·(130 − 80) = 122 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,05)·122 = 115,9 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 115,9/(4,18·30) = 0,9242 kg/s

Réponse

ṁ_c = 0,9242 kg/s

5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 8,949 L

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

Moles

n = 60/32 = 1,875 mol

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Volume

V = nRT/P = 1,875·8,314·373,1/650 = 8,949 L

Réponse

V = 8,949 L

6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 12,88 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 = 1000·39,95/(8,314·373,1) = 12,88 kg/m³

Réponse

ρ = 12,88 kg/m³

7.Stœchiométrie

Réponse: m = 3,307 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(Fe₂O₃) = 4/159,69 = 0,02505 mol

n(CO) = 20/28,01 = 0,714 mol

Réactif limitant

0,02505/1 = 0,02505, 0,714/3 = 0,238 → Fe₂O₃

Masse de produit

n(CO₂) = 0,02505·3 = 0,07515 mol

m = 0,07515·44,01 = 3,307 g

Réponse

m = 3,307 g

8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 82,06 %

Rendement théorique

n(N₂) = 4/28,02 = 0,1428 mol

m = 0,1428·2/1·17,03 = 4,862 g

Rendement

Y = 3,99/4,862·100 = 82,06%

Réponse

Y = 82,06%

9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 1,247 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est K_c = [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

50 = (2x)²/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

7,071 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,071/(2 + 7,071) = 0,6236 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 1,247 mol/L

Réponse

[HI] = 1,247 mol/L

10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl₂] = 0,05403 mol/L

Expression à l’équilibre

0,02 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,05403 mol/L

Réponse

[Cl₂] = 0,05403 mol/L

11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: T_f = 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

250·0,129·(200 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 19)

Isoler la température finale

T_f = (32,25·200 + 1045·19)/(32,25 + 1045) = 24,42 °C

Réponse

T_f = 24,42 °C

12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 453,4 kJ

Enthalpie de réaction

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 20/32,04 = 0,6242 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0,6242·726,4 = 453,4 kJ

Réponse

q = 453,4 kJ

13.Cinétique chimique

Réponse: C_A = 0,8571 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/C_A = 1/C_A0 + kt = 0,6667 + 0,1·5 = 1,167 L/mol

C_A = 1/1,167 = 0,8571 mol/L

Réponse

C_A = 0,8571 mol/L

14.Cinétique chimique

Réponse: k₂ = 0,3418 min⁻¹

Températures absolues

T₁ = 313,1 K, T₂ = 328,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(70000/8,314)·(1/328,1 − 1/313,1) = 1,229

k₂ = 0,1·e^1,229 = 0,3418 min⁻¹

Réponse

k₂ = 0,3418 min⁻¹

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: C_A = 1,252 mol/L

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(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 C_A = C_A0·e^−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

Temps de passage

τ = V/Q = 150/80 = 1,875 min

Concentration de sortie

C_A = 2·e^{−0,25·1,875} = 1,252 mol/L

Réponse

C_A = 1,252 mol/L

Conversion : X = 37,42%.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 76,19 %

Temps de passage

τ = V/Q = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,08·40 = 3,2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 3,2/(1 + 3,2) = 76,19%

Réponse

X = 76,19%

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 46,93 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Écarts de température aux extrémités (contre-courant)

À contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 110 − 55 = 55 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 15 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

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

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 630000/(300·0,95·47,1) = 46,93 m²

Réponse

A = 46,93 m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,864 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·ΔT_lm, avec ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔT_lm 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 = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1·2,5·50 = 125 kW

T_c,out = 30 + 125/(3·4,18) = 39,97 °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 = T_h,in − T_c,out = 100 − 39,97 = 60,03 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 50 − 30 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60,03 − 20)/ln(60,03/20) = 36,42 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 125000/(500·36,42) = 6,864 m²

Réponse

A = 6,864 m²

19.Conduction thermique

Réponse: T_i = −1,985 °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)/(0,17·20) = 0,02941 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 23/0,03983 = 577,5 W

Température à l’interface

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

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 15 − 577,5·0,02941 = −1,985 °C

Réponse

T_i = −1,985 °C

20.Conduction thermique

Réponse: T_s = 16,98 °C

Résistances en série

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·15) = 0,01111 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,04·15) = 0,04167 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W

ΣR = 0,07461 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-6))/0,07461 = 361,9 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 361,9·0,01111 = 16,98 °C

Réponse

T_s = 16,98 °C

21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: h_f = 28,56 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières h_m = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = h_f + h_m, perte de sortie K = 1 comprise.

Vitesse moyenne

A = π·0,25²/4 = 0,04909 m²

V = Q/A = 0,15/0,04909 = 3,056 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 3,056²/(2·9,81) = 0,4759 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,25)·3,056²/(2·9,81) = 28,56 m

Réponse

h_f = 28,56 m

22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 6,395 m

Vitesse

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,018·150/0,1 = 27

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Perte de charge totale

h_f = 27·0,1859 = 5,02 m

h_m = 7,4·0,1859 = 1,376 m

Δz = h_f + h_m = 6,395 m

Réponse

Δz = 6,395 m

23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_el = 3,737 kW

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : P_shaft = P_h/η_pump, et le moteur absorbe P_el = P_shaft/η_motor. 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

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·16 = 2,354 kW

Puissance sur l’arbre

P_shaft = 2,354/0,7 = 3,363 kW

Puissance électrique

P_el = 3,363/0,9 = 3,737 kW

Réponse

P_el = 3,737 kW

24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 34,68 m

Vitesse

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37,5 + 3)·0,3305 = 13,39 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 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) + h_L = 6 + 15,29 + 13,39 = 34,68 m

Réponse

H = 34,68 m

Ceci est un support d’entraînement indépendant. ExamProblems n’est ni affilié à l’organisme qui organise cet examen ni approuvé par lui, et le nom de l’examen sert uniquement à décrire le contenu. Le FE exam est organisé par NCEES, qui n’est pas affilié à ExamProblems et ne le cautionne pas.

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Entraînement à l’examen FE Chemical : pack de révision

1Formules et méthodes

Bilan matière

Bilan d’énergie

Loi des gaz parfaits

Stœchiométrie

Méthode

Équilibre chimique

Méthode

Calorimétrie et enthalpie

Cinétique chimique

Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Conduction thermique

Frottement en conduite et pertes de charge

Pompes et puissance de pompage

2Exercices

3Solutions

Bilans

Isoler ṁ2

Réponse

Bilan sur le soluté

Réponse

Chaleur cédée par le flux chaud

Chaleur reçue par l’eau

Réponse

Chaleur cédée

Chaleur qui atteint l’eau

Débit d’eau

Réponse

Moles

Volume

Réponse

Réarranger la loi des gaz

Masse volumique

Réponse

Moles de chaque réactif

Réactif limitant

Masse de produit

Réponse

Rendement théorique

Rendement

Réponse

Expression à l’équilibre

Prendre la racine carrée

Concentration à l’équilibre

Réponse

Expression à l’équilibre

Résoudre l’équation du second degré

Concentration à l’équilibre

Réponse

Bilan thermique

Isoler la température finale

Réponse

Enthalpie de réaction

Chaleur pour la masse donnée

Réponse

Loi intégrée d’ordre 2

Réponse

Températures absolues

Rapport d’Arrhenius

Réponse

Temps de passage

Concentration de sortie

Réponse

Temps de passage

Conversion

Réponse

Écarts de température aux extrémités (contre-courant)

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Résistances des couches

Flux de chaleur

Température à l’interface

Isoler ṁ₂