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 1400 kg/h · 50% selFlux 2ṁ₂ = ? · 20% selProduit40% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 40 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 50 %x2 = 20 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4900 kg/h · 19% NaOHProduit PP = ? · 40%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 = 4900 kg/hxF = 19 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 160 °C80 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 150 °C120 °Ceau · 15 °C50 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du éthanol 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Ct: 15 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
420 g de ArP = 150 kPaT = 80 °CV = ?

Quel volume V occupent 420 g de Ar à 150 kPa et 80 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 420 gM = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 400 kPaT = 100 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de He à 400 kPa et 100 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 400 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)

10 g de C3H8 et 32 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(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Dans la réaction 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 8 g de Al réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 37,16 g de AlCl3. Calcule le rendement Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molréel: 37,16 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 = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,01 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,2 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 150 gT = 120 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 300 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 120 °C est plongé dans 300 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 22 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H100 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂réactifs6CO₂ + 6H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 100 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) : C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)20 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,25 L/(mol·min) et part de 2 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 20 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °Ck1​?4·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 40 kJ/mol. À 20 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 4 fois plus rapide ?

Ea = 40 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 40 L/minX = 85%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,5 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 85 %.

Q = 40 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 1500 LQ = 10 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 1500 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 = 1500 LQ = 10 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT145 °C60 °C130 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 220 kW. Le fluide chaud se refroidit de 145 à 60 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 130 °C. Le coefficient global d’échange vaut 300 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 220 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 145 → 60 °CTc: 20 → 130 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT130 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 130 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 4 m² et U = 1500 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 20 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 130 °CA = 4 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,03550 mmBéton, k = 1,4150 mm23 °C3 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 50 mm de polystyrène expansé et de 150 mm de béton, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 23 °C et 3 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 23 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Béton, k = 1,4200 mmBrique, k = 0,72100 mmpièce 22 °Cextérieur -9 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 200 mm de béton et 100 mm de brique sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -9 °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 20 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -9 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 6 L/sD = 100 mmL = 200 mf = 0,015

De l’eau s’écoule avec un débit de 6 L/s dans une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 100 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 6 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5sortie libreH = ?L = 500 m, D = 250 mm, f = 0,0154× coude (K = 0,3)

Une conduite de 500 m de long et de diamètre intérieur 250 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,015) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 5). Prenez g = 9,81 m/s². De combien H la surface du réservoir doit-elle être au-dessus de la sortie de la conduite pour un débit de 75 L/s ?

Q = 75 L/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 72 m

Une pompe de rendement 82 % débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 72 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 80 L/sH = 72 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 8 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 4

Une pompe refoule 50 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 100 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 4 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 85 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 50 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 4η = 85%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 200 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) = 400·(50 − 40)/(40 − 20) = 200 kg/h

Réponse

ṁ2 = 200 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 2328 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 = 4900·19/40 = 2328 kg/h

Réponse

P = 2328 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 31,67 °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·(160 − 80) = 97,6 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 97,6/(2·4,18) = 31,67 °C

Réponse

tout = 31,67 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,2126 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·2,44·(150 − 120) = 36,6 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·36,6 = 31,11 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 31,11/(4,18·35) = 0,2126 kg/s

Réponse

ṁc = 0,2126 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 205,8 L

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

Moles

n = 420/39,95 = 10,51 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,51·8,314·353,1/150 = 205,8 L

Réponse

V = 205,8 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 0,5161 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 = 400·4,003/(8,314·373,1) = 0,5161 kg/m³

Réponse

ρ = 0,5161 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 14,42 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) = 10/44,1 = 0,2268 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Réactif limitant

0,2268/1 = 0,2268, 1/5 = 0,2 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 0,2·4 = 0,8 mol
m = 0,8·18,02 = 14,42 g

Réponse

m = 14,42 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 93,99 %

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(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
m = 0,2965·2/2·133,33 = 39,53 g

Rendement

Y = 37,16/39,53·100 = 93,99%

Réponse

Y = 93,99%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 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

64 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·8/(2 + 8) = 0,4 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,8 mol/L

Réponse

[HI] = 0,8 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,16 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

0,01 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,01·x − 0,002 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,002))/2 = 0,04 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,2 − 0,04 = 0,16 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,16 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 26,35 °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

150·0,388·(120 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 22)

Isoler la température finale

Tf = (58,2·120 + 1254·22)/(58,2 + 1254) = 26,35 °C

Réponse

Tf = 26,35 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 1555 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

Chaleur pour la masse donnée

n = 100/180,16 = 0,5551 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,5551·2802 = 1555 kJ

Réponse

q = 1555 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,1818 mol/L

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Loi intégrée d’ordre 2

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,25·20 = 5,5 L/mol
CA = 1/5,5 = 0,1818 mol/L

Réponse

CA = 0,1818 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 47,05 °C

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).

Température absolue

T1 = 293,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(4)/40000 = 3,411 × 10⁻³ − 2,881 × 10⁻⁴ = 3,123 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 320,2 K = 47,05 °C

Réponse

T2 = 47,05 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 151,8 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 − 0,85))/0,5 = 1,897/0,5 = 3,794 min

Volume

V = Q·τ = 40·3,794 = 151,8 L

Réponse

V = 151,8 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 92,31 %

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 = 1500/10 = 150 min, kτ = 0,08·150 = 12

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 12/(1 + 12) = 92,31%

Réponse

X = 92,31%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 28,77 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 = 145 − 130 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 20 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 40)/ln(15/40) = 25,49 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 220000/(300·25,49) = 28,77 m²

Réponse

A = 28,77 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 76,33 °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.

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Avec ΔT₁ = Ts − Tc,in et ΔT₂ = Ts − Tc,out, la différence ΔT₁ − ΔT₂ est égale à l’élévation de température de l’eau, donc celle-ci se simplifie.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1500·4/(2·4180) = 0,7177

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,7177 = 110·0,4879 = 53,67 K
Tc,out = 130 − 53,67 = 76,33 °C

Réponse

Tc,out = 76,33 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 471 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 52,09 W

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·4) = 0,3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·4) = 0,02679 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,3839 = 52,09 W

Réponse

Q̇ = 52,09 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 14,82 °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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·20) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·20) = 0,006944 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,02159 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-9))/0,02159 = 1436 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 1436·0,005 = 14,82 °C

Réponse

Ts = 14,82 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 0,8924 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,006/0,007854 = 0,7639 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 0,7639²/(2·9,81) = 0,02975 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(200/0,1)·0,7639²/(2·9,81) = 0,8924 m

Réponse

hf = 0,8924 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 4,486 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·500/0,25 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Équation de l’énergie

Le jet de sortie emporte encore sa hauteur cinétique ; ce n’est pas une perte, mais elle doit être fournie.

H = (1 + 30 + 6,7)·0,119 = 4,486 m

Réponse

H = 4,486 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 68,91 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 = 1000·9,81·0,08·72 = 56,51 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 56,51/0,82 = 68,91 kW

Réponse

Pshaft = 68,91 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 5,585 kW

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

Vitesse

V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 4)·0,1291 = 1,678 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 8 + 1,678 = 9,678 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·9,678/0,85 = 5,585 kW

Réponse

Pshaft = 5,585 kW

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