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 1250 kg/h · 35% selFlux 2ṁ₂ = ? · 5% selProduit10% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 10 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F900 kg/h · 12% sucreProduit PP = ? · 65%Vapeur W (eau pure)0% sucre

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

F = 900 kg/hxF = 12 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C90 °Ceau · 10 °Ct = ? °C

Du huile légère chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau tout.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C70 °Ceau · 15 °C85 °C · ṁ = ?5 % perdus

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 ṁc nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 15 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
170 g de ArV = 10 LT = 35 °CP = ?

Un réservoir de 10 L contient 170 g de Ar à 35 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 170 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 800 kPaT = 0 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de He à 800 kPa et 0 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 800 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

24 g de Mg et 20 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Dans la réaction 2Mg + O2 → 2MgO, 12 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 17,51 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 17,51 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

On introduit 0,25 mol/L de H₂ et 0,25 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 50. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,4 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Plombm = 100 gT = 180 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en plomb de 100 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 180 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 24 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °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)C (mol/L)10 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,05 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 10 min.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °Ck1​?5·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 60 kJ/mol. À 40 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 5 fois plus rapide ?

Ea = 60 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 5R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 40 L/minX = 85%V = ?, k = 0,08 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,08 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 = 0,08 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 40 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 L alimenté à 40 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT100 °C65 °C80 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 470 kW. Le fluide chaud se refroidit de 100 à 65 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 80 °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 = 470 kWF = 0,95U = 300 W/(m²·K)Th: 100 → 65 °CTc: 10 → 80 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT180 °C45 °C77,82 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 180 à 45 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 0,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 10 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 45 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Laine minérale, k = 0,04200 mmPlaque de plâtre, k = 0,17100 mm16 °C-1 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 200 mm de laine minérale et de 100 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 12 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -1 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17200 mmBéton, k = 1,475 mmpièce 21 °Cextérieur -2 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 200 mm de plaque de plâtre et 75 mm de béton sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -2 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 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 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 40 L/sD = 150 mmL = 300 mf = 0,018

De l’eau s’écoule avec un débit de 40 L/s dans une conduite de 300 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 40 L/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5sortie libreH = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0183× coude (K = 0,3)

Une conduite de 150 m de long et de diamètre intérieur 100 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,018) 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), 3 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 8 L/s ?

Q = 8 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 64 m

Une pompe débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 64 m. Le rendement de la pompe est de 78 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 90 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 80 L/sH = 64 mηpump = 78%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 7 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 6

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 7 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 = 6 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 50 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 1250 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) = 250·(35 − 10)/(10 − 5) = 1250 kg/h

Réponse

ṁ2 = 1250 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 166,2 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 = 900·12/65 = 166,2 kg/h

Réponse

P = 166,2 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 60,24 °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 = 2,5·2,1·(130 − 90) = 210 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 210/(1·4,18) = 60,24 °C

Réponse

tout = 60,24 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,3961 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,44·(120 − 70) = 122 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·122 = 115,9 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 115,9/(4,18·70) = 0,3961 kg/s

Réponse

ṁc = 0,3961 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 1090 kPa

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

Moles

n = m/M = 170/39,95 = 4,255 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Pression

P = nRT/V = 4,255·8,314·308,1/0,01 = 1090 kPa

Réponse

P = 1090 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 1,41 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 = 0 + 273,15 = 273,1 K

Masse volumique

ρ = 800·4,003/(8,314·273,1) = 1,41 kg/m³

Réponse

ρ = 1,41 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 39,79 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) = 24/24,31 = 0,9872 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Réactif limitant

0,9872/2 = 0,4936, 0,625/1 = 0,625 → Mg

Masse de produit

n(MgO) = 0,4936·2 = 0,9872 mol
m = 0,9872·40,3 = 39,79 g

Réponse

m = 39,79 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 88,02 %

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(Mg) = 12/24,31 = 0,4936 mol
m = 0,4936·2/2·40,3 = 19,89 g

Rendement

Y = 17,51/19,89·100 = 88,02%

Réponse

Y = 88,02%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,05512 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

50 = (2x)²/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

7,071 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,071/(2 + 7,071) = 0,1949 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,25 − x = 0,05512 mol/L

Réponse

[H2] = 0,05512 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,1081 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

0,04 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,1081 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,1081 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 26,37 °C

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Bilan thermique

100·0,129·(180 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Isoler la température finale

Tf = (12,9·180 + 836·24)/(12,9 + 836) = 26,37 °C

Réponse

Tf = 26,37 °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: CA = 0,6667 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 + 0,05·10 = 1,5 L/mol
CA = 1/1,5 = 0,6667 mol/L

Réponse

CA = 0,6667 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 63,51 °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 = 313,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(5)/60000 = 3,193 × 10⁻³ − 2,230 × 10⁻⁴ = 2,970 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 336,7 K = 63,51 °C

Réponse

T2 = 63,51 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 948,6 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))/0,08 = 1,897/0,08 = 23,71 min

Volume

V = Q·τ = 40·23,71 = 948,6 L

Réponse

V = 948,6 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 66,67 %

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 = 800/40 = 20 min, kτ = 0,1·20 = 2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66,67%

Réponse

X = 66,67%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 47,66 m²

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 (contre-courant)

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 = 100 − 80 = 20 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 55)/ln(20/55) = 34,6 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 470000/(300·0,95·34,6) = 47,66 m²

Réponse

A = 47,66 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,507 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) = 0,5·2,1·135 = 141,8 kW
Tc,out = 10 + 141,8/(0,5·4,18) = 77,82 °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 = 180 − 77,82 = 102,2 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 10 = 35 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (102,2 − 35)/ln(102,2/35) = 62,7 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 141750/(1500·62,7) = 1,507 m²

Réponse

A = 1,507 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 36,51 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) = (200/1000)/(0,04·12) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,4657 = 36,51 W

Réponse

Q̇ = 36,51 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 18,93 °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/(8·8) = 0,01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·8) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·8) = 0,006696 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,1735 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-2))/0,1735 = 132,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 132,5·0,01563 = 18,93 °C

Réponse

Ts = 18,93 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 9,401 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,264²/(2·9,81) = 0,2611 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(300/0,15)·2,264²/(2·9,81) = 9,401 m

Réponse

hf = 9,401 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 1,819 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 = 0,008/0,007854 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,018·150/0,1 = 27
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

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 + 27 + 6,4)·0,05288 = 1,819 m

Réponse

H = 1,819 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 71,55 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 = 1000·9,81·0,08·64 = 50,23 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 50,23/0,78 = 64,39 kW

Puissance électrique

Pel = 64,39/0,9 = 71,55 kW

Réponse

Pel = 71,55 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 8,937 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 6)·0,1291 = 1,937 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; les termes de pression et de vitesse disparaissent donc.

H = Δz + hL = 7 + 1,937 = 8,937 m

Réponse

H = 8,937 m

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