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 1950 kg/h · 15% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 35% sucreProduit25% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 25 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2700 kg/h · 11% NaOHProduit P40% NaOHVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 2700 kg/hxF = 11 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 180 °C100 °Ceau · 20 °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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 130 °C100 °Ceau · 25 °C65 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
70 g de O₂V = 10 LT = 20 °CP = ?

Un réservoir de 10 L contient 70 g de O₂ à 20 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 70 gM = 32 g/molV = 10 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 0 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CO₂ à 850 kPa et 0 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

12 g de Fe2O3 et 8 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
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Dans la réaction C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g de C3H8 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 11,26 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 11,26 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

On introduit 0,4 mol/L de H₂ et 0,4 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,2 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/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Plombm = 50 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Eaum = 150 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en plomb de 50 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 140 °C est plongé dans 150 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 25 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 150 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H2C4​H10​ + 13O₂réactifs8CO₂ + 10H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) a k = 0,05 L/(mol·min) et une concentration initiale de 0,2 mol/L. Trouvez sa première demi-vie t½.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 0,2 mol/L
t½ = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
1/Tln kT = 80 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

Une réaction d’ordre 1 a une constante de vitesse de 0,1 s⁻¹ à 80 °C et une énergie d’activation de 100 kJ/mol. Trouvez le facteur pré-exponentiel A de l’équation d’Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 80 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 5 L/minX = 80%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,12 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 5 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 80 %.

Q = 5 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 500 LQ = 10 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 500 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 = 500 LQ = 10 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT125 °C65 °C95 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur de chaleur à contre-courant transfère 260 kW. Sa surface d’échange est de 8 m². Le fluide chaud se refroidit de 125 à 65 °C et le fluide froid se réchauffe de 25 à 95 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 260 kWA = 8 m²Th: 125 → 65 °CTc: 25 → 95 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT180 °C50 °C86,53 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 180 à 50 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 15 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 180 → 50 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,1750 mmPolystyrène expansé, k = 0,03575 mm25 °C-6 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 50 mm de plaque de plâtre et de 75 mm de polystyrène expansé, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 25 °C et -6 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,035100 mmBéton, k = 1,475 mmpièce 21 °Cextérieur 4 °CQ̇

Un mur de 100 mm de polystyrène expansé et 75 mm de béton sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à 4 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 4 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 4 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1 m/sD = 300 mmL = 100 mf = 0,022

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1 m/s dans une conduite horizontale de 100 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1 m/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = 38 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0252× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 200 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,025. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 38 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 10) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 38 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 40 L/sH = 58 m

Une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 58 m. Le rendement de la pompe est de 85 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 95 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 40 L/sH = 58 mηpump = 85%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 7 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Une pompe refoule 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 7 m plus haut. La conduite mesure 400 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 = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 72 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 40 L/sΔz = 7 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 950 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) = 950·(15 − 25)/(25 − 35) = 950 kg/h

Réponse

ṁ2 = 950 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1958 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 = 2700·11/40 = 742,5 kg/h

Bilan global

W = F − P = 2700 − 742,5 = 1958 kg/h

Réponse

W = 1958 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 40,1 °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 = 1·2,1·(180 − 100) = 168 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 168/(2·4,18) = 40,1 °C

Réponse

tout = 40,1 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,248 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·2,44·(130 − 100) = 219,6 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·219,6 = 208,6 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208,6/(4,18·40) = 1,248 kg/s

Réponse

ṁc = 1,248 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 533,1 kPa

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

Moles

n = m/M = 70/32 = 2,188 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Pression

P = nRT/V = 2,188·8,314·293,1/0,01 = 533,1 kPa

Réponse

P = 533,1 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 16,47 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 = 850·44,01/(8,314·273,1) = 16,47 kg/m³

Réponse

ρ = 16,47 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 9,921 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) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 8/28,01 = 0,2856 mol

Réactif limitant

0,07515/1 = 0,07515, 0,2856/3 = 0,0952 → Fe2O3

Masse de produit

n(CO2) = 0,07515·3 = 0,2254 mol
m = 0,2254·44,01 = 9,921 g

Réponse

m = 9,921 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 94,03 %

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) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·3/1·44,01 = 11,98 g

Rendement

Y = 11,26/11,98·100 = 94,03%

Réponse

Y = 94,03%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,08 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/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·8/(2 + 8) = 0,32 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,4 − x = 0,08 mol/L

Réponse

[H2] = 0,08 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,1236 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), avec les concentrations à l’équilibre. Un tableau ICE (Initial, Changement, Équilibre) relie les quantités initiales aux quantités à l’équilibre par une seule inconnue x, multipliée par les coefficients.

Expression à l’équilibre

0,2 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,2·x − 0,04 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,04))/2 = 0,1236 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,1236 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,1236 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 26,17 °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

50·0,129·(140 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 25)

Isoler la température finale

Tf = (6,45·140 + 627·25)/(6,45 + 627) = 26,17 °C

Réponse

Tf = 26,17 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Réponse

ΔH° = −5755 kJ

Négatif : la réaction dégage de la chaleur (exothermique).

13.Cinétique chimique

Réponse: t½ = 100 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).

Demi-vie d’ordre 2

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,05·0,2) = 100 min

Réponse

t½ = 100 min

Chaque demi-vie suivante est deux fois plus longue, car C₀ a été divisée par deux.

14.Cinétique chimique

Réponse: A = 6,189 × 10¹³ s⁻¹

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

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Isoler A dans Arrhenius

Ea/(RT) = 100000/(8,314·353,1) = 34,06
A = k·e34,06 = 0,1·6,189 × 10¹⁴ = 6,189 × 10¹³ s⁻¹

Réponse

A = 6,189 × 10¹³ s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 67,06 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 − 0,8))/0,12 = 1,609/0,12 = 13,41 min

Volume

V = Q·τ = 5·13,41 = 67,06 L

Réponse

V = 67,06 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 80 %

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−rA = k·CA) en régime permanent, avec le temps de passage τ = V/Q. Un RPAC est parfaitement agité : tout le volume réagit donc à la faible concentration de sortie : τ = X/(k·(1 − X)) et CA = CA0/(1 + k·τ). Dans un réacteur piston (RP), chaque tranche de fluide réagit comme un petit réacteur fermé : τ = ln(1/(1 − X))/k et CA = CA0·e−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

Temps de passage

τ = V/Q = 500/10 = 50 min, kτ = 0,08·50 = 4

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Réponse

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

Réponse: U = 935 W/(m²·K)

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

Écarts de température aux extrémités

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 95 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 40)/ln(30/40) = 34,76 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 260000/(8·34,76) = 935 W/(m²·K)

Réponse

U = 935 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,349 m²

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

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,3·130 = 299 kW
Tc,out = 15 + 299/(1·4,18) = 86,53 °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 − 86,53 = 93,47 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 15 = 35 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (93,47 − 35)/ln(93,47/35) = 59,52 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 299000/(1500·59,52) = 3,349 m²

Réponse

A = 3,349 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 254,4 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)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·20) = 0,1071 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,1218 = 254,4 W

Réponse

Q̇ = 254,4 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,3253 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/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·4) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·4) = 0,01339 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,7685 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,7685) = 0,3253 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,3253 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 3,667 kPa

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.

Perte de charge

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,3)·1²/(2·9,81) = 0,3738 m

Chute de pression

La conduite est horizontale et la vitesse ne change pas ; l’équation de l’énergie se réduit donc à Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·0,3738 = 3667 Pa = 3,667 kPa

Réponse

Δp = 3,667 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 140,8 L/s

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.

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,025·200/0,2 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Équation de l’énergie

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; tout Δz est donc perdu dans la conduite.

38 = (25 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·38/37,1) = 4,483 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 4,483·0,03142 = 0,1408 m³/s = 140,8 L/s

Réponse

Q = 140,8 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 28,18 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 = 1000·9,81·0,04·58 = 22,76 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 22,76/0,85 = 26,78 kW

Puissance électrique

Pel = 26,78/0,95 = 28,18 kW

Réponse

Pel = 28,18 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 5,526 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 8)·0,08263 = 3,14 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 7 + 3,14 = 10,14 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·10,14/0,72 = 5,526 kW

Réponse

Pshaft = 5,526 kW

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