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 1750 kg/h · 15% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 45% sucreProduit20% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 20 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F700 kg/h · 15% sucreProduit PP = ? · 55%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 = 700 kg/hxF = 15 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C60 °Ceau · 15 °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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 170 °C110 °Ceau · 20 °C85 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
330 g de O₂P = 200 kPaT = 40 °CV = ?

Quel volume V occupent 330 g de O₂ à 200 kPa et 40 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 330 gM = 32 g/molP = 200 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 300 kPaT = 10 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CO₂ à 300 kPa et 10 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 44,01 g/molP = 300 kPaT = 10 °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​)

6 g de Fe2O3 et 48 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Dans la réaction C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 6 g de C6H12O6 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 2,58 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 2,58 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

On introduit 1 mol/L de H₂ et 1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 4. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,8 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 150 gT = 140 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 140 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 24 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 400 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H50 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 4H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 50 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
t (min)X (%)t = ?95%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,02 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,02 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
1/Tln kT = 100 °Cln 0,01ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

Une réaction d’ordre 1 a une constante de vitesse de 0,01 s⁻¹ à 100 °C et une énergie d’activation de 40 kJ/mol. Trouvez le facteur pré-exponentiel A de l’équation d’Arrhenius.

k = 0,01 s⁻¹T = 100 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 10 L/minX = 70%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 10 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 70 %.

Q = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 200 LQ = 25 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,15 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 200 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 = 200 LQ = 25 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT100 °C40 °C65 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 250 kW. Le fluide chaud se refroidit de 100 à 40 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 65 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,85, et U = 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 250 kWF = 0,85U = 500 W/(m²·K)Th: 100 → 40 °CTc: 20 → 65 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT90 °C70 °C60,19 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 90 à 70 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 0,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 20 °C. Avec U = 500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 90 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,4200 mmBois, k = 0,1750 mm24 °C-4 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 200 mm de béton et de 50 mm de bois, avec une surface de 12 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -4 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 24 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Bois, k = 0,17150 mmPolystyrène expansé, k = 0,03550 mmpièce 20 °Cextérieur -13 °CQ̇

Un mur de 150 mm de bois et 50 mm de polystyrène expansé sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -13 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -13 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,7 m/sD = 50 mmL = 100 mf = 0,018

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,7 m/s dans une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 50 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.

V = 2,7 m/sL = 100 mD = 50 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = 34 mL = 400 m, D = 300 mm, f = 0,0223× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 400 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,022. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 34 m plus haut que celle du réservoir inférieur. 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 = 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 = 34 mL = 400 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 15 L/sH = 50 m

Une pompe de rendement 65 % débite 15 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 50 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 15 L/sH = 50 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 15 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

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 15 m plus haut. La conduite mesure 200 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; 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 = 40 L/sΔz = 15 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 150 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) = 750·(15 − 20)/(20 − 45) = 150 kg/h

Réponse

ṁ2 = 150 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 190,9 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 = 700·15/55 = 190,9 kg/h

Réponse

P = 190,9 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 61,89 °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 = 2·2,1·(130 − 60) = 294 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 294/(1,5·4,18) = 61,89 °C

Réponse

tout = 61,89 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,073 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·3,6·(170 − 110) = 324 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·324 = 291,6 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 291,6/(4,18·65) = 1,073 kg/s

Réponse

ṁc = 1,073 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 134,2 L

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

Moles

n = 330/32 = 10,31 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,31·8,314·313,1/200 = 134,2 L

Réponse

V = 134,2 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 5,608 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 = 10 + 273,15 = 283,1 K

Masse volumique

ρ = 300·44,01/(8,314·283,1) = 5,608 kg/m³

Réponse

ρ = 5,608 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 4,961 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) = 6/159,69 = 0,03757 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol

Réactif limitant

0,03757/1 = 0,03757, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3

Masse de produit

n(CO2) = 0,03757·3 = 0,1127 mol
m = 0,1127·44,01 = 4,961 g

Réponse

m = 4,961 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 88,01 %

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(C6H12O6) = 6/180,16 = 0,0333 mol
m = 0,0333·2/1·44,01 = 2,931 g

Rendement

Y = 2,58/2,931·100 = 88,01%

Réponse

Y = 88,01%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,5 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Prendre la racine carrée

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 1 − x = 0,5 mol/L

Réponse

[H2] = 0,5 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,64 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/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,8 − 0,16 = 0,64 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,64 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 28,49 °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

150·0,449·(140 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 24)

Isoler la température finale

Tf = (67,35·140 + 1672·24)/(67,35 + 1672) = 28,49 °C

Réponse

Tf = 28,49 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 1134 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 50/32,04 = 1,561 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,561·726,4 = 1134 kJ

Réponse

q = 1134 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 149,8 min

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).

Conversion et concentration

C/C0 = 1 − X = 0,05

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,02 = 149,8 min

Réponse

t = 149,8 min
14.Cinétique chimique

Réponse: A = 3977 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 = 100 + 273,15 = 373,1 K

Isoler A dans Arrhenius

Ea/(RT) = 40000/(8,314·373,1) = 12,89
A = k·e12,89 = 0,01·3,977 × 10⁵ = 3977 s⁻¹

Réponse

A = 3977 s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 24,08 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 − 0,7))/0,5 = 1,204/0,5 = 2,408 min

Volume

V = Q·τ = 10·2,408 = 24,08 L

Réponse

V = 24,08 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 54,55 %

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 = 200/25 = 8 min, kτ = 0,15·8 = 1,2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 1,2/(1 + 1,2) = 54,55%

Réponse

X = 54,55%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 21,95 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 − 65 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 20 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 20)/ln(35/20) = 26,8 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 250000/(500·0,85·26,8) = 21,95 m²

Réponse

A = 21,95 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 4,304 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) = 2·2,1·20 = 84 kW
Tc,out = 20 + 84/(0,5·4,18) = 60,19 °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 = 90 − 60,19 = 29,81 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (29,81 − 50)/ln(29,81/50) = 39,04 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 84000/(500·39,04) = 4,304 m²

Réponse

A = 4,304 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 768,9 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)/(1,4·12) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,03641 = 768,9 W

Réponse

Q̇ = 768,9 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,4023 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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·12) = 0,119 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,2072 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,2072) = 0,4023 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,4023 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 13,38 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.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,7²/(2·9,81) = 0,3716 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(100/0,05)·2,7²/(2·9,81) = 13,38 m

Réponse

hf = 13,38 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 282,6 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 = 0,022·400/0,3 = 29,33
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Équation de l’énergie

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

34 = (29,33 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·34/41,73) = 3,998 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 3,998·0,07069 = 0,2826 m³/s = 282,6 L/s

Réponse

Q = 282,6 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 11,32 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 = 1000·9,81·0,015·50 = 7,357 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 7,357/0,65 = 11,32 kW

Réponse

Pshaft = 11,32 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 21,79 m

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

Vitesse

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0,2611 = 6,79 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 = 15 + 6,79 = 21,79 m

Réponse

H = 21,79 m

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