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 11000 kg/h · 10% selFlux 2ṁ₂ = ? · 50% 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 = 1000 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4200 kg/h · 19% NaOHProduit P35% 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 = 4200 kg/hxF = 19 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 160 °C90 °Ceau · 30 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 180 °C150 °Ceau · 20 °C70 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
20 g de ArV = 10 LT = 35 °CP = ?

Un réservoir de 10 L contient 20 g de Ar à 35 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 20 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de Ar passe de 350 kPa, 10 L, 10 °C à 300 kPa et 170 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

12 g de N2 et 32 g de H2 réagissent selon N2 + 3H2 → 2NH3. Quelle masse m de NH3 peut se former ?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 20 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 6,86 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 6,86 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 = 16. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,01 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 200 gT = 100 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 100 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 200 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H250 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 250 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)60 min1,6

Dans une réaction d’ordre 1, la concentration de A passe de 2 mol/L à 1,6 mol/L en 60 min. Trouvez la constante de vitesse k.

CA0 = 2 mol/LCA = 1,6 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
14.Cinétique chimiqueDifficile
1/Tln kT = 40 °Cln 0,02ln A = ?Ea​ = 90 kJ/mol

Une réaction d’ordre 1 a une constante de vitesse de 0,02 s⁻¹ à 40 °C et une énergie d’activation de 90 kJ/mol. Trouvez le facteur pré-exponentiel A de l’équation d’Arrhenius.

k = 0,02 s⁻¹T = 40 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 75%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 75 % de conversion. Combien de fois un RPAC doit-il être plus grand qu’un RP pour le même débit d’alimentation, la même constante de vitesse et la même conversion ? Trouvez le rapport VCSTR/VPFR.

X = 75%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 100 LV = 100 LQ = 20 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 100 L chacun. Le débit d’alimentation est de 20 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 100 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT105 °C80 °C10 °C50 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 440 kW. Le fluide chaud se refroidit de 105 à 80 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 50 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 440 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 105 → 80 °CTc: 10 → 50 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT120 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 120 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 8 m² et U = 1500 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 25 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 120 °CA = 8 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Brique, k = 0,72150 mmVerre, k = 0,9675 mm15 °C7 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 150 mm de brique et de 75 mm de verre, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 15 °C et 7 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 15 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Verre, k = 0,96150 mmBois, k = 0,1750 mmpièce 20 °Cextérieur -11 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 150 mm de verre et 50 mm de bois sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -11 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,8 m/sD = 50 mmL = 400 mf = 0,015

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,8 m/s dans une conduite horizontale de 400 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1,8 m/sL = 400 mD = 50 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0153× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 100 m de long, de diamètre intérieur 100 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,015. 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. Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 25 L/s ?

Q = 25 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 30 L/sH = 28 m

Une pompe de rendement 70 % débite 30 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 28 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 30 L/sH = 28 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 8 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Une pompe refoule 80 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 250 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 5 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 5
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 3000 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) = 1000·(10 − 40)/(40 − 50) = 3000 kg/h

Réponse

ṁ2 = 3000 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1920 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 = 4200·19/35 = 2280 kg/h

Bilan global

W = F − P = 4200 − 2280 = 1920 kg/h

Réponse

W = 1920 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 70,86 °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 = 1·2,44·(160 − 90) = 170,8 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 170,8/(1·4,18) = 70,86 °C

Réponse

tout = 70,86 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,8318 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·2,44·(180 − 150) = 183 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·183 = 173,8 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 173,8/(4,18·50) = 0,8318 kg/s

Réponse

ṁc = 0,8318 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 128,3 kPa

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

Moles

n = m/M = 20/39,95 = 0,5006 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Pression

P = nRT/V = 0,5006·8,314·308,1/0,01 = 128,3 kPa

Réponse

P = 128,3 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 18,26 L

Loi combinée des gaz : pour une quantité fixe de gaz parfait, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Températures absolues

T1 = 283,1 K, T2 = 443,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/300)·(443,1/283,1) = 18,26 L

Réponse

V2 = 18,26 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 14,59 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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
n(H2) = 32/2,016 = 15,87 mol

Réactif limitant

0,4283/1 = 0,4283, 15,87/3 = 5,291 → N2

Masse de produit

n(NH3) = 0,4283·2 = 0,8565 mol
m = 0,8565·17,03 = 14,59 g

Réponse

m = 14,59 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 78,01 %

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(CaCO3) = 20/100,09 = 0,1998 mol
m = 0,1998·1/1·44,01 = 8,794 g

Rendement

Y = 6,86/8,794·100 = 78,01%

Réponse

Y = 78,01%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,3333 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

16 = (2x)²/(1 − x)²

Prendre la racine carrée

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 1 − x = 0,3333 mol/L

Réponse

[H2] = 0,3333 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,02702 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/(0,1 − x) → x² + 0,01·x − 0,001 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,001))/2 = 0,02702 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,02702 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,02702 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 33,31 °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

200·0,897·(100 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 19)

Isoler la température finale

Tf = (179,4·100 + 836·19)/(179,4 + 836) = 33,31 °C

Réponse

Tf = 33,31 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 3888 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 = 250/180,16 = 1,388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,388·2802 = 3888 kJ

Réponse

q = 3888 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: k = 0,003719 min⁻¹

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).

Loi intégrée d’ordre 1

k = ln(CA0/CA)/t = ln(2/1,6)/60 = 0,2231/60 = 0,003719 min⁻¹

Réponse

k = 0,003719 min⁻¹
14.Cinétique chimique

Réponse: A = 2,06 × 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Isoler A dans Arrhenius

Ea/(RT) = 90000/(8,314·313,1) = 34,57
A = k·e34,57 = 0,02·1,030 × 10¹⁵ = 2,06 × 10¹³ s⁻¹

Réponse

A = 2,06 × 10¹³ s⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 2,164

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.

k·τ pour chaque réacteur

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,75/0,25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1,386

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 3/1,386 = 2,164

Réponse

VCSTR/VPFR = 2,164

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 60,94 %

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 = 100/20 = 5 min, kτ = 0,12·5 = 0,6

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,6) = 0,625
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3906
X = 1 − 0,3906 = 60,94%

Réponse

X = 60,94%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 5,202 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 co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 105 − 10 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 50 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 30)/ln(95/30) = 56,39 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 440000/(1500·56,39) = 5,202 m²

Réponse

A = 5,202 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 106 °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) = 1500·8/(1,5·4180) = 1,914

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,914 = 95·0,1475 = 14,01 K
Tc,out = 120 − 14,01 = 106 °C

Réponse

Tc,out = 106 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 507,8 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 167,6 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) = (150/1000)/(0,72·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·6) = 0,01302 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 8/0,04774 = 167,6 W

Réponse

Q̇ = 167,6 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 12,25 °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/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·12) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,05559 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-11))/0,05559 = 557,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 557,7·0,01389 = 12,25 °C

Réponse

Ts = 12,25 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 194,4 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) = 0,015·(400/0,05)·1,8²/(2·9,81) = 19,82 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 = 1000·9,81·19,82 = 194400 Pa = 194,4 kPa

Réponse

Δp = 194,4 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 14,15 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 = 0,025/0,007854 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·100/0,1 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Perte de charge totale

hf = 15·0,5164 = 7,746 m
hm = 12,4·0,5164 = 6,404 m
Δz = hf + hm = 14,15 m

Réponse

Δz = 14,15 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 11,77 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 = 1000·9,81·0,03·28 = 8,24 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 8,24/0,7 = 11,77 kW

Réponse

Pshaft = 11,77 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 9,868 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8,8 + 5)·0,1354 = 1,868 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 = 8 + 1,868 = 9,868 m

Réponse

H = 9,868 m

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