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 1900 kg/h · 45% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProduit25% NaOH

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1100 kg/h · 6% sucreProduit P50% sucreVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 1100 kg/hxF = 6 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 120 °C70 °Ceau · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C90 °Ceau · 15 °C90 °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 → 90 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
440 g de HeV = 10 LT = 10 °CP = ?

Un réservoir de 10 L contient 440 g de He à 10 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 440 gM = 4,003 g/molV = 10 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CO₂ passe de 200 kPa, 2 L, 30 °C à 250 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 200 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 250 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

12 g de Na et 80 g de Cl2 réagissent selon 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quelle masse m de NaCl peut se former ?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 16 g de CH4 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 36 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 36 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

On introduit 0,8 mol/L de H₂ et 0,8 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 9. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 75 gT = 200 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 18 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H2C2​H6​ + 7O₂réactifs4CO₂ + 6H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)X (%)t = ?30%

Une réaction d’ordre 0 a k = 0,05 mol/(L·min) et part de 0,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 30 % ? Trouvez t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 30 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk25 °Ck1​?10·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 80 kJ/mol. À 25 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 10 fois plus rapide ?

Ea = 80 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 60%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 60 % 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 = 60%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
Q = 5 L/minX = ?V = 150 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 150 L alimenté à 5 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 150 LQ = 5 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT140 °C30 °C130 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 140 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 30 à 130 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 140 °Cṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 130 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT140 °C85 °C?10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur à tubes concentriques à contre-courant, de l’huile chaude (0,8 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circule dans le tube intérieur et se refroidit de 140 à 85 °C. L’eau (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 10 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 25 mm, et U = 250 W/(m²·K) est rapporté à ce diamètre. Trouvez la longueur de tube L nécessaire.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 140 → 85 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 10 °CD = 25 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,450 mmBois, k = 0,1725 mm23 °C8 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 50 mm de béton et de 25 mm de bois, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 23 °C et 8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 23 °CT3 = 8 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17200 mmBois, k = 0,1750 mmpièce 21 °Cextérieur -12 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 200 mm de plaque de plâtre et 50 mm de bois sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -12 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 20 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 0,8 m/sD = 200 mmL = 50 mf = 0,025

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 0,8 m/s dans une conduite horizontale de 50 m de long et de diamètre intérieur 200 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 0,8 m/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2sortie libreH = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 100 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,02) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 2). 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 15 L/s ?

Q = 15 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 25 L/sH = 54 m

Une pompe de rendement 80 % débite 25 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 54 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 25 L/sH = 54 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
250 kPa (relative)PQ = 15 L/sΔz = 8 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Une pompe refoule 15 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 150 m de long, a un diamètre intérieur de 100 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. Le réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 250 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 15 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 250 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 3600 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(45 − 25)/(25 − 20) = 3600 kg/h

Réponse

ṁ2 = 3600 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 968 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 = 1100·6/50 = 132 kg/h

Bilan global

W = F − P = 1100 − 132 = 968 kg/h

Réponse

W = 968 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 36,53 °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 = 1,5·3,6·(120 − 70) = 270 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 270/(3·4,18) = 36,53 °C

Réponse

tout = 36,53 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,2218 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,44·(120 − 90) = 73,2 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·73,2 = 69,54 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 69,54/(4,18·75) = 0,2218 kg/s

Réponse

ṁc = 0,2218 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 25876 kPa

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

Moles

n = m/M = 440/4,003 = 109,9 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Pression

P = nRT/V = 109,9·8,314·283,1/0,01 = 25876 kPa

Réponse

P = 25876 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 2,55 L

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

Températures absolues

T1 = 303,1 K, T2 = 483,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/250)·(483,1/303,1) = 2,55 L

Réponse

V2 = 2,55 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 30,5 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(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Réactif limitant

0,522/2 = 0,261, 1,128/1 = 1,128 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,261·2 = 0,522 mol
m = 0,522·58,44 = 30,5 g

Réponse

m = 30,5 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 82 %

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(CH4) = 16/16,04 = 0,9975 mol
m = 0,9975·1/1·44,01 = 43,9 g

Rendement

Y = 36/43,9·100 = 82%

Réponse

Y = 82%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,96 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

9 = (2x)²/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

3 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·3/(2 + 3) = 0,48 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,96 mol/L

Réponse

[HI] = 0,96 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,05367 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/(0,1 − x) → x² + 0,04·x − 0,004 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,004))/2 = 0,04633 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,1 − 0,04633 = 0,05367 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,05367 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 21,59 °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

75·0,449·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Isoler la température finale

Tf = (33,68·200 + 1672·18)/(33,68 + 1672) = 21,59 °C

Réponse

Tf = 21,59 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Réponse

ΔH° = −3119 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 3 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).

Quantité convertie

CA0·X = 0,5·0,3 = 0,15 mol/L

Durée

t = CA0·X/k = 0,15/0,05 = 3 min

Réponse

t = 3 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 47,91 °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 = 298,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(10)/80000 = 3,354 × 10⁻³ − 2,393 × 10⁻⁴ = 3,115 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 321,1 K = 47,91 °C

Réponse

T2 = 47,91 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 1,637

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) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Réponse

VCSTR/VPFR = 1,637

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 97,27 %

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 = 150/5 = 30 min, kτ = 0,12·30 = 3,6

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−3,6 = 97,27%

Réponse

X = 97,27%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 10,02 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.

Puissance thermique côté eau

Q̇ = 1·4,18·(130 − 30) = 418 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 140 − 30 = 110 K
ΔT₂ = 140 − 130 = 10 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 10)/ln(110/10) = 41,7 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 418000/(1000·41,7) = 10,02 m²

Réponse

A = 10,02 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 63,25 m

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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = 0,8·2,5·(140 − 85) = 110 kW
Tc,out = 10 + 110/(1·4,18) = 36,32 °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 = 140 − 36,32 = 103,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 10 = 75 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (103,7 − 75)/ln(103,7/75) = 88,57 K

Surface et longueur

A = 110000/(250·88,57) = 4,968 m²
L = A/(πD) = 4,968/(π·0,025) = 63,25 m

Réponse

L = 63,25 m
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 328,3 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)/(1,4·4) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·4) = 0,03676 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,04569 = 328,3 W

Réponse

Q̇ = 328,3 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 17,72 °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/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·20) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,08386 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-12))/0,08386 = 393,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 393,5·0,008333 = 17,72 °C

Réponse

Ts = 17,72 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 2 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) = 0,025·(50/0,2)·0,8²/(2·9,81) = 0,2039 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 = 1000·9,81·0,2039 = 2000 Pa = 2 kPa

Réponse

Δp = 2 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 4,592 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·100/0,1 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Équation de l’énergie

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

H = (1 + 20 + 3,7)·0,1859 = 4,592 m

Réponse

H = 4,592 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 16,55 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 = 1000·9,81·0,025·54 = 13,24 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 13,24/0,8 = 16,55 kW

Réponse

Pshaft = 16,55 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 39,62 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (27 + 6)·0,1859 = 6,135 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont pratiquement au repos ; il n’y a donc pas de terme de hauteur cinétique.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 8 + 25,48 + 6,135 = 39,62 m

Réponse

H = 39,62 m

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