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 1650 kg/h · 20% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 35% sucreProduit30% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 30 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3700 kg/h · 20% selProduit P55% selVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 3700 kg/hxF = 20 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 130 °C70 °Ceau · 10 °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: 130 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C70 °Ceau · 10 °C65 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 15 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 10 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
460 g de O₂V = 30 LT = 0 °CP = ?

Un réservoir de 30 L contient 460 g de O₂ à 0 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 460 gM = 32 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 150 kPa, 2 L, 25 °C à 550 kPa et 160 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 550 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

24 g de Mg et 24 g de O2 réagissent selon 2Mg + O2 → 2MgO. Quelle masse m de MgO peut se former ?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Dans la réaction 2H2 + O2 → 2H2O, 4 g de H2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 26,82 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 26,82 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 = 16. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,2 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 150 gT = 130 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 150 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 130 °C est plongé dans 150 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 20 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 150 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H20 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂réactifs4CO₂ + 6H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 20 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) : 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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 = ?90%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,15 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,15 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk35 °C0,00245 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,002 min⁻¹ à 35 °C et une énergie d’activation de 75 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 45 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 45 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 10 L/minX = 75%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 75 %.

Q = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
Q = 5 L/minX = ?V = 50 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 50 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 = 50 LQ = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT100 °C40 °C45 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 70 kW. Le fluide chaud se refroidit de 100 à 40 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 45 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 70 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 100 → 40 °CTc: 20 → 45 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT85 °C??10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur de chaleur à contre-courant, les deux fluides ont le même débit de capacité thermique, ṁ·cp = 1 kW/K. Le fluide chaud entre à 85 °C et le fluide froid à 10 °C. L’échangeur a A = 5 m² et U = 800 W/(m²·K). Trouvez la température de sortie du fluide chaud Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 85 °CTc,in = 10 °CA = 5 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Bois, k = 0,17250 mmBrique, k = 0,7275 mm19 °C-5 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de bois et de 75 mm de brique, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 19 °C et -5 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 19 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,0450 mmBéton, k = 1,475 mmpièce 20 °Cextérieur -15 °CQ̇

Un mur de 50 mm de laine minérale et 75 mm de béton sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -15 °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 4 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,2 m/sD = 75 mmL = 200 mf = 0,025

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,2 m/s dans une conduite horizontale de 200 m de long et de diamètre intérieur 75 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 = 1,2 m/sL = 200 mD = 75 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10sortie libreH = ?L = 500 m, D = 250 mm, f = 0,0153× coude (K = 0,3)

Une conduite de 500 m de long et de diamètre intérieur 250 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,015) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 3 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 10). 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 75 L/s ?

Q = 75 L/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 40 L/sH = 26 m

Lors d’un essai, une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 26 m tandis que son arbre absorbe 14,6 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 40 L/sH = 26 mPshaft = 14,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
350 kPa (relative)PQ = 12 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 4

Une pompe refoule 12 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 5 m plus haut. La conduite mesure 100 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 = 4 (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 350 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 12 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 4ptank = 350 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 1300 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) = 650·(20 − 30)/(30 − 35) = 1300 kg/h

Réponse

ṁ2 = 1300 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 2355 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 = 3700·20/55 = 1345 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3700 − 1345 = 2355 kg/h

Réponse

W = 2355 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 33,35 °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·(130 − 70) = 146,4 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 146,4/(1,5·4,18) = 33,35 °C

Réponse

tout = 33,35 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,9021 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·2,44·(120 − 70) = 244 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·244 = 207,4 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 207,4/(4,18·55) = 0,9021 kg/s

Réponse

ṁc = 0,9021 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 1088 kPa

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

Moles

n = m/M = 460/32 = 14,38 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pression

P = nRT/V = 14,38·8,314·273,1/0,03 = 1088 kPa

Réponse

P = 1088 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 0,7924 L

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

Températures absolues

T1 = 298,1 K, T2 = 433,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/550)·(433,1/298,1) = 0,7924 L

Réponse

V2 = 0,7924 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 39,79 g

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Moles de chaque réactif

n(Mg) = 24/24,31 = 0,9872 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Réactif limitant

0,9872/2 = 0,4936, 0,75/1 = 0,75 → Mg

Masse de produit

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

Réponse

m = 39,79 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 75,01 %

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(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
m = 1,984·2/2·18,02 = 35,75 g

Rendement

Y = 26,82/35,75·100 = 75,01%

Réponse

Y = 75,01%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,5333 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/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

4 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·4/(2 + 4) = 0,2667 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,5333 mol/L

Réponse

[HI] = 0,5333 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,3583 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/(1 − x) → x² + 0,2·x − 0,2 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,2))/2 = 0,3583 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,3583 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,3583 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 39,43 °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

150·0,897·(130 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 20)

Isoler la température finale

Tf = (134,6·130 + 627·20)/(134,6 + 627) = 39,43 °C

Réponse

Tf = 39,43 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 1037 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

Chaleur pour la masse donnée

n = 20/30,07 = 0,6651 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6651·1560 = 1037 kJ

Réponse

q = 1037 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 15,35 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 = 0,1

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,15 = 15,35 min

Réponse

t = 15,35 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,005019 min⁻¹

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).

Températures absolues

T1 = 308,1 K, T2 = 318,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/318,1 − 1/308,1) = 0,9201
k2 = 0,002·e0,9201 = 0,005019 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,005019 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 27,73 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 − 0,75))/0,5 = 1,386/0,5 = 2,773 min

Volume

V = Q·τ = 10·2,773 = 27,73 L

Réponse

V = 27,73 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 91,79 %

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 = 50/5 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Réponse

X = 91,79%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 2,023 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 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 − 45 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 20 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

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

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 70000/(1000·34,6) = 2,023 m²

Réponse

A = 2,023 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Th,out = 25 °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.

Écart de température constant

La sortie froide se trouve face à l’entrée chaude : Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), donc ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilan d’énergie égal à l’équation de transfert

1·(85 − Th,out) = 4·(Th,out − 10)
Th,out = (1·85 + 4·10)/(1 + 4) = 25 °C

Réponse

Th,out = 25 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 60 kW ; le fluide froid sort à 70 °C.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 228,6 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) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·15) = 0,006944 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,105 = 228,6 W

Réponse

Q̇ = 228,6 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,6763 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/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·4) = 0,01339 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,3696 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,3696) = 0,6763 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,6763 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 48 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·(200/0,075)·1,2²/(2·9,81) = 4,893 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 = 1000·9,81·4,893 = 48000 Pa = 48 kPa

Réponse

Δp = 48 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 5,045 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·500/0,25 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Équation de l’énergie

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

H = (1 + 30 + 11,4)·0,119 = 5,045 m

Réponse

H = 5,045 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 69,88 %

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 = 1000·9,81·0,04·26 = 10,2 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 10,2/14,6 = 69,88%

Réponse

η = 69,88%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 43,3 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 = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 4)·0,119 = 2,618 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 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 = 5 + 35,68 + 2,618 = 43,3 m

Réponse

H = 43,3 m

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