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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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 1850 kg/h · 35% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 15% 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 = 850 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1600 kg/h · 7% sucreProduit PP = ? · 30%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 = 1600 kg/hxF = 7 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C60 °Ceau · 30 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C70 °Ceau · 15 °C60 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du huile légère 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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
190 g de N₂P = 800 kPaT = 85 °CV = ?

Quel volume V occupent 190 g de N₂ à 800 kPa et 85 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 190 gM = 28,01 g/molP = 800 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 550 kPaT = 110 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CO₂ à 550 kPa et 110 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 44,01 g/molP = 550 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

4 g de N2 et 20 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(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Dans la réaction 2H2 + O2 → 2H2O, 24 g de H2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 133 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 133 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

On introduit 0,1 mol/L de H₂ et 0,1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,08 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,4 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Cuivrem = 150 gT = 180 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Eaum = 300 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en cuivre de 150 g (c = 0,385 J/(g·°C)) à 180 °C est plongé dans 300 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 23 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 300 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H25 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 25 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)X (%)t = ?75%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,05 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 75 % ? Trouvez t.

k = 0,05 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °Ck1​?2·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 90 kJ/mol. À 20 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 2 fois plus rapide ?

Ea = 90 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 20 L/minX = 90%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,3 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 20 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 90 %.

Q = 20 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 50 LQ = 20 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,3 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 50 L alimenté à 20 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 50 LQ = 20 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT145 °C30 °C110 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 210 kW. Le fluide chaud se refroidit de 145 à 30 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 110 °C. Le coefficient global d’échange vaut 300 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 210 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 145 → 30 °CTc: 15 → 110 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT110 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 110 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 5 m² et U = 1500 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 10 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 110 °CA = 5 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,17250 mmBois, k = 0,17100 mm16 °C-5 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de plaque de plâtre et de 100 mm de bois, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -5 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 16 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,04150 mmBrique, k = 0,7275 mmpièce 20 °Cextérieur -10 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 150 mm de laine minérale et 75 mm de brique sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -10 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 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 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -10 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,9 m/sD = 300 mmL = 800 mf = 0,015

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,9 m/s dans une conduite de 800 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 2,9 m/sL = 800 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10sortie libreH = ?L = 500 m, D = 300 mm, f = 0,0153× coude (K = 0,3)

Une conduite de 500 m de long et de diamètre intérieur 300 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 = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 12 m

Une pompe débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 12 m. Le rendement de la pompe est de 75 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 94 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 10 L/sH = 12 mηpump = 75%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 12 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 6

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 12 m plus haut. La conduite mesure 500 m de long, a un diamètre intérieur de 200 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 rendement de la pompe est de 70 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 80 L/sΔz = 12 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6η = 70%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 850 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) = 850·(35 − 25)/(25 − 15) = 850 kg/h

Réponse

ṁ2 = 850 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 373,3 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 = 1600·7/30 = 373,3 kg/h

Réponse

P = 373,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 60,14 °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 = 3·2,1·(120 − 60) = 378 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 378/(3·4,18) = 60,14 °C

Réponse

tout = 60,14 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,061 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·2,1·(120 − 70) = 210 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·210 = 199,5 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 199,5/(4,18·45) = 1,061 kg/s

Réponse

ṁc = 1,061 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 25,25 L

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

Moles

n = 190/28,01 = 6,783 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,783·8,314·358,1/800 = 25,25 L

Réponse

V = 25,25 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 7,599 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 = 110 + 273,15 = 383,1 K

Masse volumique

ρ = 550·44,01/(8,314·383,1) = 7,599 kg/m³

Réponse

ρ = 7,599 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 4,862 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) = 4/28,02 = 0,1428 mol
n(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol

Réactif limitant

0,1428/1 = 0,1428, 9,921/3 = 3,307 → N2

Masse de produit

n(NH3) = 0,1428·2 = 0,2855 mol
m = 0,2855·17,03 = 4,862 g

Réponse

m = 4,862 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 62 %

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) = 24/2,016 = 11,9 mol
m = 11,9·2/2·18,02 = 214,5 g

Rendement

Y = 133/214,5·100 = 62%

Réponse

Y = 62%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,15 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

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,15 mol/L

Réponse

[HI] = 0,15 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,2567 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

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,2567 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 29,91 °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

150·0,385·(180 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 23)

Isoler la température finale

Tf = (57,75·180 + 1254·23)/(57,75 + 1254) = 29,91 °C

Réponse

Tf = 29,91 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 388,8 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 = 25/180,16 = 0,1388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Réponse

q = 388,8 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 27,73 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 = 0,25

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,05 = 27,73 min

Réponse

t = 27,73 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 25,61 °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 = 293,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(2)/90000 = 3,411 × 10⁻³ − 6,403 × 10⁻⁵ = 3,347 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 298,8 K = 25,61 °C

Réponse

T2 = 25,61 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 153,5 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 − 0,9))/0,3 = 2,303/0,3 = 7,675 min

Volume

V = Q·τ = 20·7,675 = 153,5 L

Réponse

V = 153,5 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 42,86 %

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 = 50/20 = 2,5 min, kτ = 0,3·2,5 = 0,75

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 0,75/(1 + 0,75) = 42,86%

Réponse

X = 42,86%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 29,66 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 = 145 − 110 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 30 − 15 = 15 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 15)/ln(35/15) = 23,6 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 210000/(300·23,6) = 29,66 m²

Réponse

A = 29,66 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 93,37 °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) = 1500·5/(1·4180) = 1,794

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,794 = 100·0,1663 = 16,63 K
Tc,out = 110 − 16,63 = 93,37 °C

Réponse

Tc,out = 93,37 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 348,5 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 204 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)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1029 = 204 W

Réponse

Q̇ = 204 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 19,07 °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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,04·20) = 0,1875 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,2006 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-10))/0,2006 = 149,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 149,5·0,00625 = 19,07 °C

Réponse

Ts = 19,07 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 17,15 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.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,9²/(2·9,81) = 0,4286 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,3)·2,9²/(2·9,81) = 17,15 m

Réponse

hf = 17,15 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 2,146 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·500/0,3 = 25
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 + 25 + 11,4)·0,05738 = 2,146 m

Réponse

H = 2,146 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 1,67 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 = 1000·9,81·0,01·12 = 1,177 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 1,177/0,75 = 1,57 kW

Puissance électrique

Pel = 1,57/0,94 = 1,67 kW

Réponse

Pel = 1,67 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 32,35 kW

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

Vitesse

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (45 + 6)·0,3305 = 16,86 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 12 + 16,86 = 28,86 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·28,86/0,7 = 32,35 kW

Réponse

Pshaft = 32,35 kW

Ceci est un support d’entraînement indépendant. ExamProblems n’est ni affilié à l’organisme qui organise cet examen ni approuvé par lui, et le nom de l’examen sert uniquement à décrire le contenu. Le FE exam est organisé par NCEES, qui n’est pas affilié à ExamProblems et ne le cautionne pas.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical