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 1250 kg/h · 5% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 35% sucreProduit15% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 15 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2600 kg/h · 15% selProduit P40% 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 = 2600 kg/hxF = 15 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C60 °Ceau · 10 °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 = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 120 °C60 °Ceau · 10 °C35 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du mélange glycolé 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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Ct: 10 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
50 g de HeV = 30 LT = 0 °CP = ?

Un réservoir de 30 L contient 50 g de He à 0 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 50 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 900 kPaT = 160 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de He à 900 kPa et 160 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 900 kPaT = 160 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

10 g de Al et 80 g de Cl2 réagissent selon 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quelle masse m de AlCl3 peut se former ?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Dans la réaction C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 20 g de C3H8 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 37,12 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 37,12 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

On introduit 0,2 mol/L de H₂ et 0,2 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,01 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,8 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Plombm = 100 gT = 130 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Eaum = 150 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en plomb de 100 g (c = 0,129 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 = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 150 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H10 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 10 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 = ?95%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 0,25 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °C0,0555 °C0,171

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,05 min⁻¹ à 40 °C et 0,171 min⁻¹ à 55 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0,171 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 85%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 85 % 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 = 85%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 400 LV = 400 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 400 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 = 400 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT140 °C45 °C50 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 220 kW. Le fluide chaud se refroidit de 140 à 45 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 50 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,8, et U = 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 220 kWF = 0,8U = 500 W/(m²·K)Th: 140 → 45 °CTc: 20 → 50 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT160 °C??30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur de chaleur à contre-courant, les deux fluides ont le même débit de capacité thermique, ṁ·cp = 1,5 kW/K. Le fluide chaud entre à 160 °C et le fluide froid à 30 °C. L’échangeur a A = 1 m² et U = 500 W/(m²·K). Trouvez la température de sortie du fluide chaud Th,out.

Ch = Cc = 1,5 kW/KTh,in = 160 °CTc,in = 30 °CA = 1 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,450 mmLaine minérale, k = 0,04100 mm16 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 50 mm de béton et de 100 mm de laine minérale, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -5 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 16 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Brique, k = 0,7250 mmPolystyrène expansé, k = 0,03525 mmpièce 21 °Cextérieur -8 °CQ̇ = ?

Un mur de 50 mm de brique et 25 mm de polystyrène expansé sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -8 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -8 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,3 m/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,025

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,3 m/s dans une conduite horizontale de 500 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 = 2,3 m/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 400 m, D = 250 mm, f = 0,0182× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 400 m de long, de diamètre intérieur 250 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,018. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 2) 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 60 L/s ?

Q = 60 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 78 m

Lors d’un essai, une pompe débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 78 m tandis que son arbre absorbe 72 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 80 L/sH = 78 mPshaft = 72 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 16 mL = 300 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Une pompe refoule 50 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 16 m plus haut. La conduite mesure 300 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 6 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 50 L/sΔz = 16 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 125 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) = 250·(5 − 15)/(15 − 35) = 125 kg/h

Réponse

ṁ2 = 125 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1625 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 = 2600·15/40 = 975 kg/h

Bilan global

W = F − P = 2600 − 975 = 1625 kg/h

Réponse

W = 1625 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 61,67 °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 = 0,5·3,6·(180 − 60) = 216 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 216/(1·4,18) = 61,67 °C

Réponse

tout = 61,67 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,635 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·3,6·(120 − 60) = 324 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·324 = 275,4 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 275,4/(4,18·25) = 2,635 kg/s

Réponse

ṁc = 2,635 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 945,5 kPa

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

Moles

n = m/M = 50/4,003 = 12,49 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pression

P = nRT/V = 12,49·8,314·273,1/0,03 = 945,5 kPa

Réponse

P = 945,5 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 1 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 = 160 + 273,15 = 433,1 K

Masse volumique

ρ = 900·4,003/(8,314·433,1) = 1 kg/m³

Réponse

ρ = 1 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 49,42 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(Al) = 10/26,98 = 0,3706 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Réactif limitant

0,3706/2 = 0,1853, 1,128/3 = 0,3761 → Al

Masse de produit

n(AlCl3) = 0,1853·2 = 0,3706 mol
m = 0,3706·133,33 = 49,42 g

Réponse

m = 49,42 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 61,99 %

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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
m = 0,4535·3/1·44,01 = 59,88 g

Rendement

Y = 37,12/59,88·100 = 61,99%

Réponse

Y = 61,99%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,04 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

64 = (2x)²/(0,2 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,2 − x = 0,04 mol/L

Réponse

[H2] = 0,04 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,7154 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/(0,8 − x) → x² + 0,01·x − 0,008 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,008))/2 = 0,08458 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,8 − 0,08458 = 0,7154 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,7154 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 22,22 °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

100·0,129·(130 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 20)

Isoler la température finale

Tf = (12,9·130 + 627·20)/(12,9 + 627) = 22,22 °C

Réponse

Tf = 22,22 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 155,5 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 = 10/180,16 = 0,05551 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,05551·2802 = 155,5 kJ

Réponse

q = 155,5 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 76 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).

Concentration finale

CA = 1·(1 − 0,95) = 0,05 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (20 − 1)/0,25 = 76 min

Réponse

t = 76 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 70,04 kJ/mol

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 = 313,1 K, T2 = 328,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,23/(-1,460e-4) = 70036 J/mol
Ea = 70,04 kJ/mol

Réponse

Ea = 70,04 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Réponse

VCSTR/VPFR = 2,987

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 91,35 %

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 = 400/20 = 20 min, kτ = 0,12·20 = 2,4

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,4) = 0,2941
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08651
X = 1 − 0,08651 = 91,35%

Réponse

X = 91,35%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 10,84 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Écarts de température aux extrémités (contre-courant)

À contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 50 = 90 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 20 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 25)/ln(90/25) = 50,74 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 220000/(500·0,8·50,74) = 10,84 m²

Réponse

A = 10,84 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Th,out = 127,5 °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

1,5·(160 − Th,out) = 0,5·(Th,out − 30)
Th,out = (1,5·160 + 0,5·30)/(1,5 + 0,5) = 127,5 °C

Réponse

Th,out = 127,5 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 48,75 kW ; le fluide froid sort à 62,5 °C.

19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 15,7 °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 des couches

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·20) = 0,001786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·20) = 0,125 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1268 = 165,6 W

Température à l’interface

La température baisse de Q̇·R₁ dans la première couche.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 165,6·0,001786 = 15,7 °C

Réponse

Ti = 15,7 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 294,8 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 en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·10) = 0,006944 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·10) = 0,07143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,09837 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-8))/0,09837 = 294,8 W

Réponse

Q̇ = 294,8 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 165,3 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·(500/0,2)·2,3²/(2·9,81) = 16,85 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 = 1000·9,81·16,85 = 165312 Pa = 165,3 kPa

Réponse

Δp = 165,3 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 2,505 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 = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,018·400/0,25 = 28,8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perte de charge totale

hf = 28,8·0,07615 = 2,193 m
hm = 4,1·0,07615 = 0,3122 m
Δz = hf + hm = 2,505 m

Réponse

Δz = 2,505 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 85,02 %

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 = 1000·9,81·0,08·78 = 61,21 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 61,21/72 = 85,02%

Réponse

η = 85,02%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 30,69 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0,408 = 14,69 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 = 16 + 14,69 = 30,69 m

Réponse

H = 30,69 m

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