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·x_F = P·x_P, W = F − P

Bilan d’énergie

Chaleur sensible: Q = ṁ·c_p·ΔT
Chaleur latente: Q = ṁ·h_fg
Mélange: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Eau: c_p ≈ 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

Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.

Équilibre chimique

Constante d’équilibre: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tableau ICE: Initial, Changement (×coefficient), Équilibre
Équation du second degré: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Méthode

Écrivez K_c avec les produits au numérateur et les réactifs au dénominateur, chacun élevé à la puissance de son coefficient.
Dressez un tableau d’avancement : état initial, variation (par pas de x fois les coefficients), équilibre.
Remplacez les expressions à l’équilibre dans K_c et résolvez pour x.
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(C_A/C_A0) = −kt
Demi-vie (ordre 1): t_½ = ln 2/k
Ordre 2: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Deux températures: ln(k₂/k₁) = (E_a/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)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
RP, premier ordre: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·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 + kτ_i)^N

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Puissance échangée: Q = U·A·ΔT_lm
Différence de température logarithmique moyenne (DTLM): ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Bilan d’un fluide: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Conduction thermique

Loi de Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction: R = L/(kA)
Résistance de convection: R = 1/(hA)
Résistances en série: Q̇ = ΔT_total/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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K: entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre: P_shaft = P_h/η_pump
Puissance électrique: P_el = P_shaft/η_motor
Hauteur manométrique de la pompe: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Pertes du réseau: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercices

1.Bilan matièreMoyen

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 35 % de sucre ? Trouvez ṁ₂.

ṁ₁ = 300 kg/hx₁ = 45 %x₂ = 10 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Bilan matièreDifficile

Un évaporateur concentre une solution de sucre en évaporant de l’eau pure. Trouvez le débit de produit P en kg/h.

F = 2500 kg/hx_F = 11 %x_P = 30 %

P = kg/h

3.Bilan d’énergieMoyen

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

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du mélange glycolé 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 ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 90 °Ct: 30 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Loi des gaz parfaitsMoyen

Un réservoir de 50 L contient 400 g de He à 100 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 400 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de Ar à 500 kPa et 200 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 39,95 g/molP = 500 kPaT = 200 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StœchiométrieMoyen

16 g de Mg et 10 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

Dans la réaction CaCO₃ → CaO + CO₂, 30 g de CaCO₃ réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 14,29 g de CaO. Calcule le rendement Y.

M(CaCO₃) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molréel: 14,29 g

Y = %

9.Équilibre chimiqueMoyen

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 K_c = 25. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 25

[HI] = mol/L

10.Équilibre chimiqueDifficile

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec K_c = 0,5 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,25 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,5

[PCl₅] = mol/L

11.Calorimétrie et enthalpieMoyen

Un bloc en plomb de 75 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 100 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 18 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 100 °Cm_water = 250 gT_water = 18 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimétrie et enthalpieDifficile

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH₃OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Cinétique chimiqueMoyen

Une réaction d’ordre 0 a k = 0,05 mol/(L·min) et part de 0,8 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 60 % ? Trouvez t.

k = 0,05 mol/(L·min)C_A0 = 0,8 mol/LX = 60 %

t = min

14.Cinétique chimiqueDifficile

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,02 min⁻¹ à 40 °C et 0,0583 min⁻¹ à 50 °C. Trouvez l’énergie d’activation E_a.

k₁ = 0,02 min⁻¹T₁ = 40 °Ck₂ = 0,0583 min⁻¹T₂ = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,4 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 250 L. L’alimentation entre à 25 L/min avec C_A0 = 0,5 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie C_A.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹C_A0 = 0,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 1500 L alimenté à 10 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 1500 LQ = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹

X = %

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen

Un échangeur à contre-courant transfère 300 kW. Le fluide chaud se refroidit de 110 à 70 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 80 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 300 kWU = 1500 W/(m²·K)T_h: 110 → 70 °CT_c: 15 → 80 °C

A = m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile

De l’huile chaude (1 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 90 à 55 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 25 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 90 → 55 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 1500 W/(m²·K)

A = m²

19.Conduction thermiqueMoyen

Un mur est composé de 50 mm de bois et de 50 mm de laine minérale, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -3 °C. Trouvez la température T_i à l’interface entre les deux couches.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 24 °CT₃ = -3 °C

T_i = °C

20.Conduction thermiqueDifficile

Un mur de 150 mm de polystyrène expansé et 50 mm de verre sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -13 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 15 m². Trouvez la température T_s de la face intérieure du mur.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -13 °C

T_s = °C

21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 0,9 m/s dans une conduite de 500 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement h_f.

V = 0,9 m/sL = 500 mD = 50 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 100 m de long, de diamètre intérieur 250 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,022. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 34 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 10) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 34 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompes et puissance de pompageMoyen

Une pompe débite 100 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 32 m. Le rendement de la pompe est de 78 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 95 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique P_el absorbée par le moteur, en kW.

Q = 100 L/sH = 32 mη_pump = 78%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompes et puissance de pompageDifficile

Une pompe refoule 75 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 23 m plus haut. La conduite mesure 100 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 réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 100 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 75 L/sΔz = 23 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6p_tank = 100 kPa

H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ₂ = 120 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) = 300·(45 − 35)/(35 − 10) = 120 kg/h

Réponse

ṁ₂ = 120 kg/h

2.Bilan matière

Réponse: P = 916,7 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·x_F = P·x_P → P = 2500·11/30 = 916,7 kg/h

Réponse

P = 916,7 kg/h

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 22,92 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 0,5·3,6·(170 − 80) = 162 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 162/(3·4,18) = 22,92 °C

Réponse

t_out = 22,92 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 0,6136 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 0,5·3,6·(180 − 90) = 162 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,05)·162 = 153,9 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 153,9/(4,18·60) = 0,6136 kg/s

Réponse

ṁ_c = 0,6136 kg/s

5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 6200 kPa

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

Moles

n = m/M = 400/4,003 = 99,93 mol

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Pression

P = nRT/V = 99,93·8,314·373,1/0,05 = 6200 kPa

Réponse

P = 6200 kPa

6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 5,078 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 = 200 + 273,15 = 473,1 K

Masse volumique

ρ = 500·39,95/(8,314·473,1) = 5,078 kg/m³

Réponse

ρ = 5,078 kg/m³

7.Stœchiométrie

Réponse: m = 25,19 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) = 16/24,31 = 0,6582 mol

n(O₂) = 10/32 = 0,3125 mol

Réactif limitant

0,6582/2 = 0,3291, 0,3125/1 = 0,3125 → O₂

Masse de produit

n(MgO) = 0,3125·2 = 0,625 mol

m = 0,625·40,3 = 25,19 g

Réponse

m = 25,19 g

8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 85,01 %

Rendement théorique

n(CaCO₃) = 30/100,09 = 0,2997 mol

m = 0,2997·1/1·56,08 = 16,81 g

Rendement

Y = 14,29/16,81·100 = 85,01%

Réponse

Y = 85,01%

9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,5714 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est K_c = [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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,5714 mol/L

Réponse

[HI] = 0,5714 mol/L

10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl₅] = 0,06699 mol/L

Expression à l’équilibre

0,5 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,5·x − 0,125 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,125))/2 = 0,183 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,25 − 0,183 = 0,06699 mol/L

Réponse

[PCl₅] = 0,06699 mol/L

11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: T_f = 18,75 °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

75·0,129·(100 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 18)

Isoler la température finale

T_f = (9,675·100 + 1045·18)/(9,675 + 1045) = 18,75 °C

Réponse

T_f = 18,75 °C

12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1453 kJ

Enthalpie de réaction

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Réponse

ΔH° = −1453 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 9,6 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

C_A0·X = 0,8·0,6 = 0,48 mol/L

Durée

t = C_A0·X/k = 0,48/0,05 = 9,6 min

Réponse

t = 9,6 min

14.Cinétique chimique

Réponse: E_a = 90,01 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 = 323,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·1,07/(-9,882e-5) = 90011 J/mol

E_a = 90,01 kJ/mol

Réponse

E_a = 90,01 kJ/mol

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: C_A = 0,009158 mol/L

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(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 C_A = C_A0·e^−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

Temps de passage

τ = V/Q = 250/25 = 10 min

Concentration de sortie

C_A = 0,5·e^−0,4·10 = 0,009158 mol/L

Réponse

C_A = 0,009158 mol/L

Conversion : X = 98,17%.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 88,24 %

Temps de passage

τ = V/Q = 1500/10 = 150 min, kτ = 0,05·150 = 7,5

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 7,5/(1 + 7,5) = 88,24%

Réponse

X = 88,24%

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 4,849 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·ΔT_lm, avec ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔT_lm 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 = T_h,in − T_c,out = 110 − 80 = 30 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 70 − 15 = 55 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 55)/ln(30/55) = 41,24 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 300000/(1500·41,24) = 4,849 m²

Réponse

A = 4,849 m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,473 m²

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1·2,5·35 = 87,5 kW

T_c,out = 25 + 87,5/(1,5·4,18) = 38,96 °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 = T_h,in − T_c,out = 90 − 38,96 = 51,04 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 25 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (51,04 − 30)/ln(51,04/30) = 39,59 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 87500/(1500·39,59) = 1,473 m²

Réponse

A = 1,473 m²

19.Conduction thermique

Réponse: T_i = 18,86 °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)/(0,17·20) = 0,01471 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,04·20) = 0,0625 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 27/0,07721 = 349,7 W

Température à l’interface

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

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 24 − 349,7·0,01471 = 18,86 °C

Réponse

T_i = 18,86 °C

20.Conduction thermique

Réponse: T_s = 20,24 °C

Résistances en série

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·15) = 0,006667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0,035·15) = 0,2857 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,96·15) = 0,003472 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,2992 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-13))/0,2992 = 113,6 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 113,6·0,006667 = 20,24 °C

Réponse

T_s = 20,24 °C

21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: h_f = 8,257 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières h_m = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = h_f + h_m, perte de sortie K = 1 comprise.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 0,9²/(2·9,81) = 0,04128 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(500/0,05)·0,9²/(2·9,81) = 8,257 m

Réponse

h_f = 8,257 m

22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 273,4 L/s

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,022·100/0,25 = 8,8

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Équation de l’énergie

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; tout Δz est donc perdu dans la conduite.

34 = (8,8 + 12,7)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·34/21,5) = 5,57 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 5,57·0,04909 = 0,2734 m³/s = 273,4 L/s

Réponse

Q = 273,4 L/s

23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_el = 42,36 kW

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : P_shaft = P_h/η_pump, et le moteur absorbe P_el = P_shaft/η_motor. 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

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·32 = 31,39 kW

Puissance sur l’arbre

P_shaft = 31,39/0,78 = 40,25 kW

Puissance électrique

P_el = 40,25/0,95 = 42,36 kW

Réponse

P_el = 42,36 kW

24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 37,55 m

Vitesse

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

Pertes de charge

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 6)·0,2905 = 4,357 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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) + h_L = 23 + 10,19 + 4,357 = 37,55 m

Réponse

H = 37,55 m

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.

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Entraînement à l’examen FE Chemical : pack de révision

1Formules et méthodes

Bilan matière

Bilan d’énergie

Loi des gaz parfaits

Stœchiométrie

Méthode

Équilibre chimique

Méthode

Calorimétrie et enthalpie

Cinétique chimique

Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Conduction thermique

Frottement en conduite et pertes de charge

Pompes et puissance de pompage

2Exercices

3Solutions

Bilans

Isoler ṁ2

Réponse

Bilan sur le soluté

Réponse

Chaleur cédée par le flux chaud

Chaleur reçue par l’eau

Réponse

Chaleur cédée

Chaleur qui atteint l’eau

Débit d’eau

Réponse

Moles

Pression

Réponse

Réarranger la loi des gaz

Masse volumique

Réponse

Moles de chaque réactif

Réactif limitant

Masse de produit

Réponse

Rendement théorique

Rendement

Réponse

Expression à l’équilibre

Prendre la racine carrée

Concentration à l’équilibre

Réponse

Expression à l’équilibre

Résoudre l’équation du second degré

Concentration à l’équilibre

Réponse

Bilan thermique

Isoler la température finale

Réponse

Enthalpie de réaction

Réponse

Quantité convertie

Durée

Réponse

Températures absolues

Isoler Ea dans Arrhenius

Réponse

Temps de passage

Concentration de sortie

Réponse

Temps de passage

Conversion

Réponse

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Résistances des couches

Flux de chaleur

Température à l’interface

Isoler ṁ₂