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 1600 kg/h · 15% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 50% NaOHProduit30% NaOH

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

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3000 kg/h · 16% selProduit PP = ? · 60%Vapeur W (eau pure)0% sel

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

F = 3000 kg/hxF = 16 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 150 °C110 °Ceau · 25 °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: 150 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 160 °C80 °Ceau · 25 °C75 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du huile légère 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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
100 g de O₂V = 5 LT = 70 °CP = ?

Un réservoir de 5 L contient 100 g de O₂ à 70 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 100 gM = 32 g/molV = 5 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
He, M = 4,003 g/molP = 650 kPaT = 110 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de He à 650 kPa et 110 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 650 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

6 g de Na et 16 g de Cl2 réagissent selon 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quelle masse m de NaCl peut se former ?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 30 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 9,24 g de CaO. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molréel: 9,24 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

On introduit 0,8 mol/L de H₂ et 0,8 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 49. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,05 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 150 gT = 180 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 180 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 17 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 250 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H250 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂réactifs8CO₂ + 10H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 250 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) : 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)C (mol/L)20 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,4 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 20 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
t (min)X (%)20 minX = ?

Une réaction d’ordre 1 a k = 0,005 min⁻¹ à 30 °C et une énergie d’activation de 70 kJ/mol. Le réacteur fermé fonctionne maintenant à 50 °C pendant 20 min. Trouvez le taux de conversion X atteint.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 70 kJ/molT2 = 50 °Ct = 20 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 50 L/minX = 60%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 50 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 60 %.

Q = 50 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 200 LQ = 50 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,15 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 200 L alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT150 °C60 °C15 °C35 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur de chaleur à co-courant transfère 250 kW. Sa surface d’échange est de 10 m². Le fluide chaud se refroidit de 150 à 60 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 35 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 250 kWA = 10 m²Th: 150 → 60 °CTc: 15 → 35 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT135 °C70 °C97,75 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 135 à 70 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 0,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 20 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Verre, k = 0,96150 mmBois, k = 0,1775 mm19 °C-13 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 150 mm de verre et de 75 mm de bois, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 19 °C et -13 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = -13 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Béton, k = 1,4100 mmBrique, k = 0,7275 mmpièce 21 °Cextérieur -5 °CQ̇

Un mur de 100 mm de béton et 75 mm de brique sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -5 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 8 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 60 L/sD = 200 mmL = 100 mf = 0,028

De l’eau s’écoule avec un débit de 60 L/s dans une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 200 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,028 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 60 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 17 mL = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0152× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,015. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 17 m plus haut que celle du réservoir inférieur. 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. Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 17 mL = 200 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 20 L/sH = 54 m

Une pompe de rendement 72 % débite 20 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 54 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 20 L/sH = 54 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 7 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 5

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 7 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 = 0,025 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 5 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 5
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 450 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) = 600·(15 − 30)/(30 − 50) = 450 kg/h

Réponse

ṁ2 = 450 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 800 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 = 3000·16/60 = 800 kg/h

Réponse

P = 800 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 85,29 °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·(150 − 110) = 252 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 252/(1·4,18) = 85,29 °C

Réponse

tout = 85,29 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,6833 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,1·(160 − 80) = 168 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·168 = 142,8 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 142,8/(4,18·50) = 0,6833 kg/s

Réponse

ṁc = 0,6833 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 1783 kPa

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

Moles

n = m/M = 100/32 = 3,125 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Pression

P = nRT/V = 3,125·8,314·343,1/0,005 = 1783 kPa

Réponse

P = 1783 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 0,8168 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 = 650·4,003/(8,314·383,1) = 0,8168 kg/m³

Réponse

ρ = 0,8168 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 15,25 g

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

Moles de chaque réactif

n(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Réactif limitant

0,261/2 = 0,1305, 0,2257/1 = 0,2257 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,1305·2 = 0,261 mol
m = 0,261·58,44 = 15,25 g

Réponse

m = 15,25 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 54,97 %

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(CaCO3) = 30/100,09 = 0,2997 mol
m = 0,2997·1/1·56,08 = 16,81 g

Rendement

Y = 9,24/16,81·100 = 54,97%

Réponse

Y = 54,97%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 1,244 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

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 1,244 mol/L

Réponse

[HI] = 1,244 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,3649 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

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,5 − 0,1351 = 0,3649 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,3649 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 25,6 °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

150·0,388·(180 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 17)

Isoler la température finale

Tf = (58,2·180 + 1045·17)/(58,2 + 1045) = 25,6 °C

Réponse

Tf = 25,6 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 12377 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 250/58,12 = 4,301 mol
q = n·|ΔH°/2| = 4,301·2877 = 12377 kJ

Réponse

q = 12377 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,1111 mol/L

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).

Loi intégrée d’ordre 2

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,4·20 = 9 L/mol
CA = 1/9 = 0,1111 mol/L

Réponse

CA = 0,1111 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: X = 42,76 %

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).

Constante de vitesse à la nouvelle température

T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
k2 = 0,005·e−(70000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 0,02789 min⁻¹

Conversion

X = 1 − e−0,02789·20 = 1 − 0,5724 = 42,76 %

Réponse

X = 42,76 %
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 152,7 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 − 0,6))/0,3 = 0,9163/0,3 = 3,054 min

Volume

V = Q·τ = 50·3,054 = 152,7 L

Réponse

V = 152,7 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 37,5 %

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 = 200/50 = 4 min, kτ = 0,15·4 = 0,6

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 0,6/(1 + 0,6) = 37,5%

Réponse

X = 37,5%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 383,3 W/(m²·K)

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

À co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 150 − 15 = 135 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 60 − 35 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 25)/ln(135/25) = 65,23 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 250000/(10·65,23) = 383,3 W/(m²·K)

Réponse

U = 383,3 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 4,69 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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,5·65 = 162,5 kW
Tc,out = 20 + 162,5/(0,5·4,18) = 97,75 °C

Écarts de température aux extrémités

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 97,75 = 37,25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (37,25 − 50)/ln(37,25/50) = 43,31 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 162500/(800·43,31) = 4,69 m²

Réponse

A = 4,69 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 214,3 W

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·4) = 0,03906 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 32/0,1494 = 214,3 W

Réponse

Q̇ = 214,3 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 2,813 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/(7,7·8) = 0,01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·8) = 0,01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,04443 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,04443) = 2,813 W/(m²·K)

Réponse

U = 2,813 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 2,603 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 moyenne

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,2)·1,91²/(2·9,81) = 2,603 m

Réponse

hf = 2,603 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 343,8 L/s

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.

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·200/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Équation de l’énergie

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

17 = (10 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·17/14,1) = 4,864 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 4,864·0,07069 = 0,3438 m³/s = 343,8 L/s

Réponse

Q = 343,8 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 14,72 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 = 1000·9,81·0,02·54 = 10,59 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 10,59/0,72 = 14,72 kW

Réponse

Pshaft = 14,72 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 12,78 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12,5 + 5)·0,3305 = 5,784 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 = 7 + 5,784 = 12,78 m

Réponse

H = 12,78 m

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