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 1700 kg/h · 40% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 15% sucreProduit35% sucre

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

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4800 kg/h · 9% NaOHProduit P30% NaOHVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 4800 kg/hxF = 9 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 140 °C80 °Ceau · 20 °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: 140 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 150 °C90 °Ceau · 10 °C60 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du huile légère chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % 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: 150 → 90 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
180 g de HeP = 100 kPaT = 0 °CV = ?

Quel volume V occupent 180 g de He à 100 kPa et 0 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 180 gM = 4,003 g/molP = 100 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
O₂, M = 32 g/molP = 750 kPaT = 60 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de O₂ à 750 kPa et 60 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 32 g/molP = 750 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 et 40 g de O2 réagissent selon 2H2 + O2 → 2H2O. Quelle masse m de H2O peut se former ?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Dans la réaction 2Mg + O2 → 2MgO, 30 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 42,27 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 42,27 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

On introduit 0,5 mol/L de H₂ et 0,5 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 54. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 150 gT = 140 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 100 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 140 °C est plongé dans 100 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 24 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 100 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H25 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 25 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)X (%)t = ?60%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,3 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 60 % ? Trouvez t.

k = 0,3 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °Ck1​?10·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 75 kJ/mol. À 40 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 10 fois plus rapide ?

Ea = 75 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 90%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 90 % 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 = 90%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,2 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 L alimenté à 5 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT95 °C70 °C30 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 550 kW. Le fluide chaud se refroidit de 95 à 70 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 30 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,88, et U = 200 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 550 kWF = 0,88U = 200 W/(m²·K)Th: 95 → 70 °CTc: 15 → 30 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT95 °C50 °C?25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur à tubes concentriques à contre-courant, de l’huile chaude (0,3 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) circule dans le tube intérieur et se refroidit de 95 à 50 °C. L’eau (0,3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 25 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 50 mm, et U = 400 W/(m²·K) est rapporté à ce diamètre. Trouvez la longueur de tube L nécessaire.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 95 → 50 °Cṁc = 0,3 kg/sTc,in = 25 °CD = 50 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Verre, k = 0,96250 mmLaine minérale, k = 0,0425 mm19 °C-2 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 250 mm de verre et de 25 mm de laine minérale, avec une surface de 12 m². Les faces extérieures sont à 19 °C et -2 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 19 °CT3 = -2 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,04200 mmBéton, k = 1,425 mmpièce 20 °Cextérieur -1 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de laine minérale et 25 mm de béton sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -1 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 20 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 15 L/sD = 150 mmL = 300 mf = 0,015

De l’eau s’écoule avec un débit de 15 L/s dans une conduite de 300 m de long et de diamètre intérieur 150 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.

Q = 15 L/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,024× 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 = 0,02. 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 = 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 120 L/s ?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 100 L/sH = 24 m

Une pompe de rendement 80 % débite 100 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 24 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 100 L/sH = 24 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
300 kPa (relative)PQ = 50 L/sΔz = 11 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 3

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 11 m plus haut. La conduite mesure 200 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 3 (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 300 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 50 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 3ptank = 300 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 175 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) = 700·(40 − 35)/(35 − 15) = 175 kg/h

Réponse

ṁ2 = 175 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 3360 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 = 4800·9/30 = 1440 kg/h

Bilan global

W = F − P = 4800 − 1440 = 3360 kg/h

Réponse

W = 3360 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 45,84 °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·(140 − 80) = 108 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 108/(1·4,18) = 45,84 °C

Réponse

tout = 45,84 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,5426 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,1·(150 − 90) = 126 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·126 = 113,4 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 113,4/(4,18·50) = 0,5426 kg/s

Réponse

ṁc = 0,5426 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 1021 L

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

Moles

n = 180/4,003 = 44,97 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 44,97·8,314·273,1/100 = 1021 L

Réponse

V = 1021 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 8,665 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Masse volumique

ρ = 750·32/(8,314·333,1) = 8,665 kg/m³

Réponse

ρ = 8,665 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 45,05 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(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

5,952/2 = 2,976, 1,25/1 = 1,25 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 1,25·2 = 2,5 mol
m = 2,5·18,02 = 45,05 g

Réponse

m = 45,05 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 84,99 %

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(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol
m = 1,234·2/2·40,3 = 49,73 g

Rendement

Y = 42,27/49,73·100 = 84,99%

Réponse

Y = 84,99%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,7861 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

54 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

7,348 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,348/(2 + 7,348) = 0,393 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,7861 mol/L

Réponse

[HI] = 0,7861 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,5 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

0,5 = x²/(1 − x) → x² + 0,5·x − 0,5 = 0

Résoudre l’équation du second degré

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

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 1 − 0,5 = 0,5 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,5 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 40,1 °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

150·0,449·(140 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 24)

Isoler la température finale

Tf = (67,35·140 + 418·24)/(67,35 + 418) = 40,1 °C

Réponse

Tf = 40,1 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 1238 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 = 25/58,12 = 0,4301 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,4301·2877 = 1238 kJ

Réponse

q = 1238 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 3,054 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 = 0,4

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,3 = 3,054 min

Réponse

t = 3,054 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 67,21 °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 = 313,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(10)/75000 = 3,193 × 10⁻³ − 2,552 × 10⁻⁴ = 2,938 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 340,4 K = 67,21 °C

Réponse

T2 = 67,21 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 3,909

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) = 0,9/0,1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2,303

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 9/2,303 = 3,909

Réponse

VCSTR/VPFR = 3,909

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 96,97 %

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 = 800/5 = 160 min, kτ = 0,2·160 = 32

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 32/(1 + 32) = 96,97%

Réponse

X = 96,97%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 52,2 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 = 95 − 30 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 15 = 55 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 55)/ln(65/55) = 59,86 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 550000/(200·0,88·59,86) = 52,2 m²

Réponse

A = 52,2 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 14,48 m

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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = 0,3·2,3·(95 − 50) = 31,05 kW
Tc,out = 25 + 31,05/(0,3·4,18) = 49,76 °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 = 95 − 49,76 = 45,24 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45,24 − 25)/ln(45,24/25) = 34,13 K

Surface et longueur

A = 31050/(400·34,13) = 2,275 m²
L = A/(πD) = 2,275/(π·0,05) = 14,48 m

Réponse

L = 14,48 m
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 12,82 °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) = (250/1000)/(0,96·12) = 0,0217 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·12) = 0,05208 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,07378 = 284,6 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 284,6·0,0217 = 12,82 °C

Réponse

Ti = 12,82 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 80,96 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/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·20) = 0,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·20) = 0,0008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,2594 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-1))/0,2594 = 80,96 W

Réponse

Q̇ = 80,96 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 1,102 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,015/0,01767 = 0,8488 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 0,8488²/(2·9,81) = 0,03672 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(300/0,15)·0,8488²/(2·9,81) = 1,102 m

Réponse

hf = 1,102 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 2,649 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·200/0,3 = 13,33
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perte de charge totale

hf = 13,33·0,1469 = 1,959 m
hm = 4,7·0,1469 = 0,6904 m
Δz = hf + hm = 2,649 m

Réponse

Δz = 2,649 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 29,43 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 = 1000·9,81·0,1·24 = 23,54 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 23,54/0,8 = 29,43 kW

Réponse

Pshaft = 29,43 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 52,6 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) = (24 + 3)·0,408 = 11,02 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont pratiquement au repos ; il n’y a donc pas de terme de hauteur cinétique.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 11 + 30,58 + 11,02 = 52,6 m

Réponse

H = 52,6 m

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