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 1650 kg/h · 35% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProduit20% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 20 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2300 kg/h · 20% selProduit P60% 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 = 2300 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 170 °C80 °Ceau · 30 °Ct = ? °C

Du huile légère chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau tout.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 150 °C100 °Ceau · 20 °C75 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 5 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
500 g de HeP = 750 kPaT = 5 °CV = ?

Quel volume V occupent 500 g de He à 750 kPa et 5 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 500 gM = 4,003 g/molP = 750 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de Ar passe de 350 kPa, 20 L, 15 °C à 200 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 200 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

24 g de Na et 40 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Dans la réaction Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 6 g de Fe2O3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 2,6 g de Fe. Calcule le rendement Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molréel: 2,6 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

On introduit 0,1 mol/L de H₂ et 0,1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 64
[HI] = 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​ = ?Zincm = 150 gT = 100 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 100 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 15 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 200 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC6​H12​O6​ + 6O₂réactifs6CO₂ + 6H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)C (mol/L)15 min1,05

Dans une réaction d’ordre 1, la concentration de A passe de 1,5 mol/L à 1,05 mol/L en 15 min. Trouvez la constante de vitesse k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 1,05 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °C0,0280 °C3,7

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,02 min⁻¹ à 40 °C et 3,7 min⁻¹ à 80 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 3,7 min⁻¹T2 = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 50%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 50 % 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 = 50%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 250 LV = 250 LQ = 5 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,15 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 250 L chacun. Le débit d’alimentation est de 5 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 250 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT95 °C75 °C10 °C30 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 290 kW. Le fluide chaud se refroidit de 95 à 75 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 30 °C. Le coefficient global d’échange vaut 200 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 290 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 95 → 75 °CTc: 10 → 30 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT85 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur de chaleur à contre-courant, les deux fluides ont le même débit de capacité thermique, ṁ·cp = 1 kW/K. Le fluide chaud entre à 85 °C et le fluide froid à 25 °C. L’échangeur a A = 6 m² et U = 200 W/(m²·K). Trouvez la température de sortie du fluide chaud Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 85 °CTc,in = 25 °CA = 6 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Laine minérale, k = 0,04200 mmBois, k = 0,17150 mm16 °C-8 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 200 mm de laine minérale et de 150 mm de bois, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 16 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Bois, k = 0,1750 mmLaine minérale, k = 0,0450 mmpièce 20 °Cextérieur -1 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 50 mm de bois et 50 mm de laine minérale 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 15 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,2 m/sD = 75 mmL = 1000 mf = 0,015

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,2 m/s dans une conduite de 1000 m de long et de diamètre intérieur 75 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 2,2 m/sL = 1000 mD = 75 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2sortie libreH = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,0152× coude (K = 0,3)

Une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 200 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,015) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 2). Prenez g = 9,81 m/s². De combien H la surface du réservoir doit-elle être au-dessus de la sortie de la conduite pour un débit de 60 L/s ?

Q = 60 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 30 L/sH = 80 m

Une pompe débite 30 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 80 m. Le rendement de la pompe est de 60 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 92 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 30 L/sH = 80 mηpump = 60%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
300 kPa (relative)PQ = 50 L/sΔz = 18 mL = 100 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 18 m plus haut. La conduite mesure 100 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. 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 = 18 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 300 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 1950 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) = 650·(35 − 20)/(20 − 15) = 1950 kg/h

Réponse

ṁ2 = 1950 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1533 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 = 2300·20/60 = 766,7 kg/h

Bilan global

W = F − P = 2300 − 766,7 = 1533 kg/h

Réponse

W = 1533 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 86,52 °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 = 2,5·2,1·(170 − 80) = 472,5 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 472,5/(2·4,18) = 86,52 °C

Réponse

tout = 86,52 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,512 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·2,44·(150 − 100) = 366 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·55) = 1,512 kg/s

Réponse

ṁc = 1,512 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 385,1 L

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

Moles

n = 500/4,003 = 124,9 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Volume

V = nRT/P = 124,9·8,314·278,1/750 = 385,1 L

Réponse

V = 385,1 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 58,69 L

Loi combinée des gaz : pour une quantité fixe de gaz parfait, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Températures absolues

T1 = 288,1 K, T2 = 483,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/200)·(483,1/288,1) = 58,69 L

Réponse

V2 = 58,69 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 61,01 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) = 24/22,99 = 1,044 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol

Réactif limitant

1,044/2 = 0,522, 0,5642/1 = 0,5642 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,522·2 = 1,044 mol
m = 1,044·58,44 = 61,01 g

Réponse

m = 61,01 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 61,95 %

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(Fe2O3) = 6/159,69 = 0,03757 mol
m = 0,03757·2/1·55,85 = 4,197 g

Rendement

Y = 2,6/4,197·100 = 61,95%

Réponse

Y = 61,95%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,16 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/(0,1 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·8/(2 + 8) = 0,08 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,16 mol/L

Réponse

[HI] = 0,16 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 = 20,53 °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·(100 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 15)

Isoler la température finale

Tf = (58,2·100 + 836·15)/(58,2 + 836) = 20,53 °C

Réponse

Tf = 20,53 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −2802 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

Réponse

ΔH° = −2802 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: k = 0,02378 min⁻¹

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).

Loi intégrée d’ordre 1

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/1,05)/15 = 0,3567/15 = 0,02378 min⁻¹

Réponse

k = 0,02378 min⁻¹
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 120 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 = 353,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·5,22/(-3,617e-4) = 119995 J/mol
Ea = 120 kJ/mol

Réponse

Ea = 120 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 1,443

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) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443

Réponse

VCSTR/VPFR = 1,443

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 98,62 %

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 = 250/5 = 50 min, kτ = 0,15·50 = 7,5

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 7,5) = 0,1176
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01384
X = 1 − 0,01384 = 98,62%

Réponse

X = 98,62%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 23,05 m²

Méthode DTLM : l’écart de température entre les fluides varie le long de l’échangeur, donc l’équation utilise sa moyenne logarithmique : Q̇ = U·A·ΔTlm, avec ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔTlm plus grand que le co-courant pour les mêmes températures d’entrée et de sortie.

Écarts de température aux extrémités

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 95 − 10 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 30 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 45)/ln(85/45) = 62,89 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 290000/(200·62,89) = 23,05 m²

Réponse

A = 23,05 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Th,out = 52,27 °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·(85 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 25)
Th,out = (1·85 + 1,2·25)/(1 + 1,2) = 52,27 °C

Réponse

Th,out = 52,27 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 32,73 kW ; le fluide froid sort à 57,73 °C.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 61,2 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) = (200/1000)/(0,04·15) = 0,3333 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,3922 = 61,2 W

Réponse

Q̇ = 61,2 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 18,41 °C

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

Résistances en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·15) = 0,008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·15) = 0,08333 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,1143 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-1))/0,1143 = 183,8 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 183,8·0,008658 = 18,41 °C

Réponse

Ts = 18,41 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 49,34 m

Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,2²/(2·9,81) = 0,2467 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,075)·2,2²/(2·9,81) = 49,34 m

Réponse

hf = 49,34 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 2,157 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·100/0,2 = 7,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1

Équation de l’énergie

Le jet de sortie emporte encore sa hauteur cinétique ; ce n’est pas une perte, mais elle doit être fournie.

H = (1 + 7,5 + 3,1)·0,1859 = 2,157 m

Réponse

H = 2,157 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 42,65 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 = 1000·9,81·0,03·80 = 23,54 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 23,54/0,6 = 39,24 kW

Puissance électrique

Pel = 39,24/0,92 = 42,65 kW

Réponse

Pel = 42,65 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 55,11 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) = (10 + 6)·0,408 = 6,529 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 = 18 + 30,58 + 6,529 = 55,11 m

Réponse

H = 55,11 m

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