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 1350 kg/h · 40% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 10% 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 = 350 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3200 kg/h · 8% NaOHProduit P55% 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 = 3200 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 140 °C110 °Ceau · 10 °Ct = ? °C

Du éthanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C90 °Ceau · 20 °C85 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du huile légère 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 = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
280 g de O₂P = 100 kPaT = 30 °CV = ?

Quel volume V occupent 280 g de O₂ à 100 kPa et 30 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 280 gM = 32 g/molP = 100 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 900 kPaT = 170 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CH₄ à 900 kPa et 170 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 16,04 g/molP = 900 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

8 g de Fe2O3 et 20 g de CO réagissent selon Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quelle masse m de CO2 peut se former ?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 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, 16 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 20,69 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 20,69 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 = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,2 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 250 gT = 200 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 22 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 400 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H10 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 3H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 10 g de C2H5OH (M = 46,07 g/mol) : C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)30 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 1 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 30 min.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk50 °Ck1​?4·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 80 kJ/mol. À 50 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 4 fois plus rapide ?

Ea = 80 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 60%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 60 % 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 = 60%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 250 LQ = 100 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 250 L alimenté à 100 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 250 LQ = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT170 °C155 °C20 °C75 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 200 kW. Le fluide chaud se refroidit de 170 à 155 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 75 °C. Le coefficient global d’échange vaut 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 200 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 170 → 155 °CTc: 20 → 75 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT135 °C60 °C?20 °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 135 à 60 °C. L’eau (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 20 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 25 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: 135 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 20 °CD = 25 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Laine minérale, k = 0,04250 mmPolystyrène expansé, k = 0,03525 mm20 °C5 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de laine minérale et de 25 mm de polystyrène expansé, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 20 °C et 5 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 20 °CT3 = 5 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Brique, k = 0,72250 mmLaine minérale, k = 0,0450 mmpièce 22 °Cextérieur 2 °CQ̇

Un mur de 250 mm de brique et 50 mm de laine minérale sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à 2 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 4 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 2 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 120 L/sD = 300 mmL = 50 mf = 0,03

De l’eau s’écoule avec un débit de 120 L/s dans une conduite de 50 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,03 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 120 L/sL = 50 mD = 300 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2sortie libreH = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Une conduite de 150 m de long et de diamètre intérieur 250 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,02) 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), 4 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 80 L/s ?

Q = 80 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 100 L/sH = 30 m

Lors d’un essai, une pompe débite 100 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 30 m tandis que son arbre absorbe 49,1 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 100 L/sH = 30 mPshaft = 49,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
200 kPa (relative)PQ = 100 L/sΔz = 10 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Une pompe refoule 100 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 10 m plus haut. La conduite mesure 400 m de long, a un diamètre intérieur de 250 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 5 (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 200 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 100 L/sΔz = 10 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5ptank = 200 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 70 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) = 350·(40 − 35)/(35 − 10) = 70 kg/h

Réponse

ṁ2 = 70 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 2735 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 = 3200·8/55 = 465,5 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3200 − 465,5 = 2735 kg/h

Réponse

W = 2735 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 45,02 °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 = 3·2,44·(140 − 110) = 219,6 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 219,6/(1,5·4,18) = 45,02 °C

Réponse

tout = 45,02 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,5874 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·2,1·(130 − 90) = 168 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·168 = 159,6 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 159,6/(4,18·65) = 0,5874 kg/s

Réponse

ṁc = 0,5874 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 220,5 L

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

Moles

n = 280/32 = 8,75 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,75·8,314·303,1/100 = 220,5 L

Réponse

V = 220,5 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 3,918 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 = 170 + 273,15 = 443,1 K

Masse volumique

ρ = 900·16,04/(8,314·443,1) = 3,918 kg/m³

Réponse

ρ = 3,918 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 6,614 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(Fe2O3) = 8/159,69 = 0,0501 mol
n(CO) = 20/28,01 = 0,714 mol

Réactif limitant

0,0501/1 = 0,0501, 0,714/3 = 0,238 → Fe2O3

Masse de produit

n(CO2) = 0,0501·3 = 0,1503 mol
m = 0,1503·44,01 = 6,614 g

Réponse

m = 6,614 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 78 %

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) = 16/24,31 = 0,6582 mol
m = 0,6582·2/2·40,3 = 26,52 g

Rendement

Y = 20,69/26,52·100 = 78%

Réponse

Y = 78%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,025 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

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,1 − x = 0,025 mol/L

Réponse

[H2] = 0,025 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,04689 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/(0,2 − x) → x² + 0,5·x − 0,1 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,1))/2 = 0,1531 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,2 − 0,1531 = 0,04689 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,04689 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 33,2 °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

250·0,449·(200 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 22)

Isoler la température finale

Tf = (112,3·200 + 1672·22)/(112,3 + 1672) = 33,2 °C

Réponse

Tf = 33,2 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 296,7 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 10/46,07 = 0,2171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2171·1367 = 296,7 kJ

Réponse

q = 296,7 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,03226 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 + 1·30 = 31 L/mol
CA = 1/31 = 0,03226 mol/L

Réponse

CA = 0,03226 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 65,78 °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 = 323,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(4)/80000 = 3,095 × 10⁻³ − 1,441 × 10⁻⁴ = 2,950 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 338,9 K = 65,78 °C

Réponse

T2 = 65,78 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 1,637

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) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Réponse

VCSTR/VPFR = 1,637

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 20 %

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 = 250/100 = 2,5 min, kτ = 0,1·2,5 = 0,25

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 0,25/(1 + 0,25) = 20%

Réponse

X = 20%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,592 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 = 170 − 20 = 150 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 155 − 75 = 80 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (150 − 80)/ln(150/80) = 111,4 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 200000/(500·111,4) = 3,592 m²

Réponse

A = 3,592 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 24,22 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·(135 − 60) = 51,75 kW
Tc,out = 20 + 51,75/(1,5·4,18) = 28,25 °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 − 28,25 = 106,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 20 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (106,7 − 40)/ln(106,7/40) = 68 K

Surface et longueur

A = 51750/(400·68) = 1,903 m²
L = A/(πD) = 1,903/(π·0,025) = 24,22 m

Réponse

L = 24,22 m
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 32,31 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) = (250/1000)/(0,04·15) = 0,4167 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·15) = 0,04762 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,4643 = 32,31 W

Réponse

Q̇ = 32,31 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,5513 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/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·4) = 0,08681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·4) = 0,3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,4535 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,4535) = 0,5513 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,5513 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 0,7345 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(50/0,3)·1,698²/(2·9,81) = 0,7345 m

Réponse

hf = 0,7345 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 2,261 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·150/0,25 = 12
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

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 + 12 + 3,7)·0,1354 = 2,261 m

Réponse

H = 2,261 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 59,94 %

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 = 1000·9,81·0,1·30 = 29,43 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 29,43/49,1 = 59,94%

Réponse

η = 59,94%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 37,54 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (28,8 + 5)·0,2115 = 7,15 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 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 = 10 + 20,39 + 7,15 = 37,54 m

Réponse

H = 37,54 m

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