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 1550 kg/h · 15% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 35% sucreProduit30% sucre

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3700 kg/h · 12% selProduit PP = ? · 45%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 = 3700 kg/hxF = 12 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 160 °C60 °Ceau · 10 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C80 °Ceau · 15 °C55 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du éthanol 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 15 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
190 g de CH₄V = 50 LT = 75 °CP = ?

Un réservoir de 50 L contient 190 g de CH₄ à 75 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 190 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CO₂, M = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 40 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CO₂ à 100 kPa et 40 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 40 °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​)

24 g de C3H8 et 40 g de O2 réagissent selon C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Quelle masse m de CO2 peut se former ?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 8 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 3,2 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 3,2 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 = 50. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,08 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,25 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Plombm = 200 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Eaum = 150 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en plomb de 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) à 140 °C est plongé dans 150 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 15 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 150 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 3H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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)X (%)t = ?90%

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 90 % ? Trouvez t.

k = 0,3 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,0230 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,02 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 60 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 30 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 30 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 25 L/minX = 75%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,4 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 25 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 75 %.

Q = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LV = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 800 L chacun. Le débit d’alimentation est de 50 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 800 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT165 °C65 °C125 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 20 kW. Le fluide chaud se refroidit de 165 à 65 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 125 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 20 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 165 → 65 °CTc: 30 → 125 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT145 °C55 °C74,52 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 145 à 55 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 25 °C. Avec U = 1000 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 145 → 55 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,17100 mmBrique, k = 0,7275 mm16 °C-13 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 100 mm de plaque de plâtre et de 75 mm de brique, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -13 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 16 °CT3 = -13 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Verre, k = 0,96200 mmBrique, k = 0,72100 mmpièce 21 °Cextérieur -6 °CQ̇

Un mur de 200 mm de verre et 100 mm de brique sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -6 °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 6 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,9 m/sD = 300 mmL = 200 mf = 0,025

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,9 m/s dans une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 2,9 m/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 10Δz = 26 mL = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0223× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,022. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 26 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 3 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 10) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 26 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 100 L/sH = 80 m

Une pompe de rendement 65 % débite 100 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 80 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 100 L/sH = 80 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 8 mL = 500 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

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 8 m plus haut. La conduite mesure 500 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 = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 8 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 1650 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) = 550·(15 − 30)/(30 − 35) = 1650 kg/h

Réponse

ṁ2 = 1650 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 986,7 kg/h

Composant traceur : un composant qui traverse sans changement un seul flux (ici le soluté) relie directement les débits. Le bilan global donne ensuite le reste.

Bilan sur le soluté

F·xF = P·xP → P = 3700·12/45 = 986,7 kg/h

Réponse

P = 986,7 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 35,12 °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 = 1,5·2,1·(160 − 60) = 315 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 315/(3·4,18) = 35,12 °C

Réponse

tout = 35,12 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,2627 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·2,44·(120 − 80) = 48,8 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·48,8 = 43,92 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 43,92/(4,18·40) = 0,2627 kg/s

Réponse

ṁc = 0,2627 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 685,7 kPa

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

Moles

n = m/M = 190/16,04 = 11,85 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Pression

P = nRT/V = 11,85·8,314·348,1/0,05 = 685,7 kPa

Réponse

P = 685,7 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 1,69 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 = 40 + 273,15 = 313,1 K

Masse volumique

ρ = 100·44,01/(8,314·313,1) = 1,69 kg/m³

Réponse

ρ = 1,69 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 33,01 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(C3H8) = 24/44,1 = 0,5442 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

0,5442/1 = 0,5442, 1,25/5 = 0,25 → O2

Masse de produit

n(CO2) = 0,25·3 = 0,75 mol
m = 0,75·44,01 = 33,01 g

Réponse

m = 33,01 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 90,97 %

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) = 8/100,09 = 0,07993 mol
m = 0,07993·1/1·44,01 = 3,518 g

Rendement

Y = 3,2/3,518·100 = 90,97%

Réponse

Y = 90,97%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,1764 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

50 = (2x)²/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

7,071 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,071/(2 + 7,071) = 0,6236 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,8 − x = 0,1764 mol/L

Réponse

[H2] = 0,1764 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,143 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

0,08 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,08·x − 0,02 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,02))/2 = 0,107 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,25 − 0,107 = 0,143 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,143 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 19,94 °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

200·0,129·(140 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 15)

Isoler la température finale

Tf = (25,8·140 + 627·15)/(25,8 + 627) = 19,94 °C

Réponse

Tf = 19,94 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1367 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

Réponse

ΔH° = −1367 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 7,675 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 = 0,1

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,3 = 7,675 min

Réponse

t = 7,675 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,04505 min⁻¹

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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1) = 0,8121
k2 = 0,02·e0,8121 = 0,04505 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,04505 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 86,64 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 − 0,75))/0,4 = 1,386/0,4 = 3,466 min

Volume

V = Q·τ = 25·3,466 = 86,64 L

Réponse

V = 86,64 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 88,27 %

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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0,12·16 = 1,92

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,92) = 0,3425
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1173
X = 1 − 0,1173 = 88,27%

Réponse

X = 88,27%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,5341 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 contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 125 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 30 = 35 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 35)/ln(40/35) = 37,44 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 20000/(1000·37,44) = 0,5341 m²

Réponse

A = 0,5341 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,552 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) = 1,5·2,3·90 = 310,5 kW
Tc,out = 25 + 310,5/(1,5·4,18) = 74,52 °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 = 145 − 74,52 = 70,48 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70,48 − 30)/ln(70,48/30) = 47,39 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 310500/(1000·47,39) = 6,552 m²

Réponse

A = 6,552 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = −8,637 °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) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·6) = 0,01736 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0,1154 = 251,3 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 251,3·0,09804 = −8,637 °C

Réponse

Ti = −8,637 °C
20.Conduction thermique

Réponse: U = 1,934 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·6) = 0,02315 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,08618 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,08618) = 1,934 W/(m²·K)

Réponse

U = 1,934 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 7,144 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) = 2,9²/(2·9,81) = 0,4286 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,3)·2,9²/(2·9,81) = 7,144 m

Réponse

hf = 7,144 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 330 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 = 0,022·150/0,3 = 11
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Équation de l’énergie

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

26 = (11 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·26/23,4) = 4,669 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 4,669·0,07069 = 0,33 m³/s = 330 L/s

Réponse

Q = 330 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 120,7 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 = 1000·9,81·0,1·80 = 78,48 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 78,48/0,65 = 120,7 kW

Réponse

Pshaft = 120,7 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 13,96 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 8)·0,1354 = 5,957 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 = 8 + 5,957 = 13,96 m

Réponse

H = 13,96 m

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