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 · 5% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduit25% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 25 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4800 kg/h · 19% NaOHProduit PP = ? · 60%Vapeur W (eau pure)0% NaOH

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

F = 4800 kg/hxF = 19 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C130 °Ceau · 25 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 180 °C100 °Ceau · 30 °C65 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
210 g de ArP = 650 kPaT = 60 °CV = ?

Quel volume V occupent 210 g de Ar à 650 kPa et 60 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 210 gM = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CH₄ passe de 150 kPa, 10 L, 15 °C à 500 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 500 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

20 g de Fe2O3 et 48 g de CO réagissent selon Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quelle masse m de Fe peut se former ?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 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, 20 g de Fe2O3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 10,49 g de Fe. Calcule le rendement Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molréel: 10,49 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

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

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 100 gT = 130 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 130 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 16 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 250 gTwater = 16 °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)t½​ = ?C0​/2

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) a k = 0,2 L/(mol·min) et une concentration initiale de 0,8 mol/L. Trouvez sa première demi-vie t½.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk35 °C0,0565 °C0,798

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,05 min⁻¹ à 35 °C et 0,798 min⁻¹ à 65 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,798 min⁻¹T2 = 65 °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
Q = 25 L/minX = ?V = 150 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 150 L alimenté à 25 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 150 LQ = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT125 °C80 °C60 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur de chaleur à contre-courant transfère 220 kW. Sa surface d’échange est de 10 m². Le fluide chaud se refroidit de 125 à 80 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 60 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 220 kWA = 10 m²Th: 125 → 80 °CTc: 20 → 60 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT120 °C60 °C?15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur à tubes concentriques à contre-courant, de l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) circule dans le tube intérieur et se refroidit de 120 à 60 °C. L’eau (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 15 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 25 mm, et U = 200 W/(m²·K) est rapporté à ce diamètre. Trouvez la longueur de tube L nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 15 °CD = 25 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Brique, k = 0,7250 mmPlaque de plâtre, k = 0,1775 mm25 °C4 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 50 mm de brique et de 75 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 25 °C et 4 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17200 mmBrique, k = 0,7250 mmpièce 20 °Cextérieur -8 °CQ̇

Un mur de 200 mm de plaque de plâtre et 50 mm de brique sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -8 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 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 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,1 m/sD = 75 mmL = 100 mf = 0,015

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,1 m/s dans une conduite horizontale de 100 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 chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1,1 m/sL = 100 mD = 75 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5sortie libreH = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0152× coude (K = 0,3)

Une conduite de 150 m de long et de diamètre intérieur 300 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 = 5). 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 120 L/s ?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 62 m

Une pompe de rendement 72 % débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 62 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 80 L/sH = 62 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
400 kPa (relative)PQ = 80 L/sΔz = 12 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,015, 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 12 m plus haut. La conduite mesure 100 m de long, a un diamètre intérieur de 250 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 8 (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 400 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 700 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) = 700·(5 − 25)/(25 − 45) = 700 kg/h

Réponse

ṁ2 = 700 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 1520 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 = 4800·19/60 = 1520 kg/h

Réponse

P = 1520 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 82,42 °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 = 2·3,6·(180 − 130) = 360 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 360/(1,5·4,18) = 82,42 °C

Réponse

tout = 82,42 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,6338 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·2,44·(180 − 100) = 97,6 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·97,6 = 92,72 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 92,72/(4,18·35) = 0,6338 kg/s

Réponse

ṁc = 0,6338 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 22,4 L

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

Moles

n = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,257·8,314·333,1/650 = 22,4 L

Réponse

V = 22,4 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 5,03 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) = 10·(150/500)·(483,1/288,1) = 5,03 L

Réponse

V2 = 5,03 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 13,99 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) = 20/159,69 = 0,1252 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol

Réactif limitant

0,1252/1 = 0,1252, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3

Masse de produit

n(Fe) = 0,1252·2 = 0,2505 mol
m = 0,2505·55,85 = 13,99 g

Réponse

m = 13,99 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 74,98 %

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) = 20/159,69 = 0,1252 mol
m = 0,1252·2/1·55,85 = 13,99 g

Rendement

Y = 10,49/13,99·100 = 74,98%

Réponse

Y = 74,98%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,04279 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/(0,2 − x)²

Prendre la racine carrée

7,348 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,348/(2 + 7,348) = 0,1572 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,2 − x = 0,04279 mol/L

Réponse

[H2] = 0,04279 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,191 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/(0,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,25 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,5 − 0,309 = 0,191 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,191 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 20,7 °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

100·0,449·(130 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 16)

Isoler la température finale

Tf = (44,9·130 + 1045·16)/(44,9 + 1045) = 20,7 °C

Réponse

Tf = 20,7 °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: t½ = 6,25 min

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).

Demi-vie d’ordre 2

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,2·0,8) = 6,25 min

Réponse

t½ = 6,25 min

Chaque demi-vie suivante est deux fois plus longue, car C₀ a été divisée par deux.

14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 79,99 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 = 308,1 K, T2 = 338,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,77/(-2,879e-4) = 79993 J/mol
Ea = 79,99 kJ/mol

Réponse

Ea = 79,99 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 = 25,92 %

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 = 150/25 = 6 min, kτ = 0,05·6 = 0,3

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,3 = 25,92%

Réponse

X = 25,92%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 352,2 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Écarts de température aux extrémités

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 60 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 20 = 60 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 60)/ln(65/60) = 62,47 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 220000/(10·62,47) = 352,2 W/(m²·K)

Réponse

U = 352,2 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 136,7 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 = 1·2,1·(120 − 60) = 126 kW
Tc,out = 15 + 126/(1·4,18) = 45,14 °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 = 120 − 45,14 = 74,86 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 15 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (74,86 − 45)/ln(74,86/45) = 58,67 K

Surface et longueur

A = 126000/(200·58,67) = 10,74 m²
L = A/(πD) = 10,74/(π·0,025) = 136,7 m

Réponse

L = 136,7 m
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 164,5 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) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1277 = 164,5 W

Réponse

Q̇ = 164,5 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,6884 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) = (200/1000)/(0,17·4) = 0,2941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,3631 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,3631) = 0,6884 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,6884 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 12,1 kPa

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.

Perte de charge

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(100/0,075)·1,1²/(2·9,81) = 1,233 m

Chute de pression

La conduite est horizontale et la vitesse ne change pas ; l’équation de l’énergie se réduit donc à Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·1,233 = 12100 Pa = 12,1 kPa

Réponse

Δp = 12,1 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 2,145 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 = 0,015·150/0,3 = 7,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

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 + 6,1)·0,1469 = 2,145 m

Réponse

H = 2,145 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 67,58 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 = 1000·9,81·0,08·62 = 48,66 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 48,66/0,72 = 67,58 kW

Réponse

Pshaft = 67,58 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 54,67 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) = (6 + 8)·0,1354 = 1,895 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 12 + 40,77 + 1,895 = 54,67 m

Réponse

H = 54,67 m

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