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 1250 kg/h · 20% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 40% 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 = 250 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2200 kg/h · 11% sucreProduit P45% sucreVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 2200 kg/hxF = 11 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 160 °C70 °Ceau · 15 °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: 160 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 150 °C80 °Ceau · 15 °C65 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 15 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
480 g de CH₄V = 20 LT = 80 °CP = ?

Un réservoir de 20 L contient 480 g de CH₄ à 80 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 480 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 100 kPa, 20 L, 40 °C à 500 kPa et 70 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 500 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

20 g de N2 et 16 g de H2 réagissent selon N2 + 3H2 → 2NH3. Quelle masse m de NH3 peut se former ?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Dans la réaction C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 10 g de C6H12O6 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 3,58 g de C2H5OH. Calcule le rendement Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molréel: 3,58 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

On introduit 0,25 mol/L de H₂ et 0,25 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 54. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,02 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 = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 100 gT = 140 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 100 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 140 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 24 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 250 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H50 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂réactifs6CO₂ + 6H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 50 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) : C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)40 min0,35

Dans une réaction d’ordre 1, la concentration de A passe de 0,5 mol/L à 0,35 mol/L en 40 min. Trouvez la constante de vitesse k.

CA0 = 0,5 mol/LCA = 0,35 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,00540 °C0,0313

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,005 min⁻¹ à 20 °C et 0,0313 min⁻¹ à 40 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0313 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 80 L/minX = 50%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 80 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 50 %.

Q = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LV = 800 LQ = 40 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 40 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 = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT115 °C50 °C65 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 20 kW. Le fluide chaud se refroidit de 115 à 50 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 65 °C. Le coefficient global d’échange vaut 200 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 20 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 115 → 50 °CTc: 30 → 65 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT180 °C70 °C73,86 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 180 à 70 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 30 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Laine minérale, k = 0,0450 mmBrique, k = 0,7225 mm21 °C-15 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 50 mm de laine minérale et de 25 mm de brique, avec une surface de 10 m². Les faces extérieures sont à 21 °C et -15 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 21 °CT3 = -15 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,04250 mmPlaque de plâtre, k = 0,1725 mmpièce 20 °Cextérieur 1 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 250 mm de laine minérale et 25 mm de plaque de plâtre sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à 1 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 8 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 1 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 120 L/sD = 250 mmL = 400 mf = 0,03

De l’eau s’écoule avec un débit de 120 L/s dans une conduite de 400 m de long et de diamètre intérieur 250 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 = 400 mD = 250 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 19 mL = 500 m, D = 300 mm, f = 0,0184× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 500 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,018. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 19 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 2) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 19 mL = 500 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 15 L/sH = 70 m

Une pompe débite 15 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 70 m. Le rendement de la pompe est de 78 % 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 = 15 L/sH = 70 mηpump = 78%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 11 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Une pompe refoule 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 11 m plus haut. La conduite mesure 400 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 78 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 40 L/sΔz = 11 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 78%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 83,33 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) = 250·(20 − 25)/(25 − 40) = 83,33 kg/h

Réponse

ṁ2 = 83,33 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1662 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 = 2200·11/45 = 537,8 kg/h

Bilan global

W = F − P = 2200 − 537,8 = 1662 kg/h

Réponse

W = 1662 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 71,52 °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·(160 − 70) = 472,5 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 472,5/(2·4,18) = 71,52 °C

Réponse

tout = 71,52 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,025 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·3,6·(150 − 80) = 252 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·252 = 214,2 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 214,2/(4,18·50) = 1,025 kg/s

Réponse

ṁc = 1,025 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 4393 kPa

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

Moles

n = m/M = 480/16,04 = 29,93 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Pression

P = nRT/V = 29,93·8,314·353,1/0,02 = 4393 kPa

Réponse

P = 4393 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 4,383 L

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

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 343,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/500)·(343,1/313,1) = 4,383 L

Réponse

V2 = 4,383 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 24,31 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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
n(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol

Réactif limitant

0,7138/1 = 0,7138, 7,937/3 = 2,646 → N2

Masse de produit

n(NH3) = 0,7138·2 = 1,428 mol
m = 1,428·17,03 = 24,31 g

Réponse

m = 24,31 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 70 %

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(C6H12O6) = 10/180,16 = 0,05551 mol
m = 0,05551·2/1·46,07 = 5,114 g

Rendement

Y = 3,58/5,114·100 = 70%

Réponse

Y = 70%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,393 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/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,393 mol/L

Réponse

[HI] = 0,393 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,146 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

0,02 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,2 − 0,05403 = 0,146 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,146 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 28,78 °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·(140 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 24)

Isoler la température finale

Tf = (44,9·140 + 1045·24)/(44,9 + 1045) = 28,78 °C

Réponse

Tf = 28,78 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 777,6 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

Chaleur pour la masse donnée

n = 50/180,16 = 0,2775 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2775·2802 = 777,6 kJ

Réponse

q = 777,6 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: k = 0,008917 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(0,5/0,35)/40 = 0,3567/40 = 0,008917 min⁻¹

Réponse

k = 0,008917 min⁻¹
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 69,99 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 = 293,1 K, T2 = 313,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,834/(-2,179e-4) = 69995 J/mol
Ea = 69,99 kJ/mol

Réponse

Ea = 69,99 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 138,6 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 − 0,5))/0,4 = 0,6931/0,4 = 1,733 min

Volume

V = Q·τ = 80·1,733 = 138,6 L

Réponse

V = 138,6 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 91,35 %

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 = 800/40 = 20 min, kτ = 0,12·20 = 2,4

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,4) = 0,2941
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08651
X = 1 − 0,08651 = 91,35%

Réponse

X = 91,35%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,054 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 = 115 − 65 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 30 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 20)/ln(50/20) = 32,74 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 20000/(200·32,74) = 3,054 m²

Réponse

A = 3,054 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 10,14 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) = 2·2,5·110 = 550 kW
Tc,out = 30 + 550/(3·4,18) = 73,86 °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 = 180 − 73,86 = 106,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 30 = 40 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (106,1 − 40)/ln(106,1/40) = 67,77 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 550000/(800·67,77) = 10,14 m²

Réponse

A = 10,14 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = −14,03 °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) = (50/1000)/(0,04·10) = 0,125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·10) = 0,003472 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,1285 = 280,2 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 280,2·0,125 = −14,03 °C

Réponse

Ti = −14,03 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 19,64 °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/(8·8) = 0,01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·8) = 0,7813 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,8203 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (1))/0,8203 = 23,16 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 23,16·0,01563 = 19,64 °C

Réponse

Ts = 19,64 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 14,62 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,445²/(2·9,81) = 0,3046 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(400/0,25)·2,445²/(2·9,81) = 14,62 m

Réponse

hf = 14,62 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 231,7 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 = 0,018·500/0,3 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Équation de l’énergie

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

19 = (30 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·19/34,7) = 3,278 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 3,278·0,07069 = 0,2317 m³/s = 231,7 L/s

Réponse

Q = 231,7 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 14,35 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 = 1000·9,81·0,015·70 = 10,3 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 10,3/0,78 = 13,21 kW

Puissance électrique

Pel = 13,21/0,92 = 14,35 kW

Réponse

Pel = 14,35 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 14,29 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.

Vitesse

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (58,67 + 8)·0,2611 = 17,41 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 11 + 17,41 = 28,41 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·28,41/0,78 = 14,29 kW

Réponse

Pshaft = 14,29 kW

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