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 1300 kg/h · 40% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 20% 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 = 300 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2300 kg/h · 17% NaOHProduit PP = ? · 30%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 = 2300 kg/hxF = 17 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 140 °C90 °Ceau · 25 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C130 °Ceau · 15 °C60 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
120 g de O₂P = 450 kPaT = 20 °CV = ?

Quel volume V occupent 120 g de O₂ à 450 kPa et 20 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 120 gM = 32 g/molP = 450 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de Ar passe de 300 kPa, 2 L, 20 °C à 300 kPa et 130 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 300 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

4 g de Mg et 20 g de O2 réagissent selon 2Mg + O2 → 2MgO. Quelle masse m de MgO peut se former ?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Dans la réaction 2Na + Cl2 → 2NaCl, 12 g de Na réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 16,78 g de NaCl. Calcule le rendement Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molréel: 16,78 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

On introduit 0,5 mol/L de H₂ et 0,5 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 = 0,5 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,08 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 150 gT = 100 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 100 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 15 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H10 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂réactifs3CO₂ + 4H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 10 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) : C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)X (%)t = ?95%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,08 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,08 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk25 °C0,00245 °C0,00711

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,002 min⁻¹ à 25 °C et 0,00711 min⁻¹ à 45 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,00711 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 25 L/minX = 80%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,3 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 80 %.

Q = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 1000 LQ = 25 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 1000 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 = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT120 °C30 °C60 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 120 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 30 à 60 °C. Le coefficient global d’échange vaut 3000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 120 °Cṁ = 5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 60 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT100 °C75 °C22,56 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 100 à 75 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 10 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 75 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Laine minérale, k = 0,04100 mmPolystyrène expansé, k = 0,035150 mm17 °C-13 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 100 mm de laine minérale et de 150 mm de polystyrène expansé, avec une surface de 10 m². Les faces extérieures sont à 17 °C et -13 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 17 °CT3 = -13 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17250 mmLaine minérale, k = 0,04150 mmpièce 22 °Cextérieur -8 °CQ̇ = ?

Un mur de 250 mm de plaque de plâtre et 150 mm de laine minérale sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -8 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 20 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -8 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2 m/sD = 100 mmL = 150 mf = 0,025

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2 m/s dans une conduite de 150 m de long et de diamètre intérieur 100 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 m/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,0154× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 100 m de long, de diamètre intérieur 200 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,015. 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 = 5) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 50 L/s ?

Q = 50 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 12 m

Une pompe de rendement 75 % débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 12 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 80 L/sH = 12 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 60 L/sΔz = 12 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Une pompe refoule 60 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 150 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 5 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 60 L/sΔz = 12 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 5
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 100 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) = 300·(40 − 35)/(35 − 20) = 100 kg/h

Réponse

ṁ2 = 100 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 1303 kg/h

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

Bilan sur le soluté

F·xF = P·xP → P = 2300·17/30 = 1303 kg/h

Réponse

P = 1303 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 50,12 °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 = 3·2,1·(140 − 90) = 315 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 315/(3·4,18) = 50,12 °C

Réponse

tout = 50,12 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,033 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·3,6·(180 − 130) = 450 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·450 = 382,5 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 382,5/(4,18·45) = 2,033 kg/s

Réponse

ṁc = 2,033 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 20,31 L

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

Moles

n = 120/32 = 3,75 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,75·8,314·293,1/450 = 20,31 L

Réponse

V = 20,31 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 2,75 L

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

Températures absolues

T1 = 293,1 K, T2 = 403,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/300)·(403,1/293,1) = 2,75 L

Réponse

V2 = 2,75 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 6,631 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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Réactif limitant

0,1645/2 = 0,08227, 0,625/1 = 0,625 → Mg

Masse de produit

n(MgO) = 0,08227·2 = 0,1645 mol
m = 0,1645·40,3 = 6,631 g

Réponse

m = 6,631 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 55,01 %

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(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
m = 0,522·2/2·58,44 = 30,5 g

Rendement

Y = 16,78/30,5·100 = 55,01%

Réponse

Y = 55,01%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,125 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/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·6/(2 + 6) = 0,375 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,5 − x = 0,125 mol/L

Réponse

[H2] = 0,125 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,04202 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/(0,1 − x) → x² + 0,08·x − 0,008 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,008))/2 = 0,05798 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,1 − 0,05798 = 0,04202 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,04202 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 17,86 °C

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Bilan thermique

150·0,388·(100 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Isoler la température finale

Tf = (58,2·100 + 1672·15)/(58,2 + 1672) = 17,86 °C

Réponse

Tf = 17,86 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 503,4 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 10/44,1 = 0,2268 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2268·2220 = 503,4 kJ

Réponse

q = 503,4 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 37,45 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 = 0,05

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,08 = 37,45 min

Réponse

t = 37,45 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 50,01 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 = 298,1 K, T2 = 318,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,268/(-2,108e-4) = 50014 J/mol
Ea = 50,01 kJ/mol

Réponse

Ea = 50,01 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 134,1 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 − 0,8))/0,3 = 1,609/0,3 = 5,365 min

Volume

V = Q·τ = 25·5,365 = 134,1 L

Réponse

V = 134,1 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 66,67 %

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 = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,05·40 = 2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66,67%

Réponse

X = 66,67%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 2,825 m²

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 thermique côté eau

Q̇ = 5·4,18·(60 − 30) = 627 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 120 − 30 = 90 K
ΔT₂ = 120 − 60 = 60 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 60)/ln(90/60) = 73,99 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 627000/(3000·73,99) = 2,825 m²

Réponse

A = 2,825 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,739 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) = 1,5·2,1·25 = 78,75 kW
Tc,out = 10 + 78,75/(1,5·4,18) = 22,56 °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 = 100 − 22,56 = 77,44 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 10 = 65 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (77,44 − 65)/ln(77,44/65) = 71,04 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 78750/(1500·71,04) = 0,739 m²

Réponse

A = 0,739 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 5,947 °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)/(0,04·10) = 0,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,6786 = 44,21 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 44,21·0,25 = 5,947 °C

Réponse

Ti = 5,947 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 111,9 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 en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·20) = 0,1875 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,268 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-8))/0,268 = 111,9 W

Réponse

Q̇ = 111,9 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 7,645 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) = 2²/(2·9,81) = 0,2039 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(150/0,1)·2²/(2·9,81) = 7,645 m

Réponse

hf = 7,645 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 1,962 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,015·100/0,2 = 7,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Perte de charge totale

hf = 7,5·0,1291 = 0,9683 m
hm = 7,7·0,1291 = 0,9941 m
Δz = hf + hm = 1,962 m

Réponse

Δz = 1,962 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 12,56 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 = 1000·9,81·0,08·12 = 9,418 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 9,418/0,75 = 12,56 kW

Réponse

Pshaft = 12,56 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 15,02 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11,25 + 5)·0,1859 = 3,021 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 = 12 + 3,021 = 15,02 m

Réponse

H = 15,02 m

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