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 · 50% selFlux 2ṁ₂ = ? · 15% selProduit30% sel

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F700 kg/h · 13% selProduit P60% selVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 700 kg/hxF = 13 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C90 °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: 130 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 140 °C70 °Ceau · 10 °C45 °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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Ct: 10 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
310 g de HeV = 30 LT = 80 °CP = ?

Un réservoir de 30 L contient 310 g de He à 80 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 310 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
N₂, M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 150 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de N₂ à 900 kPa et 150 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 150 °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​)

20 g de C3H8 et 48 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(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Dans la réaction 2Na + Cl2 → 2NaCl, 20 g de Na réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 27,96 g de NaCl. Calcule le rendement Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molréel: 27,96 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

On introduit 0,1 mol/L de H₂ et 0,1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 49. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,05 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 = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 100 gT = 150 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 100 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 150 °C est plongé dans 100 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 100 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H2CH3​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 4H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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 = ?80%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 1 L/(mol·min) et part de 2 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 80 % ? Trouvez t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 80 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk30 °C0,00270 °C0,0809

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,002 min⁻¹ à 30 °C et 0,0809 min⁻¹ à 70 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0809 min⁻¹T2 = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 80 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 2000 L, k = 0,05 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 2000 L. L’alimentation entre à 80 L/min avec CA0 = 1 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie CA.

V = 2000 LQ = 80 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 500 LV = 500 LQ = 100 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 500 L chacun. Le débit d’alimentation est de 100 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 500 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT140 °C110 °C90 °C10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 460 kW. Le fluide chaud se refroidit de 140 à 110 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 90 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,92, et U = 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 460 kWF = 0,92U = 1000 W/(m²·K)Th: 140 → 110 °CTc: 10 → 90 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT145 °C60 °C29,23 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 145 à 60 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 15 °C. Avec U = 300 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 145 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035200 mmBois, k = 0,1725 mm24 °C-3 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 200 mm de polystyrène expansé et de 25 mm de bois, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -3 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 24 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,03550 mmVerre, k = 0,96100 mmpièce 22 °Cextérieur -4 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 50 mm de polystyrène expansé et 100 mm de verre sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -4 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 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 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,6 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,022

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,6 m/s dans une conduite de 400 m de long et de diamètre intérieur 100 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 2,6 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2sortie libreH = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0254× coude (K = 0,3)

Une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 200 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,025) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 2). Prenez g = 9,81 m/s². De combien H la surface du réservoir doit-elle être au-dessus de la sortie de la conduite pour un débit de 100 L/s ?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 30 L/sH = 50 m

Lors d’un essai, une pompe débite 30 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 50 m tandis que son arbre absorbe 17,3 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 30 L/sH = 50 mPshaft = 17,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
100 kPa (relative)PQ = 80 L/sΔz = 29 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 6

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 29 m plus haut. La conduite mesure 200 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 = 6 (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 100 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 29 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 100 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 733,3 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
sel: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(50 − 30)/(30 − 15) = 733,3 kg/h

Réponse

ṁ2 = 733,3 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 548,3 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 = 700·13/60 = 151,7 kg/h

Bilan global

W = F − P = 700 − 151,7 = 548,3 kg/h

Réponse

W = 548,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 65,24 °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·(130 − 90) = 210 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 210/(1·4,18) = 65,24 °C

Réponse

tout = 65,24 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,196 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·3,6·(140 − 70) = 378 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·378 = 321,3 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 321,3/(4,18·35) = 2,196 kg/s

Réponse

ṁc = 2,196 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 7579 kPa

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

Moles

n = m/M = 310/4,003 = 77,44 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Pression

P = nRT/V = 77,44·8,314·353,1/0,03 = 7579 kPa

Réponse

P = 7579 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 7,166 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 = 150 + 273,15 = 423,1 K

Masse volumique

ρ = 900·28,01/(8,314·423,1) = 7,166 kg/m³

Réponse

ρ = 7,166 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 39,61 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) = 20/44,1 = 0,4535 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Réactif limitant

0,4535/1 = 0,4535, 1,5/5 = 0,3 → O2

Masse de produit

n(CO2) = 0,3·3 = 0,9 mol
m = 0,9·44,01 = 39,61 g

Réponse

m = 39,61 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 55 %

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) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g

Rendement

Y = 27,96/50,84·100 = 55%

Réponse

Y = 55%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,02222 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

49 = (2x)²/(0,1 − x)²

Prendre la racine carrée

7 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7/(2 + 7) = 0,07778 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,1 − x = 0,02222 mol/L

Réponse

[H2] = 0,02222 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,1219 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

0,05 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,05·x − 0,01 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,01))/2 = 0,07808 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,2 − 0,07808 = 0,1219 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,1219 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 42,14 °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

100·0,897·(150 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 19)

Isoler la température finale

Tf = (89,7·150 + 418·19)/(89,7 + 418) = 42,14 °C

Réponse

Tf = 42,14 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1453 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Réponse

ΔH° = −1453 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 2 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).

Concentration finale

CA = 2·(1 − 0,8) = 0,4 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,5 − 0,5)/1 = 2 min

Réponse

t = 2 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 80 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 = 303,1 K, T2 = 343,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,7/(-3,845e-4) = 80002 J/mol
Ea = 80 kJ/mol

Réponse

Ea = 80 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: CA = 0,2865 mol/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 = V/Q = 2000/80 = 25 min

Concentration de sortie

CA = 1·e−0,05·25 = 0,2865 mol/L

Réponse

CA = 0,2865 mol/L

Conversion : X = 71,35%.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 48,98 %

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 = 500/100 = 5 min, kτ = 0,08·5 = 0,4

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,4) = 0,7143
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5102
X = 1 − 0,5102 = 48,98%

Réponse

X = 48,98%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,931 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.

Écarts de température aux extrémités (contre-courant)

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 = 140 − 90 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 10 = 100 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 100)/ln(50/100) = 72,13 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 460000/(1000·0,92·72,13) = 6,931 m²

Réponse

A = 6,931 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,972 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) = 0,5·2,1·85 = 89,25 kW
Tc,out = 15 + 89,25/(1,5·4,18) = 29,23 °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 − 29,23 = 115,8 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 15 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115,8 − 45)/ln(115,8/45) = 74,89 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 89250/(300·74,89) = 3,972 m²

Réponse

A = 3,972 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 18,43 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) = (200/1000)/(0,035·4) = 1,429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·4) = 0,03676 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/1,465 = 18,43 W

Réponse

Q̇ = 18,43 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 20,1 °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) = (50/1000)/(0,035·8) = 0,1786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·8) = 0,01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,2135 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-4))/0,2135 = 121,8 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 121,8·0,01563 = 20,1 °C

Réponse

Ts = 20,1 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 30,32 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) = 2,6²/(2·9,81) = 0,3445 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(400/0,1)·2,6²/(2·9,81) = 30,32 m

Réponse

hf = 30,32 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 15,34 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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,025·200/0,2 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Équation de l’énergie

Le jet de sortie emporte encore sa hauteur cinétique ; ce n’est pas une perte, mais elle doit être fournie.

H = (1 + 25 + 3,7)·0,5164 = 15,34 m

Réponse

H = 15,34 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 85,06 %

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 = 1000·9,81·0,03·50 = 14,71 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 14,71/17,3 = 85,06%

Réponse

η = 85,06%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 46,13 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 6)·0,3305 = 6,941 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 = 29 + 10,19 + 6,941 = 46,13 m

Réponse

H = 46,13 m

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