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 1200 kg/h · 30% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 10% sucreProduit20% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 20 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 30 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2900 kg/h · 12% sucreProduit PP = ? · 45%Vapeur W (eau pure)0% sucre

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

F = 2900 kg/hxF = 12 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 180 °C60 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C90 °Ceau · 30 °C65 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du éthanol 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
320 g de N₂V = 50 LT = 20 °CP = ?

Un réservoir de 50 L contient 320 g de N₂ à 20 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 320 gM = 28,01 g/molV = 50 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de O₂ passe de 150 kPa, 2 L, 40 °C à 250 kPa et 180 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 40 °CP2 = 250 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

12 g de Fe2O3 et 80 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Dans la réaction N2 + 3H2 → 2NH3, 16 g de N2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 13,61 g de NH3. Calcule le rendement Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molréel: 13,61 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

On introduit 0,4 mol/L de H₂ et 0,4 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 9. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 200 gT = 190 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 200 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 190 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 200 gTwater = 19 °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)X (%)t = ?90%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,1 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,1 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk25 °C0,0535 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,05 min⁻¹ à 25 °C et une énergie d’activation de 75 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 35 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 35 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 20 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 20 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 = 20 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 10 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 L alimenté à 10 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT95 °C80 °C25 °C45 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur de chaleur à co-courant transfère 340 kW. Sa surface d’échange est de 25 m². Le fluide chaud se refroidit de 95 à 80 °C et le fluide froid se réchauffe de 25 à 45 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 340 kWA = 25 m²Th: 95 → 80 °CTc: 25 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT170 °C140 °C38,92 °C15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 170 à 140 °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 = 200 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Verre, k = 0,96100 mmBéton, k = 1,450 mm23 °C-7 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 100 mm de verre et de 50 mm de béton, avec une surface de 12 m². Les faces extérieures sont à 23 °C et -7 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 23 °CT3 = -7 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Brique, k = 0,72250 mmPlaque de plâtre, k = 0,1775 mmpièce 20 °Cextérieur -11 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 250 mm de brique et 75 mm de plaque de plâtre sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -11 °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 20 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,9 m/sD = 300 mmL = 800 mf = 0,018

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,9 m/s dans une conduite horizontale de 800 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 2,9 m/sL = 800 mD = 300 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0254× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,025. 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. Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 200 L/s ?

Q = 200 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 80 m

Lors d’un essai, une pompe débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 80 m tandis que son arbre absorbe 13,1 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 10 L/sH = 80 mPshaft = 13,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
250 kPa (relative)PQ = 20 L/sΔz = 9 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Une pompe refoule 20 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 9 m plus haut. La conduite mesure 150 m de long, a un diamètre intérieur de 100 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. Le réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 250 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 20 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 5ptank = 250 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 200 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) = 200·(30 − 20)/(20 − 10) = 200 kg/h

Réponse

ṁ2 = 200 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 773,3 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 = 2900·12/45 = 773,3 kg/h

Réponse

P = 773,3 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 75,29 °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 = 0,5·2,1·(180 − 60) = 126 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 126/(0,5·4,18) = 75,29 °C

Réponse

tout = 75,29 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,2126 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·2,44·(120 − 90) = 36,6 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·36,6 = 31,11 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 31,11/(4,18·35) = 0,2126 kg/s

Réponse

ṁc = 0,2126 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 556,9 kPa

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

Moles

n = m/M = 320/28,01 = 11,42 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Pression

P = nRT/V = 11,42·8,314·293,1/0,05 = 556,9 kPa

Réponse

P = 556,9 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 1,736 L

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

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 453,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/250)·(453,1/313,1) = 1,736 L

Réponse

V2 = 1,736 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 8,394 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) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Réactif limitant

0,07515/1 = 0,07515, 2,856/3 = 0,952 → Fe2O3

Masse de produit

n(Fe) = 0,07515·2 = 0,1503 mol
m = 0,1503·55,85 = 8,394 g

Réponse

m = 8,394 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 69,98 %

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(N2) = 16/28,02 = 0,571 mol
m = 0,571·2/1·17,03 = 19,45 g

Rendement

Y = 13,61/19,45·100 = 69,98%

Réponse

Y = 69,98%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,16 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

9 = (2x)²/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

3 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·3/(2 + 3) = 0,24 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,4 − x = 0,16 mol/L

Réponse

[H2] = 0,16 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,1228 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

0,04 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,1228 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,1228 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 33,52 °C

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

Bilan thermique

200·0,388·(190 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 19)

Isoler la température finale

Tf = (77,6·190 + 836·19)/(77,6 + 836) = 33,52 °C

Réponse

Tf = 33,52 °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: t = 23,03 min

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Conversion et concentration

C/C0 = 1 − X = 0,1

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,1 = 23,03 min

Réponse

t = 23,03 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,1335 min⁻¹

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Températures absolues

T1 = 298,1 K, T2 = 308,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/308,1 − 1/298,1) = 0,9819
k2 = 0,05·e0,9819 = 0,1335 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,1335 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 107,3 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 = 20·5,365 = 107,3 L

Réponse

V = 107,3 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 88,89 %

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 = 800/10 = 80 min, kτ = 0,1·80 = 8

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Réponse

X = 88,89%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 269,3 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 co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 95 − 25 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 45 = 35 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 35)/ln(70/35) = 50,49 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 340000/(25·50,49) = 269,3 W/(m²·K)

Réponse

U = 269,3 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 5,859 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) = 2·2,5·30 = 150 kW
Tc,out = 15 + 150/(1,5·4,18) = 38,92 °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 = 170 − 38,92 = 131,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 140 − 15 = 125 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (131,1 − 125)/ln(131,1/125) = 128 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(200·128) = 5,859 m²

Réponse

A = 5,859 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 2574 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) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,01166 = 2574 W

Réponse

Q̇ = 2574 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 15,94 °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/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·20) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·20) = 0,02206 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,04767 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-11))/0,04767 = 650,3 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 650,3·0,00625 = 15,94 °C

Réponse

Ts = 15,94 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 201,8 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) = 0,018·(800/0,3)·2,9²/(2·9,81) = 20,57 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 = 1000·9,81·20,57 = 201840 Pa = 201,8 kPa

Réponse

Δp = 201,8 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 8,718 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,025·200/0,3 = 16,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perte de charge totale

hf = 16,67·0,408 = 6,801 m
hm = 4,7·0,408 = 1,918 m
Δz = hf + hm = 8,718 m

Réponse

Δz = 8,718 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 59,91 %

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 = 1000·9,81·0,01·80 = 7,848 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 7,848/13,1 = 59,91%

Réponse

η = 59,91%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 43,57 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 5)·0,3305 = 9,089 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 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 = 9 + 25,48 + 9,089 = 43,57 m

Réponse

H = 43,57 m

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