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 1900 kg/h · 40% selFlux 2ṁ₂ = ? · 10% selProduit25% sel

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3700 kg/h · 20% NaOHProduit PP = ? · 50%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 = 3700 kg/hxF = 20 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 170 °C80 °Ceau · 15 °Ct = ? °C

Du éthanol chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 120 °C60 °Ceau · 25 °C80 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 5 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
470 g de CH₄V = 10 LT = 55 °CP = ?

Un réservoir de 10 L contient 470 g de CH₄ à 55 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 470 gM = 16,04 g/molV = 10 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CH₄ passe de 300 kPa, 5 L, 30 °C à 700 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 700 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

6 g de Al et 16 g de Cl2 réagissent selon 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quelle masse m de AlCl3 peut se former ?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 12 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 6,12 g de CaO. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molréel: 6,12 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 [HI].

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

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,02 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Aluminiumm = 100 gT = 120 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Eaum = 300 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en aluminium de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 120 °C est plongé dans 300 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 15 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 15 °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)C (mol/L)30 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,25 L/(mol·min) et part de 2 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 30 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk40 °C0,160 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,1 min⁻¹ à 40 °C et une énergie d’activation de 55 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 60 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 60 °CEa = 55 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 60%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 60 % de conversion. Combien de fois un RPAC doit-il être plus grand qu’un RP pour le même débit d’alimentation, la même constante de vitesse et la même conversion ? Trouvez le rapport VCSTR/VPFR.

X = 60%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 500 LV = 500 LQ = 20 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 500 L chacun. Le débit d’alimentation est de 20 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 = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT80 °C45 °C70 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur de chaleur à contre-courant transfère 140 kW. Sa surface d’échange est de 3 m². Le fluide chaud se refroidit de 80 à 45 °C et le fluide froid se réchauffe de 25 à 70 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 140 kWA = 3 m²Th: 80 → 45 °CTc: 25 → 70 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT165 °C85 °C38,4 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) se refroidit de 165 à 85 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 25 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 165 → 85 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,17250 mmVerre, k = 0,9650 mm21 °C0 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 250 mm de plaque de plâtre et de 50 mm de verre, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 21 °C et 0 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = 0 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Brique, k = 0,72200 mmLaine minérale, k = 0,04150 mmpièce 20 °Cextérieur -1 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de brique et 150 mm de laine minérale 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 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 6 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,8 m/sD = 150 mmL = 1000 mf = 0,015

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,8 m/s dans une conduite horizontale de 1000 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1,8 m/sL = 1000 mD = 150 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 6 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,023× 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 = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 6 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 3 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 = 6 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 36 m

Une pompe de rendement 65 % débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 36 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 10 L/sH = 36 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 18 mL = 100 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 18 m plus haut. La conduite mesure 100 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. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 18 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 900 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) = 900·(40 − 25)/(25 − 10) = 900 kg/h

Réponse

ṁ2 = 900 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 1480 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 = 3700·20/50 = 1480 kg/h

Réponse

P = 1480 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 54,4 °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 = 1,5·2,44·(170 − 80) = 329,4 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 329,4/(2·4,18) = 54,4 °C

Réponse

tout = 54,4 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,4463 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·3,6·(120 − 60) = 108 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·108 = 102,6 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 102,6/(4,18·55) = 0,4463 kg/s

Réponse

ṁc = 0,4463 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 7994 kPa

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

Moles

n = m/M = 470/16,04 = 29,3 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Pression

P = nRT/V = 29,3·8,314·328,1/0,01 = 7994 kPa

Réponse

P = 7994 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 3,415 L

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

Températures absolues

T1 = 303,1 K, T2 = 483,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(300/700)·(483,1/303,1) = 3,415 L

Réponse

V2 = 3,415 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 20,06 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(Al) = 6/26,98 = 0,2224 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Réactif limitant

0,2224/2 = 0,1112, 0,2257/3 = 0,07522 → Cl2

Masse de produit

n(AlCl3) = 0,07522·2 = 0,1504 mol
m = 0,1504·133,33 = 20,06 g

Réponse

m = 20,06 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 91,02 %

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(CaCO3) = 12/100,09 = 0,1199 mol
m = 0,1199·1/1·56,08 = 6,724 g

Rendement

Y = 6,12/6,724·100 = 91,02%

Réponse

Y = 91,02%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,48 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

[HI] = 2x = 0,48 mol/L

Réponse

[HI] = 0,48 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,4095 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/(0,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,01 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,01))/2 = 0,0905 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,5 − 0,0905 = 0,4095 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,4095 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 22,01 °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·(120 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 15)

Isoler la température finale

Tf = (89,7·120 + 1254·15)/(89,7 + 1254) = 22,01 °C

Réponse

Tf = 22,01 °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: CA = 0,125 mol/L

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).

Loi intégrée d’ordre 2

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,25·30 = 8 L/mol
CA = 1/8 = 0,125 mol/L

Réponse

CA = 0,125 mol/L
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,3554 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 = 313,1 K, T2 = 333,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(55000/8,314)·(1/333,1 − 1/313,1) = 1,268
k2 = 0,1·e1,268 = 0,3554 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,3554 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 1,637

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−rA = k·CA) en régime permanent, avec le temps de passage τ = V/Q. Un RPAC est parfaitement agité : tout le volume réagit donc à la faible concentration de sortie : τ = X/(k·(1 − X)) et CA = CA0/(1 + k·τ). Dans un réacteur piston (RP), chaque tranche de fluide réagit comme un petit réacteur fermé : τ = ln(1/(1 − X))/k et CA = CA0·e−k·τ. Pour une même conversion, un RPAC demande toujours un volume plus grand qu’un RP.

k·τ pour chaque réacteur

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Réponse

VCSTR/VPFR = 1,637

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 80,25 %

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 = 500/20 = 25 min, kτ = 0,05·25 = 1,25

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,25) = 0,4444
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1975
X = 1 − 0,1975 = 80,25%

Réponse

X = 80,25%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 3235 W/(m²·K)

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

Écarts de température aux extrémités

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 80 − 70 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 25 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 20)/ln(10/20) = 14,43 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 140000/(3·14,43) = 3235 W/(m²·K)

Réponse

U = 3235 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 2,354 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) = 1·2,1·80 = 168 kW
Tc,out = 25 + 168/(3·4,18) = 38,4 °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 = 165 − 38,4 = 126,6 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 25 = 60 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (126,6 − 60)/ln(126,6/60) = 89,2 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 168000/(800·89,2) = 2,354 m²

Réponse

A = 2,354 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 0,7183 °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) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·8) = 0,00651 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1903 = 110,3 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 110,3·0,1838 = 0,7183 °C

Réponse

Ti = 0,7183 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 30,1 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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·6) = 0,0463 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·6) = 0,625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,6977 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-1))/0,6977 = 30,1 W

Réponse

Q̇ = 30,1 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 162 kPa

Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.

Perte de charge

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,15)·1,8²/(2·9,81) = 16,51 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 = 1000·9,81·16,51 = 162000 Pa = 162 kPa

Réponse

Δp = 162 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 89,82 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 = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Équation de l’énergie

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

6 = (10 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/14,4) = 2,859 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 2,859·0,03142 = 0,08982 m³/s = 89,82 L/s

Réponse

Q = 89,82 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 5,433 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 = 1000·9,81·0,01·36 = 3,532 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 3,532/0,65 = 5,433 kW

Réponse

Pshaft = 5,433 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 22,46 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) = (7,5 + 6)·0,3305 = 4,462 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 = 18 + 4,462 = 22,46 m

Réponse

H = 22,46 m

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