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·x_F = P·x_P, W = F − P

Bilan d’énergie

Chaleur sensible: Q = ṁ·c_p·ΔT
Chaleur latente: Q = ṁ·h_fg
Mélange: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Eau: c_p ≈ 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

Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.

Équilibre chimique

Constante d’équilibre: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tableau ICE: Initial, Changement (×coefficient), Équilibre
Équation du second degré: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Méthode

Écrivez K_c avec les produits au numérateur et les réactifs au dénominateur, chacun élevé à la puissance de son coefficient.
Dressez un tableau d’avancement : état initial, variation (par pas de x fois les coefficients), équilibre.
Remplacez les expressions à l’équilibre dans K_c et résolvez pour x.
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(C_A/C_A0) = −kt
Demi-vie (ordre 1): t_½ = ln 2/k
Ordre 2: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Deux températures: ln(k₂/k₁) = (E_a/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)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
RP, premier ordre: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·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 + kτ_i)^N

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Puissance échangée: Q = U·A·ΔT_lm
Différence de température logarithmique moyenne (DTLM): ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Bilan d’un fluide: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Conduction thermique

Loi de Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction: R = L/(kA)
Résistance de convection: R = 1/(hA)
Résistances en série: Q̇ = ΔT_total/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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K: entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre: P_shaft = P_h/η_pump
Puissance électrique: P_el = P_shaft/η_motor
Hauteur manométrique de la pompe: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Pertes du réseau: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercices

1.Bilan matièreMoyen

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

ṁ₁ = 550 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 15 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Bilan matièreDifficile

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

F = 3000 kg/hx_F = 8 %x_P = 60 %

W = kg/h

3.Bilan d’énergieMoyen

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

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

Du huile légère 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 ṁ_c nécessaire.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 70 °Ct: 25 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Loi des gaz parfaitsMoyen

Quel volume V occupent 180 g de CO₂ à 550 kPa et 35 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 180 gM = 44,01 g/molP = 550 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de He à 350 kPa et 20 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 4,003 g/molP = 350 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StœchiométrieMoyen

16 g de N₂ et 24 g de H₂ réagissent selon N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Quelle masse m de NH₃ peut se former ?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

8.StœchiométrieDifficile

Dans la réaction 2H₂ + O₂ → 2H₂O, 20 g de H₂ réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 139,4 g de H₂O. Calcule le rendement Y.

M(H₂) = 2,016 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molréel: 139,4 g

Y = %

9.Équilibre chimiqueMoyen

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 K_c = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 64

[H₂] = mol/L

10.Équilibre chimiqueDifficile

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec K_c = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,4 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,04

[PCl₅] = mol/L

11.Calorimétrie et enthalpieMoyen

Un bloc en cuivre de 150 g (c = 0,385 J/(g·°C)) à 120 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 20 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 200 gT_water = 20 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimétrie et enthalpieDifficile

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 10 g de CH₄ (M = 16,04 g/mol) : CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(CH₄) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Cinétique chimiqueMoyen

Une réaction d’ordre 2 (−r_A = k·C_A²) a k = 1 L/(mol·min) et une concentration initiale de 0,2 mol/L. Trouvez sa première demi-vie t_½.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 0,2 mol/L

t_½ = min

14.Cinétique chimiqueDifficile

Une réaction d’ordre 1 a une constante de vitesse de 0,005 s⁻¹ à 80 °C et une énergie d’activation de 75 kJ/mol. Trouvez le facteur pré-exponentiel A de l’équation d’Arrhenius.

k = 0,005 s⁻¹T = 80 °CE_a = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,15 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 100 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 75 %.

Q = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 75%

V = L

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 100 L alimenté à 100 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 100 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹

X = %

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 105 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 10 à 35 °C. Le coefficient global d’échange vaut 2000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

T_s = 105 °Cṁ = 1 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 10 → 35 °CU = 2000 W/(m²·K)

A = m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile

De la vapeur se condense à une température constante de 120 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 8 m² et U = 1000 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (2 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 25 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau T_c,out.

T_s = 120 °CA = 8 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °C

T_c,out = °C

19.Conduction thermiqueMoyen

Un mur est composé de 250 mm de bois et de 150 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et 8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 24 °CT₃ = 8 °C

Q̇ = W

20.Conduction thermiqueDifficile

Un mur de 200 mm de polystyrène expansé et 100 mm de verre sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à 1 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la température T_s de la face intérieure du mur.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 1 °C

T_s = °C

21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 1,4 m/s dans une conduite de 1000 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement h_f.

V = 1,4 m/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile

Une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 200 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,02) 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 = 10). 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 40 L/s ?

Q = 40 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10

H = m

23.Pompes et puissance de pompageMoyen

Une pompe débite 150 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 48 m. Le rendement de la pompe est de 85 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 90 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique P_el absorbée par le moteur, en kW.

Q = 150 L/sH = 48 mη_pump = 85%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompes et puissance de pompageDifficile

Une pompe refoule 75 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 6 m plus haut. La conduite mesure 400 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; 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 = 75 L/sΔz = 6 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6

H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ₂ = 1100 kg/h

Bilan matière en régime permanent : entrée = sortie pour le total et pour chaque composant. Les problèmes de mélange combinent les deux.

Bilans

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Isoler ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 550·(30 − 20)/(20 − 15) = 1100 kg/h

Réponse

ṁ₂ = 1100 kg/h

2.Bilan matière

Réponse: W = 2600 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·x_F = P·x_P → P = 3000·8/60 = 400 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3000 − 400 = 2600 kg/h

Réponse

W = 2600 kg/h

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 64,45 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 0,5·3,6·(130 − 90) = 72 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 72/(0,5·4,18) = 64,45 °C

Réponse

t_out = 64,45 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 3,068 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 2,5·2,1·(160 − 70) = 472,5 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,05)·472,5 = 448,9 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 448,9/(4,18·35) = 3,068 kg/s

Réponse

ṁ_c = 3,068 kg/s

5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 19,05 L

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

Moles

n = 180/44,01 = 4,09 mol

T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,09·8,314·308,1/550 = 19,05 L

Réponse

V = 19,05 L

6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 0,5748 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K

Masse volumique

ρ = 350·4,003/(8,314·293,1) = 0,5748 kg/m³

Réponse

ρ = 0,5748 kg/m³

7.Stœchiométrie

Réponse: m = 19,45 g

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Moles de chaque réactif

n(N₂) = 16/28,02 = 0,571 mol

n(H₂) = 24/2,016 = 11,9 mol

Réactif limitant

0,571/1 = 0,571, 11,9/3 = 3,968 → N₂

Masse de produit

n(NH₃) = 0,571·2 = 1,142 mol

m = 1,142·17,03 = 19,45 g

Réponse

m = 19,45 g

8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 78 %

Rendement théorique

n(H₂) = 20/2,016 = 9,921 mol

m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Rendement

Y = 139,4/178,8·100 = 78%

Réponse

Y = 78%

9.Équilibre chimique

Réponse: [H₂] = 0,08 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est K_c = [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

64 = (2x)²/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·8/(2 + 8) = 0,32 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,4 − x = 0,08 mol/L

Réponse

[H₂] = 0,08 mol/L

10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl₅] = 0,2919 mol/L

Expression à l’équilibre

0,04 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,4 − 0,1081 = 0,2919 mol/L

Réponse

[PCl₅] = 0,2919 mol/L

11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: T_f = 26,46 °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

150·0,385·(120 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 20)

Isoler la température finale

T_f = (57,75·120 + 836·20)/(57,75 + 836) = 26,46 °C

Réponse

T_f = 26,46 °C

12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 555 kJ

Enthalpie de réaction

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 10/16,04 = 0,6234 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,6234·890,3 = 555 kJ

Réponse

q = 555 kJ

13.Cinétique chimique

Réponse: t_½ = 5 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).

Demi-vie d’ordre 2

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(1·0,2) = 5 min

Réponse

t_½ = 5 min

Chaque demi-vie suivante est deux fois plus longue, car C₀ a été divisée par deux.

14.Cinétique chimique

Réponse: A = 6,204 × 10⁸ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Température absolue

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Isoler A dans Arrhenius

E_a/(RT) = 75000/(8,314·353,1) = 25,54

A = k·e^25,54 = 0,005·1,241 × 10¹¹ = 6,204 × 10⁸ s⁻¹

Réponse

A = 6,204 × 10⁸ s⁻¹

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 924,2 L

Réacteurs idéaux, réaction du premier ordre (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(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 C_A = C_A0·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 − 0,75))/0,15 = 1,386/0,15 = 9,242 min

Volume

V = Q·τ = 100·9,242 = 924,2 L

Réponse

V = 924,2 L

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 22,12 %

Temps de passage

τ = V/Q = 100/100 = 1 min, kτ = 0,25·1 = 0,25

Conversion

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−0,25 = 22,12%

Réponse

X = 22,12%

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,6382 m²

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

Puissance thermique côté eau

Q̇ = 1·4,18·(35 − 10) = 104,5 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 105 − 10 = 95 K

ΔT₂ = 105 − 35 = 70 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 70)/ln(95/70) = 81,86 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 104500/(2000·81,86) = 0,6382 m²

Réponse

A = 0,6382 m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: T_c,out = 83,51 °C

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Avec ΔT₁ = T_s − T_c,in et ΔT₂ = T_s − T_c,out, la différence ΔT₁ − ΔT₂ est égale à l’élévation de température de l’eau, donc celle-ci se simplifie.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1000·8/(2·4180) = 0,9569

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,9569 = 95·0,3841 = 36,49 K

T_c,out = 120 − 36,49 = 83,51 °C

Réponse

T_c,out = 83,51 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 489,2 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 27,2 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) = (250/1000)/(0,17·4) = 0,3676 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,17·4) = 0,2206 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 16/0,5882 = 27,2 W

Réponse

Q̇ = 27,2 W

20.Conduction thermique

Réponse: T_s = 20,66 °C

Résistances en série

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,035·10) = 0,5714 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,96·10) = 0,01042 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W

ΣR = 0,5968 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (1))/0,5968 = 33,51 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 33,51·0,01 = 20,66 °C

Réponse

T_s = 20,66 °C

21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: h_f = 8,325 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières h_m = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = h_f + h_m, perte de sortie K = 1 comprise.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,4²/(2·9,81) = 0,0999 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(1000/0,3)·1,4²/(2·9,81) = 8,325 m

Réponse

h_f = 8,325 m

22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 1,876 m

Vitesse

V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

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 + 10 + 11,7)·0,08263 = 1,876 m

Réponse

H = 1,876 m

23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_el = 92,33 kW

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : P_shaft = P_h/η_pump, et le moteur absorbe P_el = P_shaft/η_motor. 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

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,15·48 = 70,63 kW

Puissance sur l’arbre

P_shaft = 70,63/0,85 = 83,1 kW

Puissance électrique

P_el = 83,1/0,9 = 92,33 kW

Réponse

P_el = 92,33 kW

24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 18,2 m

Vitesse

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

Pertes de charge

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 6)·0,2905 = 12,2 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 + h_L = 6 + 12,2 = 18,2 m

Réponse

H = 18,2 m

Ceci est un support d’entraînement indépendant. ExamProblems n’est ni affilié à l’organisme qui organise cet examen ni approuvé par lui, et le nom de l’examen sert uniquement à décrire le contenu. Le FE exam est organisé par NCEES, qui n’est pas affilié à ExamProblems et ne le cautionne pas.

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Entraînement à l’examen FE Chemical : pack de révision

1Formules et méthodes

Bilan matière

Bilan d’énergie

Loi des gaz parfaits

Stœchiométrie

Méthode

Équilibre chimique

Méthode

Calorimétrie et enthalpie

Cinétique chimique

Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Conduction thermique

Frottement en conduite et pertes de charge

Pompes et puissance de pompage

2Exercices

3Solutions

Bilans

Isoler ṁ2

Réponse

Bilan sur le soluté

Bilan global

Réponse

Chaleur cédée par le flux chaud

Chaleur reçue par l’eau

Réponse

Chaleur cédée

Chaleur qui atteint l’eau

Débit d’eau

Réponse

Moles

Volume

Réponse

Réarranger la loi des gaz

Masse volumique

Réponse

Moles de chaque réactif

Réactif limitant

Masse de produit

Réponse

Rendement théorique

Rendement

Réponse

Expression à l’équilibre

Prendre la racine carrée

Concentration à l’équilibre

Réponse

Expression à l’équilibre

Résoudre l’équation du second degré

Concentration à l’équilibre

Réponse

Bilan thermique

Isoler la température finale

Réponse

Enthalpie de réaction

Chaleur pour la masse donnée

Réponse

Demi-vie d’ordre 2

Réponse

Température absolue

Isoler A dans Arrhenius

Réponse

Temps de passage

Volume

Réponse

Temps de passage

Conversion

Réponse

Puissance thermique côté eau

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Température de sortie

Réponse

Résistances des couches

Flux de chaleur

Réponse

Isoler ṁ₂