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 · 40% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProduit35% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 35 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1300 kg/h · 8% NaOHProduit P50% NaOHVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 1300 kg/hxF = 8 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidéthanol · 160 °C80 °Ceau · 25 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 120 °C80 °Ceau · 10 °C85 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 10 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
10 g de CH₄P = 150 kPaT = 85 °CV = ?

Quel volume V occupent 10 g de CH₄ à 150 kPa et 85 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 10 gM = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CO₂ passe de 250 kPa, 10 L, 15 °C à 650 kPa et 90 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 650 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

16 g de Na et 40 g de Cl2 réagissent selon 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quelle masse m de NaCl peut se former ?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 10 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 2,42 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 2,42 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

On introduit 1 mol/L de H₂ et 1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 16. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,1 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 = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Cuivrem = 75 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en cuivre de 75 g (c = 0,385 J/(g·°C)) à 150 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 3H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?95%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 0,2 L/(mol·min) et part de 0,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,145 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,1 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 60 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 45 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 60 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 = 2000 LQ = 50 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 2000 L alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 2000 LQ = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT145 °C120 °C10 °C45 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 420 kW. Le fluide chaud se refroidit de 145 à 120 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 45 °C. Le coefficient global d’échange vaut 800 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 420 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 145 → 120 °CTc: 10 → 45 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT130 °C??10 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur de chaleur à contre-courant, les deux fluides ont le même débit de capacité thermique, ṁ·cp = 1 kW/K. Le fluide chaud entre à 130 °C et le fluide froid à 10 °C. L’échangeur a A = 1,5 m² et U = 300 W/(m²·K). Trouvez la température de sortie du fluide chaud Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 130 °CTc,in = 10 °CA = 1,5 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,4250 mmBrique, k = 0,72150 mm25 °C-10 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de béton et de 150 mm de brique, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 25 °C et -10 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 25 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,03550 mmBois, k = 0,17100 mmpièce 21 °Cextérieur -6 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 50 mm de polystyrène expansé et 100 mm de bois sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -6 °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 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -6 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 75 L/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,03

De l’eau s’écoule avec un débit de 75 L/s dans une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 250 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,03 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 75 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 0,2sortie libreH = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,024× coude (K = 0,3)

Une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 250 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 = 0,2). 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 80 L/s ?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2
H = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 74 m

Une pompe de rendement 72 % débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 74 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 10 L/sH = 74 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 120 L/sΔz = 34 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Une pompe refoule 120 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 34 m plus haut. La conduite mesure 200 m de long, a un diamètre intérieur de 250 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 120 L/sΔz = 34 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 40 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) = 200·(40 − 35)/(35 − 10) = 40 kg/h

Réponse

ṁ2 = 40 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 1092 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 = 1300·8/50 = 208 kg/h

Bilan global

W = F − P = 1300 − 208 = 1092 kg/h

Réponse

W = 1092 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 48,35 °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 = 0,5·2,44·(160 − 80) = 97,6 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 97,6/(1·4,18) = 48,35 °C

Réponse

tout = 48,35 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,5293 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·2,44·(120 − 80) = 195,2 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·195,2 = 165,9 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 165,9/(4,18·75) = 0,5293 kg/s

Réponse

ṁc = 0,5293 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 12,38 L

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

Moles

n = 10/16,04 = 0,6234 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,6234·8,314·358,1/150 = 12,38 L

Réponse

V = 12,38 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 4,847 L

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

Températures absolues

T1 = 288,1 K, T2 = 363,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/650)·(363,1/288,1) = 4,847 L

Réponse

V2 = 4,847 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 40,67 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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol

Réactif limitant

0,696/2 = 0,348, 0,5642/1 = 0,5642 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,348·2 = 0,696 mol
m = 0,696·58,44 = 40,67 g

Réponse

m = 40,67 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 55,04 %

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) = 10/100,09 = 0,09991 mol
m = 0,09991·1/1·44,01 = 4,397 g

Rendement

Y = 2,42/4,397·100 = 55,04%

Réponse

Y = 55,04%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 1,333 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

16 = (2x)²/(1 − x)²

Prendre la racine carrée

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 1,333 mol/L

Réponse

[HI] = 1,333 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,3209 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

0,1 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,5 − 0,1791 = 0,3209 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,3209 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 22,52 °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

75·0,385·(150 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Isoler la température finale

Tf = (28,88·150 + 1045·19)/(28,88 + 1045) = 22,52 °C

Réponse

Tf = 22,52 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1367 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) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Réponse

ΔH° = −1367 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 190 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 = 0,5·(1 − 0,95) = 0,025 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (40 − 2)/0,2 = 190 min

Réponse

t = 190 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,692 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 = 293,1 K, T2 = 318,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 1,934
k2 = 0,1·e1,934 = 0,692 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,692 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 = 76,19 %

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 = 2000/50 = 40 min, kτ = 0,08·40 = 3,2

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 3,2/(1 + 3,2) = 76,19%

Réponse

X = 76,19%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 5,143 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.

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 = 145 − 10 = 135 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 120 − 45 = 75 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 75)/ln(135/75) = 102,1 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 420000/(800·102,1) = 5,143 m²

Réponse

A = 5,143 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Th,out = 92,76 °C

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.

Écart de température constant

La sortie froide se trouve face à l’entrée chaude : Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), donc ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Bilan d’énergie égal à l’équation de transfert

1·(130 − Th,out) = 0,45·(Th,out − 10)
Th,out = (1·130 + 0,45·10)/(1 + 0,45) = 92,76 °C

Réponse

Th,out = 92,76 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 37,24 kW ; le fluide froid sort à 47,24 °C.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 1809 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)/(1,4·20) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 35/0,01935 = 1809 W

Réponse

Q̇ = 1809 W
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 19,45 °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) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,1091 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-6))/0,1091 = 247,5 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 247,5·0,00625 = 19,45 °C

Réponse

Ts = 19,45 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 2,856 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 moyenne

A = π·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,25)·1,528²/(2·9,81) = 2,856 m

Réponse

hf = 2,856 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 1,476 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,02·100/0,25 = 8
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9

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 + 8 + 1,9)·0,1354 = 1,476 m

Réponse

H = 1,476 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 10,08 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 = 1000·9,81·0,01·74 = 7,259 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 7,259/0,72 = 10,08 kW

Réponse

Pshaft = 10,08 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 40,09 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 8)·0,3046 = 6,092 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 = 34 + 6,092 = 40,09 m

Réponse

H = 40,09 m

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