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 1950 kg/h · 10% selFlux 2ṁ₂ = ? · 30% selProduit15% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 15 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3000 kg/h · 17% selProduit P55% selVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 3000 kg/hxF = 17 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C80 °Ceau · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 150 °C110 °Ceau · 20 °C85 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
30 g de CH₄P = 400 kPaT = 75 °CV = ?

Quel volume V occupent 30 g de CH₄ à 400 kPa et 75 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 30 gM = 16,04 g/molP = 400 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 100 kPa, 10 L, 15 °C à 250 kPa et 210 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 250 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

8 g de Na et 80 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(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Dans la réaction 2Mg + O2 → 2MgO, 6 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 7,76 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 7,76 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

On introduit 0,5 mol/L de H₂ et 0,5 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 = 0,5 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,08 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/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 250 gT = 170 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 100 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 170 °C est plongé dans 100 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 21 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 100 gTwater = 21 °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)t½​ = ?C0​/2

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) a k = 0,2 L/(mol·min) et une concentration initiale de 0,5 mol/L. Trouvez sa première demi-vie t½.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/L
t½ = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk25 °C0,00250 °C0,0332

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,002 min⁻¹ à 25 °C et 0,0332 min⁻¹ à 50 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,0332 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
QX = 85%mêmes Q, k et X que le RPAC

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 85 % 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 = 85%premier ordre, mêmes k et Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 50 LQ = 5 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 50 L alimenté à 5 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT90 °C75 °C30 °C70 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 70 kW. Le fluide chaud se refroidit de 90 à 75 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 70 °C. Le coefficient global d’échange vaut 800 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 70 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 90 → 75 °CTc: 30 → 70 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT100 °C60 °C?15 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Dans un échangeur à tubes concentriques à contre-courant, de l’huile chaude (0,3 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circule dans le tube intérieur et se refroidit de 100 à 60 °C. L’eau (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 15 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 40 mm, et U = 300 W/(m²·K) est rapporté à ce diamètre. Trouvez la longueur de tube L nécessaire.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 100 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035250 mmVerre, k = 0,96100 mm20 °C-14 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 250 mm de polystyrène expansé et de 100 mm de verre, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 20 °C et -14 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 20 °CT3 = -14 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,03550 mmBois, k = 0,1750 mmpièce 21 °Cextérieur 1 °CQ̇ = ?

Un mur de 50 mm de polystyrène expansé et 50 mm de bois sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à 1 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 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 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 60 L/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,018

De l’eau s’écoule avec un débit de 60 L/s dans une conduite de 500 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 60 L/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5Δz = 23 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,022× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 250 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 23 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 5) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 23 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 40 L/sH = 38 m

Lors d’un essai, une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 38 m tandis que son arbre absorbe 21,3 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 40 L/sH = 38 mPshaft = 21,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Une pompe refoule 50 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 5 m plus haut. La conduite mesure 100 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 ; 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 = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 316,7 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) = 950·(10 − 15)/(15 − 30) = 316,7 kg/h

Réponse

ṁ2 = 316,7 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 2073 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 = 3000·17/55 = 927,3 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3000 − 927,3 = 2073 kg/h

Réponse

W = 2073 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 75,24 °C

Bilan d’énergie de l’échangeur : sans pertes, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Chaleur cédée par le flux chaud

Q = 2·2,1·(130 − 80) = 210 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 210/(1·4,18) = 75,24 °C

Réponse

tout = 75,24 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,192 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·3,6·(150 − 110) = 360 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·360 = 324 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 324/(4,18·65) = 1,192 kg/s

Réponse

ṁc = 1,192 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 13,53 L

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

Moles

n = 30/16,04 = 1,87 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 1,87·8,314·348,1/400 = 13,53 L

Réponse

V = 13,53 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 6,707 L

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

Températures absolues

T1 = 288,1 K, T2 = 483,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/250)·(483,1/288,1) = 6,707 L

Réponse

V2 = 6,707 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 20,34 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) = 8/22,99 = 0,348 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Réactif limitant

0,348/2 = 0,174, 1,128/1 = 1,128 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,174·2 = 0,348 mol
m = 0,348·58,44 = 20,34 g

Réponse

m = 20,34 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 78,02 %

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(Mg) = 6/24,31 = 0,2468 mol
m = 0,2468·2/2·40,3 = 9,947 g

Rendement

Y = 7,76/9,947·100 = 78,02%

Réponse

Y = 78,02%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,6667 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/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

4 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·4/(2 + 4) = 0,3333 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,6667 mol/L

Réponse

[HI] = 0,6667 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,2567 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

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,2567 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 52,54 °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

250·0,449·(170 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 21)

Isoler la température finale

Tf = (112,3·170 + 418·21)/(112,3 + 418) = 52,54 °C

Réponse

Tf = 52,54 °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: t½ = 10 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

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,2·0,5) = 10 min

Réponse

t½ = 10 min

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

14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 90,02 kJ/mol

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

Températures absolues

T1 = 298,1 K, T2 = 323,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,809/(-2,595e-4) = 90017 J/mol
Ea = 90,02 kJ/mol

Réponse

Ea = 90,02 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: VCSTR/VPFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rapport des volumes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Réponse

VCSTR/VPFR = 2,987

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 71,43 %

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 = 50/5 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 2,5/(1 + 2,5) = 71,43%

Réponse

X = 71,43%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,953 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 = 90 − 30 = 60 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 70 = 5 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60 − 5)/ln(60/5) = 22,13 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 70000/(800·22,13) = 3,953 m²

Réponse

A = 3,953 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 13,06 m

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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = 0,3·2,5·(100 − 60) = 30 kW
Tc,out = 15 + 30/(1,5·4,18) = 19,78 °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 = 100 − 19,78 = 80,22 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 15 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80,22 − 45)/ln(80,22/45) = 60,92 K

Surface et longueur

A = 30000/(300·60,92) = 1,641 m²
L = A/(πD) = 1,641/(π·0,04) = 13,06 m

Réponse

L = 13,06 m
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = −13,51 °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)/(0,035·8) = 0,8929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·8) = 0,01302 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,9059 = 37,53 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 37,53·0,8929 = −13,51 °C

Réponse

Ti = −13,51 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 63,07 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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,3171 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (1))/0,3171 = 63,07 W

Réponse

Q̇ = 63,07 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 35,25 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 3,395²/(2·9,81) = 0,5876 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,15)·3,395²/(2·9,81) = 35,25 m

Réponse

hf = 35,25 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 217 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 = 0,02·200/0,25 = 16
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Équation de l’énergie

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

23 = (16 + 7,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·23/23,1) = 4,42 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 4,42·0,04909 = 0,217 m³/s = 217 L/s

Réponse

Q = 217 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 70,01 %

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 = 1000·9,81·0,04·38 = 14,91 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 14,91/21,3 = 70,01%

Réponse

η = 70,01%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 13,43 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14,67 + 6)·0,408 = 8,433 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 = 5 + 8,433 = 13,43 m

Réponse

H = 13,43 m

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