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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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 1750 kg/h · 45% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 5% 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 = 750 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2700 kg/h · 13% selProduit PP = ? · 60%Vapeur W (eau pure)0% sel

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

F = 2700 kg/hxF = 13 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 170 °C110 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 160 °C120 °Ceau · 30 °C80 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Ct: 30 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
490 g de ArV = 50 LT = 50 °CP = ?

Un réservoir de 50 L contient 490 g de Ar à 50 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 490 gM = 39,95 g/molV = 50 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de Ar passe de 350 kPa, 10 L, 20 °C à 750 kPa et 70 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 750 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g de Na et 8 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(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Dans la réaction 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 20 g de Al réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 86,98 g de AlCl3. Calcule le rendement Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molréel: 86,98 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 = 16. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 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 = 0,05 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 = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Cuivrem = 50 gT = 170 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en cuivre de 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) à 170 °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 Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 200 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC6​H12​O6​ + 6O₂réactifs6CO₂ + 6H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)X (%)t = ?80%

Une réaction d’ordre 0 a k = 0,05 mol/(L·min) et part de 1,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 80 % ? Trouvez t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 80 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk50 °Ck1​?10·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 70 kJ/mol. À 50 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 10 fois plus rapide ?

Ea = 70 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 5 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,3 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,3 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 50 L. L’alimentation entre à 5 L/min avec CA0 = 2,5 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie CA.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,3 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,5 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 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 = 800 LQ = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT140 °C120 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à faisceau tubulaire et calandre (une passe côté calandre, deux passes côté tubes) doit transférer 480 kW. Le fluide chaud se refroidit de 140 à 120 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 95 °C. Le facteur de correction de la DTLM pour cette configuration vaut F = 0,92, et U = 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 480 kWF = 0,92U = 500 W/(m²·K)Th: 140 → 120 °CTc: 30 → 95 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT100 °C55 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂co-courant

Dans un échangeur à tubes concentriques à co-courant, de l’huile chaude (0,8 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) circule dans le tube intérieur et se refroidit de 100 à 55 °C. L’eau (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circulant dans l’espace annulaire entre à 10 °C. Le tube intérieur a un diamètre de 50 mm, et U = 250 W/(m²·K) est rapporté à ce diamètre. Trouvez la longueur de tube L nécessaire.

ṁh = 0,8 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 100 → 55 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 10 °CD = 50 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035100 mmVerre, k = 0,96150 mm16 °C-8 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 100 mm de polystyrène expansé et de 150 mm de verre, avec une surface de 4 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et -8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 16 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17200 mmBois, k = 0,17100 mmpièce 20 °Cextérieur -1 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de plaque de plâtre et 100 mm de bois sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à -1 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,4 m/sD = 50 mmL = 150 mf = 0,02

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,4 m/s dans une conduite horizontale de 150 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 2,4 m/sL = 150 mD = 50 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 6 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0153× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 100 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,015. 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 = 150 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 15 L/sH = 58 m

Une pompe de rendement 78 % débite 15 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 58 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 15 L/sH = 58 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 60 L/sΔz = 22 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Une pompe refoule 60 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 22 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 = 0,025 ; 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 = 60 L/sΔz = 22 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 250 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) = 750·(45 − 35)/(35 − 5) = 250 kg/h

Réponse

ṁ2 = 250 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 585 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 = 2700·13/60 = 585 kg/h

Réponse

P = 585 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 50,12 °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 = 2,5·2,1·(170 − 110) = 315 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 315/(3·4,18) = 50,12 °C

Réponse

tout = 50,12 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,191 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 3·2,44·(160 − 120) = 292,8 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·292,8 = 248,9 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 248,9/(4,18·50) = 1,191 kg/s

Réponse

ṁc = 1,191 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 659,1 kPa

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

Moles

n = m/M = 490/39,95 = 12,27 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Pression

P = nRT/V = 12,27·8,314·323,1/0,05 = 659,1 kPa

Réponse

P = 659,1 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 5,463 L

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

Températures absolues

T1 = 293,1 K, T2 = 343,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/750)·(343,1/293,1) = 5,463 L

Réponse

V2 = 5,463 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 13,19 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) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 8/70,9 = 0,1128 mol

Réactif limitant

1,305/2 = 0,6525, 0,1128/1 = 0,1128 → Cl2

Masse de produit

n(NaCl) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·58,44 = 13,19 g

Réponse

m = 13,19 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 88 %

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(Al) = 20/26,98 = 0,7413 mol
m = 0,7413·2/2·133,33 = 98,84 g

Rendement

Y = 86,98/98,84·100 = 88%

Réponse

Y = 88%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,5333 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/(0,4 − x)²

Prendre la racine carrée

4 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·4/(2 + 4) = 0,2667 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,5333 mol/L

Réponse

[HI] = 0,5333 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,3649 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

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,5 − 0,1351 = 0,3649 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,3649 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 23,38 °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

50·0,385·(170 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 20)

Isoler la température finale

Tf = (19,25·170 + 836·20)/(19,25 + 836) = 23,38 °C

Réponse

Tf = 23,38 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −2802 kJ

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

Enthalpie de réaction

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Réponse

ΔH° = −2802 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 24 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).

Quantité convertie

CA0·X = 1,5·0,8 = 1,2 mol/L

Durée

t = CA0·X/k = 1,2/0,05 = 24 min

Réponse

t = 24 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 81,33 °C

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

T1 = 323,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(10)/70000 = 3,095 × 10⁻³ − 2,735 × 10⁻⁴ = 2,821 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 354,5 K = 81,33 °C

Réponse

T2 = 81,33 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: CA = 0,1245 mol/L

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

Temps de passage

τ = V/Q = 50/5 = 10 min

Concentration de sortie

CA = 2,5·e−0,3·10 = 0,1245 mol/L

Réponse

CA = 0,1245 mol/L

Conversion : X = 95,02%.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 88,89 %

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

Temps de passage

τ = V/Q = 800/50 = 16 min, kτ = 0,5·16 = 8

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Réponse

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

Réponse: A = 16,07 m²

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 (contre-courant)

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 = 140 − 95 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 30 = 90 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 90)/ln(45/90) = 64,92 K

Surface

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 480000/(500·0,92·64,92) = 16,07 m²

Réponse

A = 16,07 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: L = 46,3 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 = 0,8·2,5·(100 − 55) = 90 kW
Tc,out = 10 + 90/(1·4,18) = 31,53 °C

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 = 100 − 10 = 90 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 31,53 = 23,47 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 23,47)/ln(90/23,47) = 49,5 K

Surface et longueur

A = 90000/(250·49,5) = 7,273 m²
L = A/(πD) = 7,273/(π·0,05) = 46,3 m

Réponse

L = 46,3 m
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 31,86 W

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·4) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·4) = 0,03906 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,7533 = 31,86 W

Réponse

Q̇ = 31,86 W
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 106,9 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/(6·10) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,1965 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (-1))/0,1965 = 106,9 W

Réponse

Q̇ = 106,9 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 172,8 kPa

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

Perte de charge

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(150/0,05)·2,4²/(2·9,81) = 17,61 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 = 1000·9,81·17,61 = 172800 Pa = 172,8 kPa

Réponse

Δp = 172,8 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 16,43 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 = 0,015·150/0,1 = 22,5
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 = (22,5 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/26,9) = 2,092 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 2,092·0,007854 = 0,01643 m³/s = 16,43 L/s

Réponse

Q = 16,43 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 10,94 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 = 1000·9,81·0,015·58 = 8,535 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 8,535/0,78 = 10,94 kW

Réponse

Pshaft = 10,94 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 25,81 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12,5 + 8)·0,1859 = 3,811 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 = 22 + 3,811 = 25,81 m

Réponse

H = 25,81 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.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical