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 sucre ? Trouvez ṁ₂.

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 5 %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 = 3200 kg/hx_F = 13 %x_P = 55 %

W = kg/h

3.Bilan d’énergieMoyen

Du éthanol 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 = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Bilan d’énergieDifficile

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 80 °Ct: 15 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Loi des gaz parfaitsMoyen

Quel volume V occupent 360 g de CH₄ à 650 kPa et 55 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 360 gM = 16,04 g/molP = 650 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Loi des gaz parfaitsDifficile

Trouvez la masse volumique ρ de N₂ à 350 kPa et 150 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StœchiométrieMoyen

24 g de C₃H₈ et 24 g de O₂ réagissent selon C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Quelle masse m de CO₂ peut se former ?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StœchiométrieDifficile

Dans la réaction 2Mg + O₂ → 2MgO, 30 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 40,78 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 40,78 g

Y = %

9.Équilibre chimiqueMoyen

On introduit 0,25 mol/L de H₂ et 0,25 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec K_c = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 36

[HI] = mol/L

10.Équilibre chimiqueDifficile

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec K_c = 0,01 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,4 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,01

[Cl₂] = mol/L

11.Calorimétrie et enthalpieMoyen

Un bloc en aluminium de 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 19 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 400 gT_water = 19 °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 100 g de C₃H₈ (M = 44,1 g/mol) : C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C₃H₈) = −103,8 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) dans un réacteur fermé a k = 0,1 L/(mol·min) et part de 2 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/LX = 90 %

t = min

14.Cinétique chimiqueDifficile

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,02 min⁻¹ à 40 °C et 0,272 min⁻¹ à 80 °C. Trouvez l’énergie d’activation E_a.

k₁ = 0,02 min⁻¹T₁ = 40 °Ck₂ = 0,272 min⁻¹T₂ = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen

Une réaction du premier ordre en phase liquide doit atteindre 75 % 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 V_CSTR/V_PFR.

X = 75%premier ordre, mêmes k et Q

V_CSTR/V_PFR =

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 100 L chacun. Le débit d’alimentation est de 40 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 100 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹

X = %

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen

Un échangeur à co-courant transfère 360 kW. Le fluide chaud se refroidit de 100 à 45 °C et le fluide froid se réchauffe de 25 à 35 °C. Le coefficient global d’échange vaut 500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 360 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 100 → 45 °CT_c: 25 → 35 °C

A = m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile

De l’huile chaude (0,5 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 105 à 50 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 3 kg/s d’eau (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 20 °C. Avec U = 800 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 105 → 50 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 20 °CU = 800 W/(m²·K)

A = m²

19.Conduction thermiqueMoyen

Un mur est composé de 50 mm de brique et de 150 mm de béton, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 22 °C et -13 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 22 °CT₃ = -13 °C

Q̇ = W

20.Conduction thermiqueDifficile

Un mur de 200 mm de verre et 75 mm de béton sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -12 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 6 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -12 °C

U = W/(m²·K)

21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2 m/s dans une conduite horizontale de 800 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 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile

Une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 250 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,025) 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), 3 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 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 50 L/s ?

Q = 50 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 2

H = m

23.Pompes et puissance de pompageMoyen

Une pompe de rendement 80 % débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 64 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre P_shaft nécessaire, en kW.

Q = 80 L/sH = 64 mη = 80%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompes et puissance de pompageDifficile

Une pompe refoule 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 18 m plus haut. La conduite mesure 100 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 5 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 350 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 18 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 5p_tank = 350 kPa

H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ₂ = 1133 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

sucre: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Isoler ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 850·(40 − 20)/(20 − 5) = 1133 kg/h

Réponse

ṁ₂ = 1133 kg/h

2.Bilan matière

Réponse: W = 2444 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 = 3200·13/55 = 756,4 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3200 − 756,4 = 2444 kg/h

Réponse

W = 2444 kg/h

3.Bilan d’énergie

Réponse: t_out = 107,8 °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 = 2,5·2,44·(160 − 80) = 488 kW

Chaleur reçue par l’eau

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 488/(1,5·4,18) = 107,8 °C

Réponse

t_out = 107,8 °C

4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁ_c = 1,488 kg/s

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

Chaleur cédée

Q_h = 2,5·3,6·(120 − 80) = 360 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Q_c = (1 − 0,05)·360 = 342 kW

Débit d’eau

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 342/(4,18·55) = 1,488 kg/s

Réponse

ṁ_c = 1,488 kg/s

5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 94,2 L

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

Moles

n = 360/16,04 = 22,44 mol

T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 22,44·8,314·328,1/650 = 94,2 L

Réponse

V = 94,2 L

6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 2,787 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 = 150 + 273,15 = 423,1 K

Masse volumique

ρ = 350·28,01/(8,314·423,1) = 2,787 kg/m³

Réponse

ρ = 2,787 kg/m³

7.Stœchiométrie

Réponse: m = 19,8 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(C₃H₈) = 24/44,1 = 0,5442 mol

n(O₂) = 24/32 = 0,75 mol

Réactif limitant

0,5442/1 = 0,5442, 0,75/5 = 0,15 → O₂

Masse de produit

n(CO₂) = 0,15·3 = 0,45 mol

m = 0,45·44,01 = 19,8 g

Réponse

m = 19,8 g

8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 82 %

Rendement théorique

n(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol

m = 1,234·2/2·40,3 = 49,73 g

Rendement

Y = 40,78/49,73·100 = 82%

Réponse

Y = 82%

9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,375 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

36 = (2x)²/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·6/(2 + 6) = 0,1875 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,375 mol/L

Réponse

[HI] = 0,375 mol/L

10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl₂] = 0,05844 mol/L

Expression à l’équilibre

0,01 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,01·x − 0,004 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,004))/2 = 0,05844 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,05844 mol/L

Réponse

[Cl₂] = 0,05844 mol/L

11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: T_f = 23,73 °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

50·0,897·(200 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 19)

Isoler la température finale

T_f = (44,85·200 + 1672·19)/(44,85 + 1672) = 23,73 °C

Réponse

T_f = 23,73 °C

12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 5034 kJ

Enthalpie de réaction

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 100/44,1 = 2,268 mol

q = n·|ΔH°/1| = 2,268·2220 = 5034 kJ

Réponse

q = 5034 kJ

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 45 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

C_A = 2·(1 − 0,9) = 0,2 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (5 − 0,5)/0,1 = 45 min

Réponse

t = 45 min

14.Cinétique chimique

Réponse: E_a = 59,99 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 = 313,1 K, T₂ = 353,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·2,61/(-3,617e-4) = 59995 J/mol

E_a = 59,99 kJ/mol

Réponse

E_a = 59,99 kJ/mol

15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V_CSTR/V_PFR = 2,164

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.

k·τ pour chaque réacteur

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,75/0,25 = 3

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1,386

Rapport des volumes

V_CSTR/V_PFR = 3/1,386 = 2,164

Réponse

V_CSTR/V_PFR = 2,164

L’écart croît rapidement aux conversions élevées.

16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 40,83 %

Temps de passage

τ = V/Q = 100/40 = 2,5 min, kτ = 0,12·2,5 = 0,3

Conversion

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,3) = 0,7692

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5917

X = 1 − 0,5917 = 40,83%

Réponse

X = 40,83%

17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 22,32 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·ΔT_lm, avec ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔT_lm 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 = T_h,in − T_c,in = 100 − 25 = 75 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 45 − 35 = 10 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 10)/ln(75/10) = 32,26 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 360000/(500·32,26) = 22,32 m²

Réponse

A = 22,32 m²

18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 1,551 m²

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 0,5·2,3·55 = 63,25 kW

T_c,out = 20 + 63,25/(3·4,18) = 25,04 °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 = T_h,in − T_c,out = 105 − 25,04 = 79,96 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 50 − 20 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (79,96 − 30)/ln(79,96/30) = 50,96 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 63250/(800·50,96) = 1,551 m²

Réponse

A = 1,551 m²

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 1586 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) = (50/1000)/(0,72·8) = 0,008681 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(1,4·8) = 0,01339 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 35/0,02207 = 1586 W

Réponse

Q̇ = 1586 W

20.Conduction thermique

Réponse: U = 2,134 W/(m²·K)

Résistances en série

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·6) = 0,02778 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,96·6) = 0,03472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1,4·6) = 0,008929 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W

ΣR = 0,0781 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,0781) = 2,134 W/(m²·K)

Réponse

U = 2,134 W/(m²·K)

21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 640 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 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.

Perte de charge

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(800/0,05)·2²/(2·9,81) = 65,24 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·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·65,24 = 640000 Pa = 640 kPa

Réponse

Δp = 640 kPa

22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: H = 0,7615 m

Vitesse

V = Q/A = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s

V²/(2g) = 0,05288 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,025·100/0,25 = 10

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

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 + 3,4)·0,05288 = 0,7615 m

Réponse

H = 0,7615 m

23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_shaft = 62,78 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 = 1000·9,81·0,08·64 = 50,23 kW

Puissance sur l’arbre

P_shaft = P_h/η = 50,23/0,8 = 62,78 kW

Réponse

P_shaft = 62,78 kW

24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 58,64 m

Vitesse

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 5)·0,3305 = 4,958 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont pratiquement au repos ; il n’y a donc pas de terme de hauteur cinétique.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 18 + 35,68 + 4,958 = 58,64 m

Réponse

H = 58,64 m

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

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

Concentration finale

Loi intégrée d’ordre 2

Réponse

Températures absolues

Isoler Ea dans Arrhenius

Réponse

k·τ pour chaque réacteur

Rapport des volumes

Réponse

Temps de passage

Conversion

Réponse

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Écarts de température aux extrémités

Écart de température moyen logarithmique

Surface

Réponse

Résistances des couches

Isoler ṁ₂