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 1800 kg/h · 5% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduit20% NaOH

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

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3900 kg/h · 18% selProduit PP = ? · 55%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 = 3900 kg/hxF = 18 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 150 °C90 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 150 °C100 °Ceau · 25 °C80 °C · ṁ = ?10 % perdus

Du éthanol 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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
150 g de N₂P = 350 kPaT = 20 °CV = ?

Quel volume V occupent 150 g de N₂ à 350 kPa et 20 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 150 gM = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de Ar passe de 150 kPa, 20 L, 30 °C à 300 kPa et 80 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 30 °CP2 = 300 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g de H2 et 80 g de O2 réagissent selon 2H2 + O2 → 2H2O. Quelle masse m de H2O peut se former ?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Dans la réaction 2H2 + O2 → 2H2O, 20 g de H2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 151,9 g de H2O. Calcule le rendement Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molréel: 151,9 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 = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 64
[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 [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 200 gT = 90 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 200 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 90 °C est plongé dans 250 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 23 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 250 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HCH4​ + 2O₂réactifsCO₂ + 2H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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 = ?75%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 1 L/(mol·min) et part de 1 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 75 % ? Trouvez t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk30 °C0,0250 °C0,0873

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,02 min⁻¹ à 30 °C et 0,0873 min⁻¹ à 50 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0873 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 50 L/minX = 60%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,25 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez le volume du réacteur V en litres pour une conversion de A de 60 %.

Q = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 200 LQ = 20 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,4 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 200 L alimenté à 20 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT130 °C15 °C115 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 130 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 15 à 115 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 130 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 115 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT125 °C105 °C64,02 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 125 à 105 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 0,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 20 °C. Avec U = 200 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 125 → 105 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Bois, k = 0,17100 mmPlaque de plâtre, k = 0,1725 mm16 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 100 mm de bois et de 25 mm de plaque de plâtre, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 16 °C et 2 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 16 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,035200 mmLaine minérale, k = 0,0475 mmpièce 22 °Cextérieur 0 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de polystyrène expansé et 75 mm de laine minérale sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à 0 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,1 m/sD = 150 mmL = 300 mf = 0,025

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 2,1 m/s dans une conduite de 300 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 2,1 m/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0224× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,022. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 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. Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 120 L/s ?

Q = 120 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 80 L/sH = 16 m

Lors d’un essai, une pompe débite 80 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 16 m tandis que son arbre absorbe 16,7 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.

Q = 80 L/sH = 16 mPshaft = 16,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 19 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 8

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 19 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. Le rendement de la pompe est de 78 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 80 L/sΔz = 19 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 8η = 78%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 480 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) = 800·(5 − 20)/(20 − 45) = 480 kg/h

Réponse

ṁ2 = 480 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 1276 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 = 3900·18/55 = 1276 kg/h

Réponse

P = 1276 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 55,14 °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 = 1,5·2,1·(150 − 90) = 189 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 189/(1,5·4,18) = 55,14 °C

Réponse

tout = 55,14 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,4776 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,44·(150 − 100) = 122 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·122 = 109,8 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 109,8/(4,18·55) = 0,4776 kg/s

Réponse

ṁc = 0,4776 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 37,29 L

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

Moles

n = 150/28,01 = 5,355 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,355·8,314·293,1/350 = 37,29 L

Réponse

V = 37,29 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 11,65 L

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

Températures absolues

T1 = 303,1 K, T2 = 353,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/300)·(353,1/303,1) = 11,65 L

Réponse

V2 = 11,65 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 90,1 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(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Réactif limitant

9,921/2 = 4,96, 2,5/1 = 2,5 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 2,5·2 = 5 mol
m = 5·18,02 = 90,1 g

Réponse

m = 90,1 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 85 %

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(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol
m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Rendement

Y = 151,9/178,8·100 = 85%

Réponse

Y = 85%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,8 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

64 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·8/(2 + 8) = 0,4 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,8 mol/L

Réponse

[HI] = 0,8 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,1791 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

[Cl₂] = x = 0,1791 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,1791 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 28,3 °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

200·0,449·(90 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 23)

Isoler la température finale

Tf = (89,8·90 + 1045·23)/(89,8 + 1045) = 28,3 °C

Réponse

Tf = 28,3 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

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

Réponse

ΔH° = −890,3 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 3 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 = 1·(1 − 0,75) = 0,25 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (4 − 1)/1 = 3 min

Réponse

t = 3 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 60,01 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 = 303,1 K, T2 = 323,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,474/(-2,042e-4) = 60010 J/mol
Ea = 60,01 kJ/mol

Réponse

Ea = 60,01 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 183,3 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 = ln(1/(1 − 0,6))/0,25 = 0,9163/0,25 = 3,665 min

Volume

V = Q·τ = 50·3,665 = 183,3 L

Réponse

V = 183,3 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 80 %

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 = 200/20 = 10 min, kτ = 0,4·10 = 4

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Réponse

X = 80%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 17,03 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.

Puissance thermique côté eau

Q̇ = 2·4,18·(115 − 15) = 836 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 130 − 15 = 115 K
ΔT₂ = 130 − 115 = 15 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 15)/ln(115/15) = 49,09 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 836000/(1000·49,09) = 17,03 m²

Réponse

A = 17,03 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 6,36 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.

Puissance échangée et température de sortie de l’eau

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2,3·20 = 92 kW
Tc,out = 20 + 92/(0,5·4,18) = 64,02 °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 = 125 − 64,02 = 60,98 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 20 = 85 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60,98 − 85)/ln(60,98/85) = 72,33 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 92000/(200·72,33) = 6,36 m²

Réponse

A = 6,36 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 4,8 °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) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·20) = 0,007353 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,03676 = 380,8 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 380,8·0,02941 = 4,8 °C

Réponse

Ti = 4,8 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 28,43 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/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·10) = 0,5714 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·10) = 0,1875 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,7739 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (0))/0,7739 = 28,43 W

Réponse

Q̇ = 28,43 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 11,24 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.

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(300/0,15)·2,1²/(2·9,81) = 11,24 m

Réponse

hf = 11,24 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 2,845 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,022·200/0,3 = 14,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perte de charge totale

hf = 14,67·0,1469 = 2,154 m
hm = 4,7·0,1469 = 0,6904 m
Δz = hf + hm = 2,845 m

Réponse

Δz = 2,845 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: η = 75,19 %

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 = 1000·9,81·0,08·16 = 12,56 kW

Rendement

η = Ph/Pshaft = 12,56/16,7 = 75,19%

Réponse

η = 75,19%
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 25,93 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.

Vitesse

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12,5 + 8)·0,3305 = 6,775 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 19 + 6,775 = 25,78 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·25,78/0,78 = 25,93 kW

Réponse

Pshaft = 25,93 kW

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