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 1500 kg/h · 5% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 35% sucreProduit20% sucre

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

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F2300 kg/h · 8% NaOHProduit PP = ? · 50%Vapeur W (eau pure)0% NaOH

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

F = 2300 kg/hxF = 8 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 160 °C100 °Ceau · 15 °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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C60 °Ceau · 15 °C40 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du huile légère 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
180 g de O₂V = 5 LT = 0 °CP = ?

Un réservoir de 5 L contient 180 g de O₂ à 0 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 180 gM = 32 g/molV = 5 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CO₂ passe de 300 kPa, 20 L, 40 °C à 500 kPa et 170 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 500 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

4 g de N2 et 8 g de H2 réagissent selon N2 + 3H2 → 2NH3. Quelle masse m de NH3 peut se former ?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 8 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 2,64 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 2,64 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 = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Cuivrem = 250 gT = 120 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Eaum = 250 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en cuivre de 250 g (c = 0,385 J/(g·°C)) à 120 °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 = 250 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 250 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H25 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂réactifs3CO₂ + 4H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 25 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
t (min)X (%)t = ?90%

Une réaction d’ordre 2 (−rA = k·CA²) dans un réacteur fermé a k = 0,25 L/(mol·min) et part de 0,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 90 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))essai 10,10,002essai 20,30,0104n = ?

Deux expériences mesurent la vitesse initiale de A → produits. Avec CA0 = 0,1 mol/L, la vitesse vaut 0,002 mol/(L·s) ; avec CA0 = 0,3 mol/L, elle vaut 0,0104 mol/(L·s). Trouvez l’ordre de réaction n par rapport à A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,002 mol/(L·s)CA0,2 = 0,3 mol/Lr2 = 0,0104 mol/(L·s)
n =
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
Q = 10 L/minX = ?V = 50 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 50 L alimenté à 10 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT160 °C115 °C150 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 430 kW. Le fluide chaud se refroidit de 160 à 115 °C et le fluide froid se réchauffe de 30 à 150 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 430 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 160 → 115 °CTc: 30 → 150 °C
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT140 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 140 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 1,5 m² et U = 2000 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 30 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 140 °CA = 1,5 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Bois, k = 0,17250 mmLaine minérale, k = 0,0425 mm25 °C-1 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de bois et de 25 mm de laine minérale, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 25 °C et -1 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 25 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Verre, k = 0,96150 mmPolystyrène expansé, k = 0,03575 mmpièce 21 °Cextérieur -11 °CQ̇

Un mur de 150 mm de verre et 75 mm de polystyrène expansé sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -11 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 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 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,1 m/sD = 50 mmL = 50 mf = 0,03

De l’eau s’écoule à une vitesse moyenne de 1,1 m/s dans une conduite de 50 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,03 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

V = 1,1 m/sL = 50 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 5Δz = 21 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,023× 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 = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 21 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 = 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 = 21 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 150 L/sH = 72 m

Une pompe de rendement 65 % débite 150 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 72 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 150 L/sH = 72 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 80 L/sΔz = 25 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 6

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 25 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 = 6 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 75 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 80 L/sΔz = 25 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 6η = 75%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 500 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) = 500·(5 − 20)/(20 − 35) = 500 kg/h

Réponse

ṁ2 = 500 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 368 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 = 2300·8/50 = 368 kg/h

Réponse

P = 368 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 25,05 °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 = 1·2,1·(160 − 100) = 126 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 126/(3·4,18) = 25,05 °C

Réponse

tout = 25,05 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,5124 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 0,5·2,1·(120 − 60) = 63 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·63 = 53,55 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 53,55/(4,18·25) = 0,5124 kg/s

Réponse

ṁc = 0,5124 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 2555 kPa

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

Moles

n = m/M = 180/32 = 5,625 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pression

P = nRT/V = 5,625·8,314·273,1/0,005 = 2555 kPa

Réponse

P = 2555 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 16,98 L

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

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 443,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/500)·(443,1/313,1) = 16,98 L

Réponse

V2 = 16,98 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 4,862 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(N2) = 4/28,02 = 0,1428 mol
n(H2) = 8/2,016 = 3,968 mol

Réactif limitant

0,1428/1 = 0,1428, 3,968/3 = 1,323 → N2

Masse de produit

n(NH3) = 0,1428·2 = 0,2855 mol
m = 0,2855·17,03 = 4,862 g

Réponse

m = 4,862 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 75,05 %

Stœchiométrie : une équation équilibrée compte des particules, pas des grammes. Convertis la masse en moles avec n = m/M, utilise les coefficients de l'équation comme rapport molaire, puis reviens à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier et fixe la quantité de produit formé.

Rendement théorique

n(CaCO3) = 8/100,09 = 0,07993 mol
m = 0,07993·1/1·44,01 = 3,518 g

Rendement

Y = 2,64/3,518·100 = 75,05%

Réponse

Y = 75,05%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,75 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

36 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·6/(2 + 6) = 0,375 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,75 mol/L

Réponse

[HI] = 0,75 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [PCl5] = 0,05367 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

0,04 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,04·x − 0,004 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,004))/2 = 0,04633 mol/L

Concentration à l’équilibre

[PCl₅] = 0,1 − 0,04633 = 0,05367 mol/L

Réponse

[PCl5] = 0,05367 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 31,18 °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

250·0,385·(120 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 23)

Isoler la température finale

Tf = (96,25·120 + 1045·23)/(96,25 + 1045) = 31,18 °C

Réponse

Tf = 31,18 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 1258 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 25/44,1 = 0,5669 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,5669·2220 = 1258 kJ

Réponse

q = 1258 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: t = 72 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Concentration finale

CA = 0,5·(1 − 0,9) = 0,05 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (20 − 2)/0,25 = 72 min

Réponse

t = 72 min
14.Cinétique chimique

Réponse: n = 1,501

Méthode des vitesses initiales : pour r = k·Cⁿ, comparer deux essais qui ne diffèrent que par la concentration initiale élimine k : r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Doubler C double la vitesse à l’ordre 1 et la quadruple à l’ordre 2.

Rapports

r2/r1 = 0,0104/0,002 = 5,2
C2/C1 = 0,3/0,1 = 3

Ordre

n = ln(5,2)/ln(3) = 1,501

Réponse

n = 1,501
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 = 39,35 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Réponse

X = 39,35%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 8,18 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 contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 150 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 30 = 85 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 85)/ln(10/85) = 35,05 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 430000/(1500·35,05) = 8,18 m²

Réponse

A = 8,18 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 113,8 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Avec ΔT₁ = Ts − Tc,in et ΔT₂ = Ts − Tc,out, la différence ΔT₁ − ΔT₂ est égale à l’élévation de température de l’eau, donc celle-ci se simplifie.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·1,5/(0,5·4180) = 1,435

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 110·0,238 = 26,18 K
Tc,out = 140 − 26,18 = 113,8 °C

Réponse

Tc,out = 113,8 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 175,2 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 74,44 W

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

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·6) = 0,1042 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 26/0,3493 = 74,44 W

Réponse

Q̇ = 74,44 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 0,3975 W/(m²·K)

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/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·6) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·6) = 0,3571 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,4193 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,4193) = 0,3975 W/(m²·K)

Réponse

U = 0,3975 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 1,85 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) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(50/0,05)·1,1²/(2·9,81) = 1,85 m

Réponse

hf = 1,85 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 26,07 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 = 0,02·150/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Équation de l’énergie

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

21 = (30 + 7,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·21/37,4) = 3,319 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 3,319·0,007854 = 0,02607 m³/s = 26,07 L/s

Réponse

Q = 26,07 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 163 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 = 1000·9,81·0,15·72 = 105,9 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 105,9/0,65 = 163 kW

Réponse

Pshaft = 163 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 32,56 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 + 6)·0,3305 = 6,114 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 25 + 6,114 = 31,11 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·31,11/0,75 = 32,56 kW

Réponse

Pshaft = 32,56 kW

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