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 1700 kg/h · 15% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 50% 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 = 700 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F800 kg/h · 20% NaOHProduit P65% NaOHVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 800 kg/hxF = 20 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C100 °Ceau · 10 °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: 130 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 130 °C100 °Ceau · 20 °C65 °C · ṁ = ?10 % perdus

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 20 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
380 g de HeP = 700 kPaT = 15 °CV = ?

Quel volume V occupent 380 g de He à 700 kPa et 15 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 380 gM = 4,003 g/molP = 700 kPaT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de O₂ passe de 400 kPa, 10 L, 10 °C à 400 kPa et 180 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 400 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

4 g de Na et 32 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Dans la réaction N2 + 3H2 → 2NH3, 8 g de N2 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 7,97 g de NH3. Calcule le rendement Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molréel: 7,97 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

On introduit 1 mol/L de H₂ et 1 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 54. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 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 = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 150 gT = 170 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 100 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 170 °C est plongé dans 100 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 18 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 100 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H50 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂réactifs8CO₂ + 10H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 50 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) : 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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 = ?75%

Une réaction d’ordre 0 a k = 0,02 mol/(L·min) et part de 1,2 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 75 % ? Trouvez t.

k = 0,02 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,0140 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,01 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 100 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 40 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 40 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 5 L/minX = 90%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,2 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 5 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 90 %.

Q = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 250 LV = 250 LQ = 25 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,12 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 250 L chacun. Le débit d’alimentation est de 25 L/min, la masse volumique est constante et les réacteurs sont en régime permanent. Trouvez la conversion globale X en pourcentage.

V = 250 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT100 °C25 °C55 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 100 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 25 à 55 °C. Le coefficient global d’échange vaut 3500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 100 °Cṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 55 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT180 °C120 °C65,89 °C30 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) se refroidit de 180 à 120 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 30 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,4200 mmLaine minérale, k = 0,0475 mm21 °C1 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 200 mm de béton et de 75 mm de laine minérale, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 21 °C et 1 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 21 °CT3 = 1 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Plaque de plâtre, k = 0,17100 mmVerre, k = 0,9650 mmpièce 22 °Cextérieur -2 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 100 mm de plaque de plâtre et 50 mm de verre sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à -2 °C. Les coefficients de convection valent 10 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 12 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -2 °C
Ts = °C
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 1,1 m/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,022

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,1 m/s dans une conduite horizontale de 500 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1,1 m/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 17 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,0154× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 200 m de long, de diamètre intérieur 150 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,015. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 17 m plus haut que celle du réservoir inférieur. 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. Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 17 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 15 L/sH = 60 m

Une pompe de rendement 65 % débite 15 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 60 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 15 L/sH = 60 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
100 kPa (relative)PQ = 30 L/sΔz = 14 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 6

Une pompe refoule 30 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 14 m plus haut. La conduite mesure 100 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 6 (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 100 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 30 L/sΔz = 14 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6ptank = 100 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 933,3 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) = 700·(15 − 35)/(35 − 50) = 933,3 kg/h

Réponse

ṁ2 = 933,3 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 553,8 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 = 800·20/65 = 246,2 kg/h

Bilan global

W = F − P = 800 − 246,2 = 553,8 kg/h

Réponse

W = 553,8 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 25,07 °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·(130 − 100) = 94,5 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 94,5/(1,5·4,18) = 25,07 °C

Réponse

tout = 25,07 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,033 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·3,6·(130 − 100) = 216 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,1)·216 = 194,4 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 194,4/(4,18·45) = 1,033 kg/s

Réponse

ṁc = 1,033 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 324,9 L

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

Moles

n = 380/4,003 = 94,93 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Volume

V = nRT/P = 94,93·8,314·288,1/700 = 324,9 L

Réponse

V = 324,9 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 16 L

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

Températures absolues

T1 = 283,1 K, T2 = 453,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/400)·(453,1/283,1) = 16 L

Réponse

V2 = 16 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 10,17 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) = 4/22,99 = 0,174 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Réactif limitant

0,174/2 = 0,08699, 0,4513/1 = 0,4513 → Na

Masse de produit

n(NaCl) = 0,08699·2 = 0,174 mol
m = 0,174·58,44 = 10,17 g

Réponse

m = 10,17 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 81,96 %

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(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
m = 0,2855·2/1·17,03 = 9,724 g

Rendement

Y = 7,97/9,724·100 = 81,96%

Réponse

Y = 81,96%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,2139 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

54 = (2x)²/(1 − x)²

Prendre la racine carrée

7,348 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,348/(2 + 7,348) = 0,7861 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 1 − x = 0,2139 mol/L

Réponse

[H2] = 0,2139 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,309 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

0,5 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,25 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,309 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,309 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 39,09 °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

150·0,449·(170 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 18)

Isoler la température finale

Tf = (67,35·170 + 418·18)/(67,35 + 418) = 39,09 °C

Réponse

Tf = 39,09 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 2475 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 50/58,12 = 0,8603 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8603·2877 = 2475 kJ

Réponse

q = 2475 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).

Quantité convertie

CA0·X = 1,2·0,75 = 0,9 mol/L

Durée

t = CA0·X/k = 0,9/0,02 = 45 min

Réponse

t = 45 min
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,1374 min⁻¹

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 = 293,1 K, T2 = 313,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/313,1 − 1/293,1) = 2,62
k2 = 0,01·e2,62 = 0,1374 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,1374 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 57,56 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 − 0,9))/0,2 = 2,303/0,2 = 11,51 min

Volume

V = Q·τ = 5·11,51 = 57,56 L

Réponse

V = 57,56 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 79,34 %

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 = 250/25 = 10 min, kτ = 0,12·10 = 1,2

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,2) = 0,4545
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,2066
X = 1 − 0,2066 = 79,34%

Réponse

X = 79,34%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,6101 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 = 1·4,18·(55 − 25) = 125,4 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 100 − 25 = 75 K
ΔT₂ = 100 − 55 = 45 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 45)/ln(75/45) = 58,73 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 125400/(3500·58,73) = 0,6101 m²

Réponse

A = 0,6101 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,9844 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) = 1·2,5·60 = 150 kW
Tc,out = 30 + 150/(1·4,18) = 65,89 °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 = 180 − 65,89 = 114,1 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 30 = 90 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (114,1 − 90)/ln(114,1/90) = 101,6 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(1500·101,6) = 0,9844 m²

Réponse

A = 0,9844 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 19,58 °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) = (200/1000)/(1,4·6) = 0,02381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·6) = 0,3125 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,3363 = 59,47 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 59,47·0,02381 = 19,58 °C

Réponse

Ti = 19,58 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Ts = 18,92 °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 en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·12) = 0,00434 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,06503 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (22 − (-2))/0,06503 = 369,1 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 369,1·0,008333 = 18,92 °C

Réponse

Ts = 18,92 °C
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 44,37 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) = 0,022·(500/0,15)·1,1²/(2·9,81) = 4,523 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 = 1000·9,81·4,523 = 44367 Pa = 44,37 kPa

Réponse

Δp = 44,37 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 64,94 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 = 0,015·200/0,15 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Équation de l’énergie

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

17 = (20 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·17/24,7) = 3,675 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 3,675·0,01767 = 0,06494 m³/s = 64,94 L/s

Réponse

Q = 64,94 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 13,58 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 = 1000·9,81·0,015·60 = 8,829 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 8,829/0,65 = 13,58 kW

Réponse

Pshaft = 13,58 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 27,52 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,67 + 6)·0,1469 = 3,33 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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) + hL = 14 + 10,19 + 3,33 = 27,52 m

Réponse

H = 27,52 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