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 1250 kg/h · 5% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 45% sucreProduit10% sucre

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 10 % de sucre ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3500 kg/h · 5% sucreProduit PP = ? · 45%Vapeur W (eau pure)0% sucre

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

F = 3500 kg/hxF = 5 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C80 °Ceau · 30 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidéthanol · 180 °C100 °Ceau · 25 °C70 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du éthanol 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 ṁc nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
50 g de CO₂V = 50 LT = 40 °CP = ?

Un réservoir de 50 L contient 50 g de CO₂ à 40 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 50 gM = 44,01 g/molV = 50 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 100 kPa, 10 L, 40 °C à 700 kPa et 240 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 40 °CP2 = 700 kPaT2 = 240 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 et 32 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(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 6,81 g de NH3. Calcule le rendement Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molréel: 6,81 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 = 25. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,05 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Zincm = 250 gT = 200 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Eaum = 150 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en zinc de 250 g (c = 0,388 J/(g·°C)) à 200 °C est plongé dans 150 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 17 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 150 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HC2​H5​OH + 3O₂réactifs2CO₂ + 3H₂O(l)produitsΔH° = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver ΔH° de la réaction C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = 0,8 L/(mol·min) et part de 1,5 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 75 % ? Trouvez t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 75 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk30 °C0,00260 °C0,0119

La constante de vitesse d’une réaction vaut 0,002 min⁻¹ à 30 °C et 0,0119 min⁻¹ à 60 °C. Trouvez l’énergie d’activation Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0119 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 80 L/minX = 60%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,3 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 80 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 = 80 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 100 LV = 100 LQ = 100 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,25 min⁻¹) a lieu dans deux RPAC identiques en série, de 100 L chacun. Le débit d’alimentation est de 100 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 = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT130 °C30 °C60 °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 30 à 60 °C. Le coefficient global d’échange vaut 3500 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 130 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 60 °CU = 3500 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT105 °C45 °C86,03 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 105 à 45 °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 = 500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 105 → 45 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Polystyrène expansé, k = 0,035250 mmBois, k = 0,1775 mm23 °C-8 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de polystyrène expansé et de 75 mm de bois, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 23 °C et -8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 23 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Laine minérale, k = 0,04200 mmBrique, k = 0,72100 mmpièce 20 °Cextérieur 5 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de laine minérale et 100 mm de brique sépare une pièce à 20 °C de l’air extérieur à 5 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 4 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 5 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 5 L/sD = 75 mmL = 100 mf = 0,022

De l’eau s’écoule avec un débit de 5 L/s dans une conduite de 100 m de long et de diamètre intérieur 75 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 5 L/sL = 100 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0182× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 300 m de long, de diamètre intérieur 200 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,018. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 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 75 L/s ?

Q = 75 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 32 m

Une pompe débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 32 m. Le rendement de la pompe est de 82 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 88 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique Pel absorbée par le moteur, en kW.

Q = 10 L/sH = 32 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
300 kPa (relative)PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,02, 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 6 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 = 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 300 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6ptank = 300 kPa
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 35,71 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) = 250·(5 − 10)/(10 − 45) = 35,71 kg/h

Réponse

ṁ2 = 35,71 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 388,9 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 = 3500·5/45 = 388,9 kg/h

Réponse

P = 388,9 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 90,29 °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 = 3·2,1·(120 − 80) = 252 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 252/(1·4,18) = 90,29 °C

Réponse

tout = 90,29 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,9859 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·2,44·(180 − 100) = 195,2 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·195,2 = 185,4 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 185,4/(4,18·45) = 0,9859 kg/s

Réponse

ṁc = 0,9859 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 59,16 kPa

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

Moles

n = m/M = 50/44,01 = 1,136 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Pression

P = nRT/V = 1,136·8,314·313,1/0,05 = 59,16 kPa

Réponse

P = 59,16 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 2,341 L

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

Températures absolues

T1 = 313,1 K, T2 = 513,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/700)·(513,1/313,1) = 2,341 L

Réponse

V2 = 2,341 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 36,04 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) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Réactif limitant

5,952/2 = 2,976, 1/1 = 1 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 1·2 = 2 mol
m = 2·18,02 = 36,04 g

Réponse

m = 36,04 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 70,03 %

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 = 6,81/9,724·100 = 70,03%

Réponse

Y = 70,03%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,7143 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

25 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,7143 mol/L

Réponse

[HI] = 0,7143 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,1351 mol/L

Équilibre chimique : pour aA + bB ⇌ cC + dD, la constante d’équilibre est Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), avec les concentrations à l’équilibre. Un tableau ICE (Initial, Changement, Équilibre) relie les quantités initiales aux quantités à l’équilibre par une seule inconnue x, multipliée par les coefficients.

Expression à l’équilibre

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

Résoudre l’équation du second degré

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

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,1351 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,1351 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 41,52 °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

250·0,388·(200 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 17)

Isoler la température finale

Tf = (97·200 + 627·17)/(97 + 627) = 41,52 °C

Réponse

Tf = 41,52 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −1367 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° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Réponse

ΔH° = −1367 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 2,5 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 = 1,5·(1 − 0,75) = 0,375 mol/L

Loi intégrée d’ordre 2

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,667 − 0,6667)/0,8 = 2,5 min

Réponse

t = 2,5 min
14.Cinétique chimique

Réponse: Ea = 49,92 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 = 333,1 K

Isoler Ea dans Arrhenius

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,783/(-2,970e-4) = 49915 J/mol
Ea = 49,92 kJ/mol

Réponse

Ea = 49,92 kJ/mol
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 244,3 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))/0,3 = 0,9163/0,3 = 3,054 min

Volume

V = Q·τ = 80·3,054 = 244,3 L

Réponse

V = 244,3 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 36 %

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 = 100/100 = 1 min, kτ = 0,25·1 = 0,25

Conversion

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,25) = 0,8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,64
X = 1 − 0,64 = 36%

Réponse

X = 36%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 0,8519 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·(60 − 30) = 250,8 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 130 − 30 = 100 K
ΔT₂ = 130 − 60 = 70 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 70)/ln(100/70) = 84,11 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250800/(3500·84,11) = 0,8519 m²

Réponse

A = 0,8519 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 12,63 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) = 1·2,3·60 = 138 kW
Tc,out = 20 + 138/(0,5·4,18) = 86,03 °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 = 105 − 86,03 = 18,97 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 20 = 25 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (18,97 − 25)/ln(18,97/25) = 21,85 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 138000/(500·21,85) = 12,63 m²

Réponse

A = 12,63 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 61,31 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)/(0,035·15) = 0,4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·15) = 0,02941 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,5056 = 61,31 W

Réponse

Q̇ = 61,31 W
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 11,32 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/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·4) = 1,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·4) = 0,03472 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 1,326 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (20 − (5))/1,326 = 11,32 W

Réponse

Q̇ = 11,32 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 1,915 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 moyenne

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,005/0,004418 = 1,132 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 1,132²/(2·9,81) = 0,06529 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,075)·1,132²/(2·9,81) = 1,915 m

Réponse

hf = 1,915 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 9,034 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,018·300/0,2 = 27
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perte de charge totale

hf = 27·0,2905 = 7,843 m
hm = 4,1·0,2905 = 1,191 m
Δz = hf + hm = 9,034 m

Réponse

Δz = 9,034 m
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pel = 4,35 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 = 1000·9,81·0,01·32 = 3,139 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = 3,139/0,82 = 3,828 kW

Puissance électrique

Pel = 3,828/0,88 = 4,35 kW

Réponse

Pel = 4,35 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 41,87 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 6)·0,3305 = 5,288 m

Hauteur de pression

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 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 = 6 + 30,58 + 5,288 = 41,87 m

Réponse

H = 41,87 m

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