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 11000 kg/h · 50% selFlux 2ṁ₂ = ? · 20% selProduit45% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 45 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 50 %x2 = 20 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3200 kg/h · 14% sucreProduit P40% sucreVapeur W (eau pure)W = ? kg/h

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

F = 3200 kg/hxF = 14 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C90 °Ceau · 20 °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 → 90 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C130 °Ceau · 10 °C45 °C · ṁ = ?5 % perdus

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Ct: 10 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
470 g de HeV = 5 LT = 10 °CP = ?

Un réservoir de 5 L contient 470 g de He à 10 °C. Considérez-le comme un gaz parfait et trouvez la pression P.

m = 470 gM = 4,003 g/molV = 5 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de He passe de 400 kPa, 2 L, 35 °C à 700 kPa et 110 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 700 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

12 g de Fe2O3 et 10 g de CO réagissent selon Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Quelle masse m de CO2 peut se former ?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 30 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 9,24 g de CaO. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molréel: 9,24 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 = 9. Trouvez la concentration à l’équilibre [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 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 = 75 gT = 170 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 200 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 75 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 170 °C est plongé dans 200 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 16 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 200 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
H10 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂réactifs4CO₂ + 6H₂O(l)produitsq = ?

Utilisez les enthalpies standard de formation pour trouver la chaleur q libérée par la combustion complète de 10 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) : 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Donnez q en valeur positive.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)C (mol/L)20 min1,2

Dans une réaction d’ordre 1, la concentration de A passe de 2 mol/L à 1,2 mol/L en 20 min. Trouvez la constante de vitesse k.

CA0 = 2 mol/LCA = 1,2 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk20 °C0,0545 °C?

Une réaction a une constante de vitesse de 0,05 min⁻¹ à 20 °C et une énergie d’activation de 70 kJ/mol. Trouvez la constante de vitesse k2 à 45 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 10 L/minX = 80%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 10 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 80 %.

Q = 10 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 250 LQ = 10 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,05 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 250 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 = 250 LQ = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT120 °C15 °C100 °CΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

Dans un condenseur, de la vapeur se condense à une température constante de 120 °C à l’extérieur des tubes. L’eau de refroidissement (3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) circule dans les tubes et se réchauffe de 15 à 100 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Ts = 120 °Cṁ = 3 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 100 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT160 °C55 °C82,78 °C25 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

De l’huile chaude (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) se refroidit de 160 à 55 °C dans un échangeur à contre-courant. Elle réchauffe 1,5 kg/s d’eau (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) qui entre à 25 °C. Avec U = 1500 W/(m²·K), trouvez la surface d’échange A nécessaire.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 160 → 55 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduction thermiqueMoyen
Béton, k = 1,4150 mmVerre, k = 0,96100 mm22 °C-8 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 150 mm de béton et de 100 mm de verre, avec une surface de 20 m². Les faces extérieures sont à 22 °C et -8 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 22 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Conduction thermiqueDifficile
Brique, k = 0,72150 mmVerre, k = 0,9625 mmpièce 21 °Cextérieur -7 °CQ̇

Un mur de 150 mm de brique et 25 mm de verre sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -7 °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 20 m². Trouvez le coefficient de transmission thermique global U du mur.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -7 °C
U = W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
V = 2,4 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0,02

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,4 m/s dans une conduite horizontale de 400 m de long et de diamètre intérieur 150 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 2,4 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 0,2Δz = 22 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0184× coude (K = 0,3)

Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 150 m de long, de diamètre intérieur 250 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,018. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 22 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 = 0,2) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.

Δz = 22 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 14 m

Une pompe de rendement 60 % débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 14 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 10 L/sH = 14 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 15 L/sΔz = 7 mL = 300 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Une pompe refoule 15 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 7 m plus haut. La conduite mesure 300 m de long, a un diamètre intérieur de 100 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,022 ; 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 72 %. Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft en kW.

Q = 15 L/sΔz = 7 mL = 300 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 200 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
sel: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Isoler ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(50 − 45)/(45 − 20) = 200 kg/h

Réponse

ṁ2 = 200 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 2080 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 = 3200·14/40 = 1120 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3200 − 1120 = 2080 kg/h

Réponse

W = 2080 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 80,29 °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 = 1,5·2,1·(130 − 90) = 126 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 126/(0,5·4,18) = 80,29 °C

Réponse

tout = 80,29 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,169 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1·3,6·(180 − 130) = 180 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·180 = 171 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 171/(4,18·35) = 1,169 kg/s

Réponse

ṁc = 1,169 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: P = 55280 kPa

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

Moles

n = m/M = 470/4,003 = 117,4 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Pression

P = nRT/V = 117,4·8,314·283,1/0,005 = 55280 kPa

Réponse

P = 55280 kPa
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 1,421 L

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

Températures absolues

T1 = 308,1 K, T2 = 383,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/700)·(383,1/308,1) = 1,421 L

Réponse

V2 = 1,421 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 9,921 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(Fe2O3) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 10/28,01 = 0,357 mol

Réactif limitant

0,07515/1 = 0,07515, 0,357/3 = 0,119 → Fe2O3

Masse de produit

n(CO2) = 0,07515·3 = 0,2254 mol
m = 0,2254·44,01 = 9,921 g

Réponse

m = 9,921 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 54,97 %

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) = 30/100,09 = 0,2997 mol
m = 0,2997·1/1·56,08 = 16,81 g

Rendement

Y = 9,24/16,81·100 = 54,97%

Réponse

Y = 54,97%
9.Équilibre chimique

Réponse: [HI] = 0,6 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

9 = (2x)²/(0,5 − x)²

Prendre la racine carrée

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Concentration à l’équilibre

[HI] = 2x = 0,6 mol/L

Réponse

[HI] = 0,6 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 = 21,96 °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

75·0,449·(170 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 16)

Isoler la température finale

Tf = (33,68·170 + 836·16)/(33,68 + 836) = 21,96 °C

Réponse

Tf = 21,96 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: q = 518,7 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Chaleur pour la masse donnée

n = 10/30,07 = 0,3326 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3326·1560 = 518,7 kJ

Réponse

q = 518,7 kJ
13.Cinétique chimique

Réponse: k = 0,02554 min⁻¹

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).

Loi intégrée d’ordre 1

k = ln(CA0/CA)/t = ln(2/1,2)/20 = 0,5108/20 = 0,02554 min⁻¹

Réponse

k = 0,02554 min⁻¹
14.Cinétique chimique

Réponse: k2 = 0,4777 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 = 318,1 K

Rapport d’Arrhenius

ln(k2/k1) = −(70000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 2,257
k2 = 0,05·e2,257 = 0,4777 min⁻¹

Réponse

k2 = 0,4777 min⁻¹
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 53,65 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 − 0,8))/0,3 = 1,609/0,3 = 5,365 min

Volume

V = Q·τ = 10·5,365 = 53,65 L

Réponse

V = 53,65 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 55,56 %

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 = 250/10 = 25 min, kτ = 0,05·25 = 1,25

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 1,25/(1 + 1,25) = 55,56%

Réponse

X = 55,56%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 20,79 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 = 3·4,18·(100 − 15) = 1066 kW

Écarts de température aux extrémités

ΔT₁ = 120 − 15 = 105 K
ΔT₂ = 120 − 100 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 20)/ln(105/20) = 51,26 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 1,066 × 10⁶/(1000·51,26) = 20,79 m²

Réponse

A = 20,79 m²
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 4,835 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) = 1,5·2,3·105 = 362,3 kW
Tc,out = 25 + 362,3/(1,5·4,18) = 82,78 °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 = 160 − 82,78 = 77,22 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (77,22 − 30)/ln(77,22/30) = 49,95 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 362250/(1500·49,95) = 4,835 m²

Réponse

A = 4,835 m²
19.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 2839 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) = (150/1000)/(1,4·20) = 0,005357 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·20) = 0,005208 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,01057 = 2839 W

Réponse

Q̇ = 2839 W
20.Conduction thermique

Réponse: U = 2,602 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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·20) = 0,001302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,01922 K/W

Coefficient global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,01922) = 2,602 W/(m²·K)

Réponse

U = 2,602 W/(m²·K)
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 153,6 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) = 0,02·(400/0,15)·2,4²/(2·9,81) = 15,66 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 = 1000·9,81·15,66 = 153600 Pa = 153,6 kPa

Réponse

Δp = 153,6 kPa
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 275,5 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 = 0,018·150/0,25 = 10,8
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Équation de l’énergie

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

22 = (10,8 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·22/13,7) = 5,613 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 5,613·0,04909 = 0,2755 m³/s = 275,5 L/s

Réponse

Q = 275,5 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 2,289 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 = 1000·9,81·0,01·14 = 1,373 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 1,373/0,6 = 2,289 kW

Réponse

Pshaft = 2,289 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 4,242 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66 + 8)·0,1859 = 13,76 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + hL = 7 + 13,76 = 20,76 m

Puissance sur l’arbre

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,015·20,76/0,72 = 4,242 kW

Réponse

Pshaft = 4,242 kW

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