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 · 5% sucreFlux 2ṁ₂ = ? · 50% sucreProduit45% sucre

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4200 kg/h · 10% NaOHProduit PP = ? · 60%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 = 4200 kg/hxF = 10 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 120 °C80 °Ceau · 20 °Ct = ? °C

Du mélange glycolé chaud refroidit de l’eau dans un échangeur à contre-courant sans pertes. Trouvez la température de sortie de l’eau tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 170 °C140 °Ceau · 15 °C60 °C · ṁ = ?5 % perdus

Du huile légère 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 = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 5 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
90 g de N₂P = 250 kPaT = 20 °CV = ?

Quel volume V occupent 90 g de N₂ à 250 kPa et 20 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 90 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
CH₄, M = 16,04 g/molP = 950 kPaT = 70 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de CH₄ à 950 kPa et 70 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 16,04 g/molP = 950 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

24 g de H2 et 10 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(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 16 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 4,36 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 4,36 g
Y = %
9.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

On introduit 0,8 mol/L de H₂ et 0,8 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 36. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,05 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 1,5 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimétrie et enthalpieMoyen
Tf​ = ?Ferm = 150 gT = 160 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Eaum = 400 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloc en fer de 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) à 160 °C est plongé dans 400 g d’eau (c = 4,18 J/(g·°C)) à 25 °C dans un récipient isolé. Trouvez la température finale Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 400 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimétrie et enthalpieDifficile
HCH4​ + 2O₂réactifsCO₂ + 2H₂O(l)produitsΔH° = ?

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

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)X (%)t = ?95%

Une réaction d’ordre 1 dans un réacteur fermé a k = 0,2 min⁻¹. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 95 % ? Trouvez t.

k = 0,2 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinétique chimiqueDifficile
Tk50 °Ck1​?2·k1​

Une réaction a une énergie d’activation de 80 kJ/mol. À 50 °C, elle est trop lente. À quelle température T2 (en °C) faut-il la chauffer pour la rendre 2 fois plus rapide ?

Ea = 80 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 50 L/minX = 95%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,5 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 50 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez le volume du réacteur V en litres pour une conversion de A de 95 %.

Q = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
Q = 5 L/minX = ?V = 50 L

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,3 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 50 L alimenté à 5 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT125 °C105 °C10 °C85 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur de chaleur à co-courant transfère 190 kW. Sa surface d’échange est de 15 m². Le fluide chaud se refroidit de 125 à 105 °C et le fluide froid se réchauffe de 10 à 85 °C. Trouvez le coefficient global d’échange U.

Q̇ = 190 kWA = 15 m²Th: 125 → 105 °CTc: 10 → 85 °C
U = W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT110 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 110 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 8 m² et U = 1500 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 10 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 110 °CA = 8 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Conduction thermiqueMoyen
Bois, k = 0,17100 mmVerre, k = 0,96100 mm23 °C6 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 100 mm de bois et de 100 mm de verre, avec une surface de 12 m². Les faces extérieures sont à 23 °C et 6 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 23 °CT3 = 6 °C
Ti = °C
20.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,035200 mmBéton, k = 1,4100 mmpièce 21 °Cextérieur 1 °CQ̇ = ?

Un mur de 200 mm de polystyrène expansé et 100 mm de béton sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à 1 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 1 °C
Q̇ = W
21.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
Q = 50 L/sD = 300 mmL = 400 mf = 0,025

De l’eau s’écoule avec un débit de 50 L/s dans une conduite de 400 m de long et de diamètre intérieur 300 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,025 et g = 9,81 m/s². Trouvez la perte de charge par frottement hf.

Q = 50 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
K = 2Δz = 12 mL = 150 m, D = 300 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 300 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 12 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 = 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 = 12 mL = 150 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompes et puissance de pompageMoyen
PQ = 10 L/sH = 40 m

Une pompe de rendement 60 % débite 10 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 40 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance sur l’arbre Pshaft nécessaire, en kW.

Q = 10 L/sH = 40 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompes et puissance de pompageDifficile
PQ = 50 L/sΔz = 14 mL = 300 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 4

Une pompe refoule 50 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 300 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 4 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.

Q = 50 L/sΔz = 14 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 4
H = m

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 8000 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) = 1000·(5 − 45)/(45 − 50) = 8000 kg/h

Réponse

ṁ2 = 8000 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 700 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 = 4200·10/60 = 700 kg/h

Réponse

P = 700 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 54,45 °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 = 0,5·3,6·(120 − 80) = 72 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 72/(0,5·4,18) = 54,45 °C

Réponse

tout = 54,45 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,6364 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2·2,1·(170 − 140) = 126 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,05)·126 = 119,7 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 119,7/(4,18·45) = 0,6364 kg/s

Réponse

ṁc = 0,6364 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 31,32 L

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

Moles

n = 90/28,01 = 3,213 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,213·8,314·293,1/250 = 31,32 L

Réponse

V = 31,32 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 5,341 kg/m³

Masse volumique d’un gaz parfait : ρ = PM/(RT).

Réarranger la loi des gaz

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Masse volumique

ρ = 950·16,04/(8,314·343,1) = 5,341 kg/m³

Réponse

ρ = 5,341 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 11,26 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) = 24/2,016 = 11,9 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Réactif limitant

11,9/2 = 5,952, 0,3125/1 = 0,3125 → O2

Masse de produit

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Réponse

m = 11,26 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 61,97 %

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) = 16/100,09 = 0,1599 mol
m = 0,1599·1/1·44,01 = 7,035 g

Rendement

Y = 4,36/7,035·100 = 61,97%

Réponse

Y = 61,97%
9.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,2 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/(0,8 − x)²

Prendre la racine carrée

6 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·6/(2 + 6) = 0,6 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,8 − x = 0,2 mol/L

Réponse

[H2] = 0,2 mol/L
10.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,25 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/(1,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,075 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,075))/2 = 0,25 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,25 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,25 mol/L
11.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: Tf = 30,23 °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·(160 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 25)

Isoler la température finale

Tf = (67,35·160 + 1672·25)/(67,35 + 1672) = 30,23 °C

Réponse

Tf = 30,23 °C
12.Calorimétrie et enthalpie

Réponse: ΔH° = −890,3 kJ

Chaleur et enthalpie : chauffer une substance demande q = m·c·ΔT. Dans un calorimètre, la chaleur cédée par le corps chaud est égale à la chaleur reçue par le corps froid. La variation d’enthalpie d’une réaction se déduit des enthalpies de formation : ΔH° = ΣΔH°f(produits) − ΣΔH°f(réactifs), chacune multipliée par son coefficient.

Enthalpie de réaction

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

Réponse

ΔH° = −890,3 kJ

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

13.Cinétique chimique

Réponse: t = 14,98 min

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).

Conversion et concentration

C/C0 = 1 − X = 0,05

Isoler le temps

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,2 = 14,98 min

Réponse

t = 14,98 min
14.Cinétique chimique

Réponse: T2 = 57,7 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Température absolue

T1 = 323,1 K

Isoler T₂ dans Arrhenius

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(2)/80000 = 3,095 × 10⁻³ − 7,204 × 10⁻⁵ = 3,023 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 330,9 K = 57,7 °C

Réponse

T2 = 57,7 °C
15.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 299,6 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 − 0,95))/0,5 = 2,996/0,5 = 5,991 min

Volume

V = Q·τ = 50·5,991 = 299,6 L

Réponse

V = 299,6 L
16.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 95,02 %

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 = 50/5 = 10 min, kτ = 0,3·10 = 3

Conversion

X = 1 − e−kτ = 1 − e−3 = 95,02%

Réponse

X = 95,02%
17.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: U = 233,2 W/(m²·K)

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.

Écarts de température aux extrémités

À co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 125 − 10 = 115 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 105 − 85 = 20 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 20)/ln(115/20) = 54,31 K

Coefficient global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 190000/(15·54,31) = 233,2 W/(m²·K)

Réponse

U = 233,2 W/(m²·K)
18.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 86,2 °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) = 1500·8/(2·4180) = 1,435

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 100·0,238 = 23,8 K
Tc,out = 110 − 23,8 = 86,2 °C

Réponse

Tc,out = 86,2 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 637 kW.

19.Conduction thermique

Réponse: Ti = 8,558 °C

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

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0,0577 = 294,6 W

Température à l’interface

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 294,6·0,04902 = 8,558 °C

Réponse

Ti = 8,558 °C
20.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 33,58 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/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·10) = 0,5714 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,5956 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (1))/0,5956 = 33,58 W

Réponse

Q̇ = 33,58 W
21.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: hf = 0,8501 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,05/0,07069 = 0,7074 m/s

Hauteur cinétique

V²/(2g) = 0,7074²/(2·9,81) = 0,0255 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(400/0,3)·0,7074²/(2·9,81) = 0,8501 m

Réponse

hf = 0,8501 m
22.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Q = 285,8 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 = 0,02·150/0,3 = 10
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Équation de l’énergie

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

12 = (10 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·12/14,4) = 4,044 m/s

Débit

Q = V·π·D²/4 = 4,044·0,07069 = 0,2858 m³/s = 285,8 L/s

Réponse

Q = 285,8 L/s
23.Pompes et puissance de pompage

Réponse: Pshaft = 6,54 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 = 1000·9,81·0,01·40 = 3,924 kW

Puissance sur l’arbre

Pshaft = Ph/η = 3,924/0,6 = 6,54 kW

Réponse

Pshaft = 6,54 kW
24.Pompes et puissance de pompage

Réponse: H = 31,95 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pertes de charge

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 4)·0,408 = 17,95 m

Hauteur manométrique de la pompe

Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; les termes de pression et de vitesse disparaissent donc.

H = Δz + hL = 14 + 17,95 = 31,95 m

Réponse

H = 31,95 m

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