Bilans de matière et d’énergie : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 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.

2Exercices

1.Bilan matièreMoyen
MélangeurFlux 1450 kg/h · 35% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProduit20% NaOH

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3800 kg/h · 11% selProduit PP = ? · 65%Vapeur W (eau pure)0% sel

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

F = 3800 kg/hxF = 11 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C120 °Ceau · 10 °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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 180 °C100 °Ceau · 30 °C90 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du mélange glycolé chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 15 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
330 g de ArP = 200 kPaT = 0 °CV = ?

Quel volume V occupent 330 g de Ar à 200 kPa et 0 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 330 gM = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de N₂ passe de 350 kPa, 5 L, 10 °C à 300 kPa et 70 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

20 g de Al et 20 g de Cl2 réagissent selon 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Quelle masse m de AlCl3 peut se former ?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

Dans la réaction CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 10 g de CH4 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 25,79 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 25,79 g
Y = %

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 1350 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) = 450·(35 − 20)/(20 − 15) = 1350 kg/h

Réponse

ṁ2 = 1350 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: P = 643,1 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 = 3800·11/65 = 643,1 kg/h

Réponse

P = 643,1 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 61,67 °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 = 3·3,6·(180 − 120) = 648 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 648/(3·4,18) = 61,67 °C

Réponse

tout = 61,67 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 2,44 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 2,5·3,6·(180 − 100) = 720 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·720 = 612 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 612/(4,18·60) = 2,44 kg/s

Réponse

ṁc = 2,44 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 93,79 L

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

Moles

n = 330/39,95 = 8,26 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,26·8,314·273,1/200 = 93,79 L

Réponse

V = 93,79 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 7,069 L

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

Températures absolues

T1 = 283,1 K, T2 = 343,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/300)·(343,1/283,1) = 7,069 L

Réponse

V2 = 7,069 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 25,07 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(Al) = 20/26,98 = 0,7413 mol
n(Cl2) = 20/70,9 = 0,2821 mol

Réactif limitant

0,7413/2 = 0,3706, 0,2821/3 = 0,09403 → Cl2

Masse de produit

n(AlCl3) = 0,09403·2 = 0,1881 mol
m = 0,1881·133,33 = 25,07 g

Réponse

m = 25,07 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 93,99 %

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(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
m = 0,6234·1/1·44,01 = 27,44 g

Rendement

Y = 25,79/27,44·100 = 93,99%

Réponse

Y = 93,99%

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