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 · 45% selFlux 2ṁ₂ = ? · 10% selProduit15% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 15 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F600 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 = 600 kg/hxF = 20 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidmélange glycolé · 160 °C130 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 120 °C70 °Ceau · 10 °C35 °C · ṁ = ?15 % perdus

Du huile légère 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 10 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
390 g de CO₂P = 700 kPaT = 70 °CV = ?

Quel volume V occupent 390 g de CO₂ à 700 kPa et 70 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 390 gM = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
État 1État 2

Une quantité fixe de CO₂ passe de 250 kPa, 10 L, 10 °C à 300 kPa et 170 °C. Trouvez le nouveau volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

20 g de Mg et 40 g de O2 réagissent selon 2Mg + O2 → 2MgO. Quelle masse m de MgO peut se former ?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Dans la réaction C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 20 g de C3H8 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 50,9 g de CO2. Calcule le rendement Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 50,9 g
Y = %

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 2700 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) = 450·(45 − 15)/(15 − 10) = 2700 kg/h

Réponse

ṁ2 = 2700 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 415,4 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 = 600·20/65 = 184,6 kg/h

Bilan global

W = F − P = 600 − 184,6 = 415,4 kg/h

Réponse

W = 415,4 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 45,84 °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 = 2·3,6·(160 − 130) = 216 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 216/(2·4,18) = 45,84 °C

Réponse

tout = 45,84 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 1,281 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·2,1·(120 − 70) = 157,5 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·157,5 = 133,9 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 133,9/(4,18·25) = 1,281 kg/s

Réponse

ṁc = 1,281 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 36,12 L

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

Moles

n = 390/44,01 = 8,862 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,862·8,314·343,1/700 = 36,12 L

Réponse

V = 36,12 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: V2 = 13,04 L

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

Températures absolues

T1 = 283,1 K, T2 = 443,1 K

Loi combinée des gaz

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/300)·(443,1/283,1) = 13,04 L

Réponse

V2 = 13,04 L
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 33,16 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(Mg) = 20/24,31 = 0,8227 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Réactif limitant

0,8227/2 = 0,4114, 1,25/1 = 1,25 → Mg

Masse de produit

n(MgO) = 0,4114·2 = 0,8227 mol
m = 0,8227·40,3 = 33,16 g

Réponse

m = 33,16 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 85,01 %

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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
m = 0,4535·3/1·44,01 = 59,88 g

Rendement

Y = 50,9/59,88·100 = 85,01%

Réponse

Y = 85,01%

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