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 1750 kg/h · 35% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProduit30% NaOH

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 30 % de NaOH ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F4900 kg/h · 5% NaOHProduit P40% 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 = 4900 kg/hxF = 5 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
côté chaudcôté froidhuile légère · 130 °C70 °Ceau · 15 °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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
côté chaudcôté froidhuile légère · 140 °C100 °Ceau · 15 °C85 °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: 140 → 100 °Ct: 15 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 15 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
380 g de N₂P = 800 kPaT = 95 °CV = ?

Quel volume V occupent 380 g de N₂ à 800 kPa et 95 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.

m = 380 gM = 28,01 g/molP = 800 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
O₂, M = 32 g/molP = 400 kPaT = 120 °Cρ = ?

Trouvez la masse volumique ρ de O₂ à 400 kPa et 120 °C, en le considérant comme un gaz parfait.

M = 32 g/molP = 400 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StœchiométrieMoyen
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

30 g de CH4 et 32 g de O2 réagissent selon CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quelle masse m de CO2 peut se former ?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Dans la réaction 2Mg + O2 → 2MgO, 4 g de Mg réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 5,44 g de MgO. Calcule le rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molréel: 5,44 g
Y = %

3Solutions

1.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 187,5 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) = 750·(35 − 30)/(30 − 10) = 187,5 kg/h

Réponse

ṁ2 = 187,5 kg/h
2.Bilan matière

Réponse: W = 4288 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 = 4900·5/40 = 612,5 kg/h

Bilan global

W = F − P = 4900 − 612,5 = 4288 kg/h

Réponse

W = 4288 kg/h
3.Bilan d’énergie

Réponse: tout = 75,29 °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 = 1·2,1·(130 − 70) = 126 kW

Chaleur reçue par l’eau

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 126/(0,5·4,18) = 75,29 °C

Réponse

tout = 75,29 °C
4.Bilan d’énergie

Réponse: ṁc = 0,366 kg/s

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

Chaleur cédée

Qh = 1,5·2,1·(140 − 100) = 126 kW

Chaleur qui atteint l’eau

Qc = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Débit d’eau

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 107,1/(4,18·70) = 0,366 kg/s

Réponse

ṁc = 0,366 kg/s
5.Loi des gaz parfaits

Réponse: V = 51,91 L

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

Moles

n = 380/28,01 = 13,57 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volume

V = nRT/P = 13,57·8,314·368,1/800 = 51,91 L

Réponse

V = 51,91 L
6.Loi des gaz parfaits

Réponse: ρ = 3,916 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K

Masse volumique

ρ = 400·32/(8,314·393,1) = 3,916 kg/m³

Réponse

ρ = 3,916 kg/m³
7.Stœchiométrie

Réponse: m = 22 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(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Réactif limitant

1,87/1 = 1,87, 1/2 = 0,5 → O2

Masse de produit

n(CO2) = 0,5·1 = 0,5 mol
m = 0,5·44,01 = 22 g

Réponse

m = 22 g
8.Stœchiométrie

Réponse: Y = 82,04 %

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(Mg) = 4/24,31 = 0,1645 mol
m = 0,1645·2/2·40,3 = 6,631 g

Rendement

Y = 5,44/6,631·100 = 82,04%

Réponse

Y = 82,04%

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