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
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.
1Formules et méthodes
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
- Écrivez et équilibrez l’équation chimique.
- Convertis la masse donnée en moles : n = m/M.
- Utilisez les coefficients comme rapport molaire pour trouver la quantité de matière de l’espèce cherchée.
- Revenez à la masse avec m = n·M. Avec deux réactifs, trouvez d’abord le réactif limitant.
2Exercices
1.Bilan matièreMoyen
Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 30 % de sucre ? Trouvez ṁ2.
ṁ1 = 200 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilan matièreDifficile
Un évaporateur concentre une solution de NaOH en évaporant de l’eau pure. Trouvez le débit de produit P en kg/h.
F = 1200 kg/hxF = 10 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Bilan d’énergieMoyen
Du éthanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilan d’énergieDifficile
Du éthanol chaud réchauffe de l’eau dans un échangeur qui perd vers l’extérieur 10 % de la chaleur cédée par le flux chaud. Trouvez le débit d’eau ṁc nécessaire.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pertes = 10 %
ṁc = kg/s
5.Loi des gaz parfaitsMoyen
Quel volume V occupent 200 g de O₂ à 500 kPa et 10 °C ? Considérez-le comme un gaz parfait.
m = 200 gM = 32 g/molP = 500 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Loi des gaz parfaitsDifficile
Une quantité fixe de CO₂ passe de 400 kPa, 20 L, 10 °C à 300 kPa et 100 °C. Trouvez le nouveau volume V2.
P1 = 400 kPaV1 = 20 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.StœchiométrieMoyen
24 g de Na et 16 g de Cl2 réagissent selon 2Na + Cl2 → 2NaCl. Quelle masse m de NaCl peut se former ?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StœchiométrieDifficile
Dans la réaction CaCO3 → CaO + CO2, 24 g de CaCO3 réagissent complètement (les autres réactifs en excès) et on recueille 5,8 g de CO2. Calcule le rendement Y.
M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molréel: 5,8 g
Y = %
3Solutions
1.Bilan matière
Réponse: ṁ2 = 250 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) = 200·(5 − 30)/(30 − 50) = 250 kg/h
Réponse
ṁ2 = 250 kg/h
2.Bilan matière
Réponse: P = 266,7 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 = 1200·10/45 = 266,7 kg/h
Réponse
P = 266,7 kg/h
3.Bilan d’énergie
Réponse: tout = 100 °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 = 3·2,44·(120 − 60) = 439,2 kW
Chaleur reçue par l’eau
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 439,2/(1,5·4,18) = 100 °C
Réponse
tout = 100 °C
4.Bilan d’énergie
Réponse: ṁc = 2,101 kg/s
Bilan d’énergie avec pertes : chaleur cédée = chaleur absorbée + chaleur perdue.
Chaleur cédée
Qh = 2,5·2,44·(150 − 110) = 244 kW
Chaleur qui atteint l’eau
Qc = (1 − 0,1)·244 = 219,6 kW
Débit d’eau
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 219,6/(4,18·25) = 2,101 kg/s
Réponse
ṁc = 2,101 kg/s
5.Loi des gaz parfaits
Réponse: V = 29,43 L
Loi des gaz parfaits : PV = nRT, avec n = m/M.
Moles
n = 200/32 = 6,25 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K
Volume
V = nRT/P = 6,25·8,314·283,1/500 = 29,43 L
Réponse
V = 29,43 L
6.Loi des gaz parfaits
Réponse: V2 = 35,14 L
Loi combinée des gaz : pour une quantité fixe de gaz parfait, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Températures absolues
T1 = 283,1 K, T2 = 373,1 K
Loi combinée des gaz
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(400/300)·(373,1/283,1) = 35,14 L
Réponse
V2 = 35,14 L
7.Stœchiométrie
Réponse: m = 26,38 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(Na) = 24/22,99 = 1,044 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol
Réactif limitant
1,044/2 = 0,522, 0,2257/1 = 0,2257 → Cl2
Masse de produit
n(NaCl) = 0,2257·2 = 0,4513 mol
m = 0,4513·58,44 = 26,38 g
Réponse
m = 26,38 g
8.Stœchiométrie
Réponse: Y = 54,96 %
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) = 24/100,09 = 0,2398 mol
m = 0,2398·1/1·44,01 = 10,55 g
Rendement
Y = 5,8/10,55·100 = 54,96%
Réponse
Y = 54,96%
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