Génie de la réaction chimique : 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

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

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.

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

2Exercices

1.Cinétique chimiqueMoyen
t (min)X (%)t = ?90%

Une réaction d’ordre 0 a k = 0,02 mol/(L·min) et part de 2 mol/L. Combien de temps faut-il pour atteindre un taux de conversion de 90 % ? Trouvez t.

k = 0,02 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 90 %
t = min
2.Cinétique chimiqueDifficile
1/Tln kT = 25 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 70 kJ/mol

Une réaction d’ordre 1 a une constante de vitesse de 0,001 s⁻¹ à 25 °C et une énergie d’activation de 70 kJ/mol. Trouvez le facteur pré-exponentiel A de l’équation d’Arrhenius.

k = 0,001 s⁻¹T = 25 °CEa = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 25 L/minX = 60%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B de k = 0,3 min⁻¹ est réalisée dans un réacteur piston (RP) alimenté à 25 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 60 %.

Q = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 60%
V = L
4.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 400 LQ = 80 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 400 L alimenté à 80 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 400 LQ = 80 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
5.Équilibre chimiqueMoyen
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

On introduit 0,25 mol/L de H₂ et 0,25 mol/L de I₂ dans un récipient, où ils réagissent : H₂ + I₂ ⇌ 2HI, avec Kc = 64. Trouvez la concentration à l’équilibre [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.Équilibre chimiqueDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,04 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,8 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
7.Bilan matièreMoyen
MélangeurFlux 1950 kg/h · 35% selFlux 2ṁ₂ = ? · 15% selProduit25% sel

Quelle quantité du flux 2 faut-il ajouter chaque heure au flux 1 pour que le mélange contienne 25 % de sel ? Trouvez ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F3900 kg/h · 6% NaOHProduit P55% 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 = 3900 kg/hxF = 6 %xP = 55 %
W = kg/h

3Solutions

1.Cinétique chimique

Réponse: t = 90 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Quantité convertie

CA0·X = 2·0,9 = 1,8 mol/L

Durée

t = CA0·X/k = 1,8/0,02 = 90 min

Réponse

t = 90 min
2.Cinétique chimique

Réponse: A = 1,837 × 10⁹ s⁻¹

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

T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Isoler A dans Arrhenius

Ea/(RT) = 70000/(8,314·298,1) = 28,24
A = k·e28,24 = 0,001·1,837 × 10¹² = 1,837 × 10⁹ s⁻¹

Réponse

A = 1,837 × 10⁹ s⁻¹
3.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: V = 76,36 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 − 0,6))/0,3 = 0,9163/0,3 = 3,054 min

Volume

V = Q·τ = 25·3,054 = 76,36 L

Réponse

V = 76,36 L
4.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 33,33 %

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 = 400/80 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 0,5/(1 + 0,5) = 33,33%

Réponse

X = 33,33%
5.Équilibre chimique

Réponse: [H2] = 0,05 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

64 = (2x)²/(0,25 − x)²

Prendre la racine carrée

8 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·8/(2 + 8) = 0,2 mol/L

Concentration à l’équilibre

[H₂] = 0,25 − x = 0,05 mol/L

Réponse

[H2] = 0,05 mol/L
6.Équilibre chimique

Réponse: [Cl2] = 0,16 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,16 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,16 mol/L
7.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 950 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) = 950·(35 − 25)/(25 − 15) = 950 kg/h

Réponse

ṁ2 = 950 kg/h
8.Bilan matière

Réponse: W = 3475 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 = 3900·6/55 = 425,5 kg/h

Bilan global

W = F − P = 3900 − 425,5 = 3475 kg/h

Réponse

W = 3475 kg/h

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