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)C (mol/L)10 minC = ?

Une réaction de loi de vitesse −rA = k·CA² a k = 0,8 L/(mol·min) et part de 2 mol/L. Trouvez la concentration CA au bout de 10 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
2.Cinétique chimiqueDifficile
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))essai 10,20,02essai 20,81,28n = ?

Deux expériences mesurent la vitesse initiale de A → produits. Avec CA0 = 0,2 mol/L, la vitesse vaut 0,02 mol/(L·s) ; avec CA0 = 0,8 mol/L, elle vaut 1,28 mol/(L·s). Trouvez l’ordre de réaction n par rapport à A.

CA0,1 = 0,2 mol/Lr1 = 0,02 mol/(L·s)CA0,2 = 0,8 mol/Lr2 = 1,28 mol/(L·s)
n =
3.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Moyen
Q = 100 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 1000 L, k = 0,1 min⁻¹

Une réaction du premier ordre en phase liquide A → B (k = 0,1 min⁻¹) a lieu dans un réacteur piston (RP) de 1000 L. L’alimentation entre à 100 L/min avec CA0 = 1,5 mol/L. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la concentration de sortie CA.

V = 1000 LQ = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
4.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)Difficile
V = 800 LQ = 25 L/minX = ?

Une réaction du premier ordre en phase liquide (k = 0,08 min⁻¹) a lieu dans un RPAC de 800 L alimenté à 25 L/min. La masse volumique est constante et le réacteur est en régime permanent. Trouvez la conversion X en pourcentage.

V = 800 LQ = 25 L/mink = 0,08 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​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ se décompose : PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, avec Kc = 0,5 à la température de la réaction. Un récipient contient au départ uniquement 0,1 mol/L de PCl₅. Trouvez la concentration à l’équilibre [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
7.Bilan matièreMoyen
MélangeurFlux 1900 kg/h · 30% NaOHFlux 2ṁ₂ = ? · 5% 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 = 900 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Bilan matièreDifficile
ÉvaporateurAlimentation F1200 kg/h · 20% sucreProduit PP = ? · 40%Vapeur W (eau pure)0% sucre

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

F = 1200 kg/hxF = 20 %xP = 40 %
P = kg/h

3Solutions

1.Cinétique chimique

Réponse: CA = 0,1176 mol/L

Vitesse de réaction : pour une réaction d’ordre 1, −dC/dt = kC, donc C = C₀·e−kt et la demi-vie ln 2/k ne dépend pas de la concentration. Pour une réaction d’ordre 2, 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de vitesse augmente avec la température selon Arrhenius : k = A·e−Ea/(RT).

Loi intégrée d’ordre 2

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,8·10 = 8,5 L/mol
CA = 1/8,5 = 0,1176 mol/L

Réponse

CA = 0,1176 mol/L
2.Cinétique chimique

Réponse: n = 3

Méthode des vitesses initiales : pour r = k·Cⁿ, comparer deux essais qui ne diffèrent que par la concentration initiale élimine k : r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Doubler C double la vitesse à l’ordre 1 et la quadruple à l’ordre 2.

Rapports

r2/r1 = 1,28/0,02 = 64
C2/C1 = 0,8/0,2 = 4

Ordre

n = ln(64)/ln(4) = 3

Réponse

n = 3
3.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: CA = 0,5518 mol/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 = V/Q = 1000/100 = 10 min

Concentration de sortie

CA = 1,5·e−0,1·10 = 0,5518 mol/L

Réponse

CA = 0,5518 mol/L

Conversion : X = 63,21%.

4.Dimensionnement des réacteurs (RPAC et RP)

Réponse: X = 71,91 %

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 = 800/25 = 32 min, kτ = 0,08·32 = 2,56

Conversion

X = kτ/(1 + kτ) = 2,56/(1 + 2,56) = 71,91%

Réponse

X = 71,91%
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] = 0,08541 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

0,5 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,5·x − 0,05 = 0

Résoudre l’équation du second degré

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,05))/2 = 0,08541 mol/L

Concentration à l’équilibre

[Cl₂] = x = 0,08541 mol/L

Réponse

[Cl2] = 0,08541 mol/L
7.Bilan matière

Réponse: ṁ2 = 600 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) = 900·(30 − 20)/(20 − 5) = 600 kg/h

Réponse

ṁ2 = 600 kg/h
8.Bilan matière

Réponse: P = 600 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 = 1200·20/40 = 600 kg/h

Réponse

P = 600 kg/h

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