QCM : Génie biochimique et bilans matière (58 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Une usine transforme des matières premières en une substance utile à grande échelle pour répondre à un besoin humain. Quel domaine étudie et met en pratique ce type de transformation ?

La chimie fondamentale
L’ingénierie énergétique
La biochimie descriptive
Le génie (bio)chimique

Le génie (bio)chimique

Explication

Le génie (bio)chimique met en œuvre à grande échelle la transformation de substances afin d’améliorer concrètement la condition humaine, notamment par la production de substances utiles ou d’énergie. La chimie fondamentale privilégie l’étude des principes, la biochimie descriptive se concentre sur les phénomènes biologiques, et l’ingénierie énergétique est plus étroite que la définition donnée.

2. Une équipe compare la chimie et le génie (bio)chimique pour concevoir la production commerciale utile d’un composé. Quelle distinction doit guider son choix de domaine ?

Le génie se distingue par l’étude des propriétés intrinsèques du composé
Le génie se limite aux transformations faisant intervenir des cellules
Le génie privilégie l’échelle de production commerciale utile
Le génie privilégie l’observation de réactions moléculaires isolées

Le génie privilégie l’échelle de production commerciale utile

Explication

La distinction principale tient à l’intérêt du génie (bio)chimique pour les grandes échelles, définies surtout par la production commerciale utile. L’échelle moléculaire et les propriétés intrinsèques relèvent d’autres approches, tandis que les transformations impliquant des cellules ne couvrent pas tout le génie chimique.

3. Dans une démarche de conception, une équipe abandonne le découpage en opérations unitaires pour analyser ensemble les mécanismes de transfert qui interviennent dans le procédé. À quel paradigme correspond cette approche ?

Au paradigme des mécanismes fondamentaux couplés
À une approche centrée sur le dimensionnement des équipements seuls
Au paradigme des opérations unitaires
À une approche centrée sur les réactions chimiques seules

Au paradigme des mécanismes fondamentaux couplés

Explication

Le second paradigme aborde le génie chimique par les mécanismes fondamentaux couplés, notamment les transferts de matière, d’énergie et de quantité de mouvement. Les opérations unitaires caractérisent le premier paradigme, et réduire l’approche à la réaction ou au seul transfert de matière omet les mécanismes couplés.

4. À quelle année A. D. Little a-t-il introduit au MIT le concept d’opération unitaire, premier paradigme du génie chimique ?

1915
1923
1888
1902

1915

Explication

A. D. Little introduit au MIT le concept d’opération unitaire en 1915, marquant le premier paradigme du génie chimique. L’année 1902 correspond à la naissance du génie chimique au MIT, 1923 à la publication du traité fondateur, et 1888 à l’école associée à Georges E. Davis.

5. Lorsqu’une équipe veut représenter les transformations, les équipements et les échanges d’un procédé industriel, quel type de schéma doit-elle utiliser ?

Un plan d’implantation des équipements
Un diagramme de flux de procédé (PFD)
Un schéma réactionnel des espèces
Un schéma de commande du procédé

Un diagramme de flux de procédé (PFD)

Explication

Un diagramme de flux de procédé représente les transformations, les équipements et les flux de matière et de chaleur. Un plan d’implantation situe les équipements, un schéma de commande décrit le contrôle et un schéma réactionnel se limite aux réactions.

6. Dans une chaîne industrielle de fabrication d’anticorps monoclonaux, comment les étapes du procédé sont-elles généralement organisées ?

En procédé continu et procédé discontinu
En une étape de purification intégrée
En procédés amont et procédés aval
En production et traitement des déchets

En procédés amont et procédés aval

Explication

La production industrielle d’anticorps monoclonaux comprend des procédés amont et des procédés aval. La distinction continu-discontinu concerne un autre aspect de l’organisation, tandis qu’une étape unique ne rend pas compte de ces deux ensembles de procédés.

7. Quel principe de conservation est associé aux bilans de masse et d’énergie dans la démarche attribuée à Lavoisier ?

La matière diminue au cours de chaque transformation
Seule l’énergie se conserve pendant les transformations
La matière se transforme sans se perdre ni se créer
La matière se crée lors des transformations chimiques

La matière se transforme sans se perdre ni se créer

Explication

Le principe attribué à Lavoisier exprime que rien ne se perd ni ne se crée et que tout se transforme; les bilans de conservation portent notamment sur la masse et l’énergie. La disparition ou la création nette de matière contredit ce principe, et il ne concerne pas l’énergie seule.

8. Dans un écoulement sans création ni destruction de masse, quelle équation locale une ingénieure doit-elle appliquer pour relier la variation temporelle de la masse volumique au transport par le mouvement du fluide ?

∂ρ∂t−∇⋅(ρv⃗)=0\frac{\partial \rho}{\partial t}-\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0
∂ρ∂t+∇⋅(ρv⃗)=0\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0
dMdt=Fin−Fout\frac{dM}{dt}=F_{in}-F_{out}
∂ρ∂t=0\frac{\partial \rho}{\partial t}=0

$$\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0$$

Explication

Le bilan massique local s’écrit comme la somme de la variation temporelle de la masse volumique et de la divergence du flux massique, égale à zéro. Omettre le flux ou en inverser le signe modifie l’équation locale, tandis que l’équation en MM décrit un bilan global.

9. Un réservoir fixe possède des parois imperméables et des débits uniformes et unidimensionnels à ses sections. Si la masse à l’intérieur augmente, quelle relation exprime son bilan global ?

dM(t)dt=Fin−Fout+P\frac{dM(t)}{dt}=F_{in}-F_{out}+P
dM(t)dt=Fin−Fout\frac{dM(t)}{dt}=F_{in}-F_{out}
dM(t)dt=Fin+Fout\frac{dM(t)}{dt}=F_{in}+F_{out}
dM(t)dt=Fout−Fin\frac{dM(t)}{dt}=F_{out}-F_{in}

$$\frac{dM(t)}{dt}=F_{in}-F_{out}$$

Explication

Pour le volume de contrôle fixe décrit, la variation de masse est le débit entrant moins le débit sortant; une accumulation positive signifie donc que l’entrée excède la sortie. Inverser les débits inverse le signe, les additionner ignore leur sens, et le terme de production appartient au bilan général lorsqu’il est pertinent.

10. Pour établir le bilan général d’un système où de la matière peut s’accumuler, entrer, sortir, être produite ou convertie, quelle structure d’équation convient ?

[Acc]=([IN]−[OUT])+([P]−[C])[Acc]=([IN]-[OUT])+([P]-[C])
[Acc]=([OUT]−[IN])+([P]−[C])[Acc]=([OUT]-[IN])+([P]-[C])
[Acc]=([IN]−[OUT])[Acc]=([IN]-[OUT])
[Acc]=([IN]−[OUT])+([C]−[P])[Acc]=([IN]-[OUT])+([C]-[P])

$$[Acc]=([IN]-[OUT])+([P]-[C])$$

Explication

Le bilan général additionne les entrées moins les sorties et la production moins la conversion pour obtenir l’accumulation. Omettre production et conversion réduit le bilan à une forme simplifiée; inverser entrées-sorties ou production-conversion change les contributions physiques.

11. Dans un écoulement réactif, quelle expression décrit le bilan local de l’espèce S si sa densité massique vaut ρS=ρxS\rho_S=\rho x_S ?

∂ρS∂t+∇⋅(ρv⃗)=rS\frac{\partial \rho_S}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=r_S
∂ρS∂t+∇⋅(ρSv⃗S)=0\frac{\partial \rho_S}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho_S\vec{v}_S)=0
∂xS∂t+∇⋅(xSv⃗S)=rS\frac{\partial x_S}{\partial t}+\nabla\cdot(x_S\vec{v}_S)=r_S
∂ρS∂t+∇⋅(ρSv⃗S)=rS\frac{\partial \rho_S}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho_S\vec{v}_S)=r_S

$$\frac{\partial \rho_S}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho_S\vec{v}_S)=r_S$$

Explication

Le bilan local associe l’accumulation et le transport de la densité de S à son taux volumique de réaction. Le membre droit nul omet la réaction, la densité totale confond les vitesses ou grandeurs du mélange et de S, et l’équation en fraction massique omet la densité.

12. Dans un réacteur de volume VV, une espèce reçoit et perd de la matière par des flux, tandis qu’une réaction uniforme la produit ou la consomme; la diffusion aux sections d’entrée et de sortie est négligée. Quel bilan convient ?

d(MxS)dt=FinxS,in−FoutxS,out+rSV\frac{d(Mx_S)}{dt}=F_{in}x_{S,in}-F_{out}x_{S,out}+r_SV
d(MxS)dt=FinxS,in+rSV\frac{d(Mx_S)}{dt}=F_{in}x_{S,in}+r_SV
d(MxS)dt=FinxS,in−FoutxS,out\frac{d(Mx_S)}{dt}=F_{in}x_{S,in}-F_{out}x_{S,out}
d(MxS)dt=FoutxS,out−FinxS,in+rSV\frac{d(Mx_S)}{dt}=F_{out}x_{S,out}-F_{in}x_{S,in}+r_SV

$$\frac{d(Mx_S)}{dt}=F_{in}x_{S,in}-F_{out}x_{S,out}+r_SV$$

Explication

L’accumulation de S est égale à l’entrée moins la sortie, auxquelles s’ajoute la production nette par réaction dans le volume. Inverser les flux change leur signe, omettre la réaction néglige la transformation, et omettre la sortie ignore le soutirage.

13. Pour établir un bilan instationnaire d’une espèce dans un procédé, quelle démarche respecte la méthodologie du bilan ?

Établir le bilan entre tt et t+dtt+dt, déterminer stœchiométrie et cinétique, délimiter le volume, puis intégrer de t=0t=0 à la fin
Délimiter un volume élémentaire, intégrer de t=0t=0 à la fin, déterminer stœchiométrie et cinétique, puis établir le bilan entre tt et t+dtt+dt
Délimiter un volume élémentaire, déterminer stœchiométrie et cinétique, établir le bilan entre tt et t+dtt+dt, puis intégrer de t=0t=0 à la fin
Délimiter un volume élémentaire, établir le bilan entre tt et t+dtt+dt, puis intégrer de t=0t=0 à la fin sans déterminer stœchiométrie ni cinétique

Délimiter un volume élémentaire, déterminer stœchiométrie et cinétique, établir le bilan entre $$t$$ et $$t+dt$$, puis intégrer de $$t=0$$ à la fin

Explication

La démarche commence par le choix du volume de référence et la caractérisation stœchiométrique et cinétique, avant le bilan différentiel puis son intégration sur la durée du régime instationnaire. L’intégration avant le bilan inverse les étapes, l’omission de la stœchiométrie et de la cinétique laisse le bilan incomplet, et une délimitation tardive ne définit pas le système étudié.

14. Un réacteur reçoit un flux d’alimentation et possède aussi une conduite de soutirage. À quelle catégorie de système correspond-il ?

Système ouvert, ou continu
Système fermé, ou batch
Système semi-ouvert, ou fed-batch
Système fermé, ou fed-batch

Système ouvert, ou continu

Explication

Un système ouvert possède des entrées et des sorties de matière. Le fed-batch comporte une entrée sans soutirage, tandis que le batch n’a ni entrée ni sortie; associer batch et fed-batch confond leurs modes de fonctionnement.

15. Lorsqu’on analyse ce qui gouverne le comportement d’un réacteur (bio)chimique, quel ensemble de facteurs faut-il considérer ?

Débits, compositions, température et pression des flux, thermodynamique et cinétique, transferts et hydrodynamique
Débits, compositions, température et pression des flux, thermodynamique et cinétique, transferts, hydrodynamique et géométrie
Débits, compositions, température et pression des flux, transferts, hydrodynamique et géométrie
Débits, compositions, température et pression des flux, thermodynamique et cinétique, transferts et géométrie

Débits, compositions, température et pression des flux, thermodynamique et cinétique, transferts, hydrodynamique et géométrie

Explication

Le comportement du réacteur dépend des conditions des flux, de la thermodynamique et de la cinétique, des transferts de matière et de chaleur, de l’hydrodynamique et de la géométrie. L’omission des transferts ou de l’hydrodynamique laisse de côté des facteurs gouvernants, et remplacer la géométrie par les seules conditions opératoires exclut un facteur structurel.

16. Dans un réacteur fed-batch, le débit volumique est q(t)=3 m3/hq(t)=3\ \text{m}^3/\text{h} et la concentration est C(t)=2 mol/m3C(t)=2\ \text{mol}/\text{m}^3. Quelle grandeur faut-il suivre, et quelle est sa valeur ?

Le débit volumique q(t)=3 m3/hq(t)=3\ \text{m}^3/\text{h}, avec suivi de q(t)q(t) et de C(t)C(t)
Le débit molaire N(t)=1,5 mol/hN(t)=1{,}5\ \text{mol}/\text{h}, avec suivi de N(t)N(t) et de C(t)C(t)
Le débit molaire N(t)=6 mol/hN(t)=6\ \text{mol}/\text{h}, avec suivi de N(t)N(t) et de C(t)C(t)
La concentration C(t)=2 mol/m3C(t)=2\ \text{mol}/\text{m}^3, sans suivi de N(t)N(t)

Le débit molaire $$N(t)=6\ \text{mol}/\text{h}$$, avec suivi de $$N(t)$$ et de $$C(t)$$

Explication

En fed-batch, on suit à la fois la concentration et le débit de matière, lié par N(t)=q(t)C(t)N(t)=q(t)C(t). Le calcul donne 3×2=6 mol/h3\times2=6\ \text{mol}/\text{h}; suivre la concentration seule omet le débit, le quotient inverse la relation, et le débit volumique n’est pas le débit molaire.

17. Dans un réacteur, les paramètres sont uniformes dans tout le volume et l’effluent a la même composition que le contenu. Quel modèle idéal correspond à cette description ?

Un réacteur parfaitement mélangé modélisé en 0D
Un réacteur à écoulement piston modélisé en 1D
Un réacteur parfaitement mélangé modélisé en 1D
Un réacteur à écoulement piston modélisé en 0D

Un réacteur parfaitement mélangé modélisé en 0D

Explication

Un réacteur parfaitement mélangé se décrit en 0D, avec des paramètres uniformes et un effluent de même composition que le réacteur. La description en 1D ou en écoulement piston implique des variations dans la direction de l’écoulement; le nombre de dimensions ne classe pas les phases.

18. Pour une réaction décrite par 2A+B→3P2A+B\rightarrow 3P, la loi de vitesse contient le terme CA1CB2C_A^1C_B^2. Quelles valeurs correspondent respectivement au coefficient stœchiométrique de B et à son ordre cinétique ?

1 et 1
2 et 2
1 et 2
2 et 1

1 et 2

Explication

Le coefficient stœchiométrique de B est 1 dans la réaction, tandis que son exposant dans la loi cinétique est 2. L’association « 2 et 1 » confond ces deux rôles, « 1 et 1 » reprend l’ordre de A et « 2 et 2 » attribue à B le coefficient de A.

19. Une cellule produit un composé nécessaire à ses fonctions physiologiques normales, commun à de nombreux types de cellules. Comment classe-t-on ce composé ?

Un produit de croissance non métabolique
Un métabolite secondaire
Un produit environnemental non cellulaire
Un métabolite primaire

Un métabolite primaire

Explication

Les métabolites primaires sont liés aux fonctions physiologiques normales et sont communs aux cellules. « Métabolite secondaire » renvoie plutôt à des produits souvent propres à certaines espèces et conditions, tandis que les deux autres catégories ne décrivent pas cette distinction.

20. Dans une culture, la concentration de biomasse est de 2 g L−12\,\mathrm{g\,L^{-1}} et le taux spécifique de croissance vaut 0,3 h−10{,}3\,\mathrm{h^{-1}}. Quel est le taux volumique de production de biomasse ?

6,7 g L−1 h−16{,}7\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}
0,6 g L−1 h−10{,}6\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}
0,3 g L−1 h−10{,}3\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}
2,3 g L−1 h−12{,}3\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}

$$0{,}6\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}$$

Explication

Le taux volumique vérifie rX+=μXr_X^+=\mu X ; ainsi, 0,3×2=0,6 g L−1 h−10{,}3\times2=0{,}6\,\mathrm{g\,L^{-1}\,h^{-1}}. La valeur 0,3 omet le facteur X, 6,7 provient de l’inversion du rapport et 2,3 d’une addition.

21. Dans un réacteur continu parfaitement agité, un échantillon est prélevé dans l’effluent. Quelle relation décrit ses propriétés par rapport au contenu du réacteur ?

L’effluent a les mêmes propriétés que le contenu
L’effluent reflète l’état initial plutôt que le contenu actuel
L’effluent présente un gradient de concentration dans le réacteur
L’effluent a la même concentration mais une température différente

L’effluent a les mêmes propriétés que le contenu

Explication

Dans un CSTR, le mélange rend les concentrations et la température uniformes, et l’effluent possède les mêmes propriétés que le contenu du réacteur. Un gradient spatial contredit l’homogénéité, une température différente dissocie deux propriétés uniformes, et l’état initial évoque le fonctionnement discontinu.

22. Un réacteur est rempli au début d’une expérience, fermé aux flux d’entrée et de sortie pendant la réaction, puis vidé à la fin. Les concentrations évoluent au cours du temps. De quel type de réacteur s’agit-il ?

Un BSTR
Un CSTR
Un réacteur à écoulement piston
Un réacteur continu non agité

Un BSTR

Explication

Le BSTR fonctionne par remplissage, réaction sans entrée ni sortie, puis vidange; ses concentrations et vitesses de réaction varient avec le temps. Un CSTR comporte des flux continus, l’agitation seule ne suffit pas à identifier ce type de réacteur, et la variation des concentrations n’implique pas une variation de volume.

23. Dans un réacteur continu, la concentration du substrat change de l’entrée vers la sortie le long de l’axe principal. Quel modèle de réacteur correspond à cette variation spatiale ?

Un réacteur discontinu agité (BSTR)
Un réacteur piston (PFR)
Un réacteur à cuve parfaitement homogène
Un réacteur continu parfaitement mélangé (CSTR)

Un réacteur piston (PFR)

Explication

Dans un PFR, les paramètres varient le long de la direction spatiale z, contrairement au CSTR parfaitement mélangé. Le CSTR et la cuve homogène renvoient au mélange uniforme, tandis que le BSTR est associé à une évolution temporelle.

24. Pour représenter un réacteur piston idéal dans un modèle discret, quelle organisation d’éléments de réacteur faut-il utiliser ?

Une série de cuves discontinues exploitées à des temps différents
Une succession de micro-CSTR disposés perpendiculairement à l’axe z
Un CSTR unique représentant tout le volume du réacteur
Une succession de micro-CSTR le long de l’axe z

Une succession de micro-CSTR le long de l’axe z

Explication

Le PFR idéal peut être représenté comme une somme de micro-CSTR placés le long de l’axe z. Un CSTR unique ne rend pas compte de cette succession spatiale, et l’orientation perpendiculaire ne correspond pas à l’organisation axiale.

25. Pour réguler la température d’une cuve de réacteur, un opérateur fait circuler un fluide caloporteur dans l’espace qui entoure la cuve. Quelle technologie utilise-t-il ?

Une double enveloppe
Un serpentin interne
Un serpentin externe
Un réacteur piston chemisé

Une double enveloppe

Explication

La double enveloppe contrôle la température en faisant circuler le fluide caloporteur dans l’espace autour de la cuve. Un serpentin interne est placé dans la cuve, tandis que le réacteur piston chemisé concerne une configuration tubulaire.

26. Dans un réacteur piston à faisceau tubulaire, où se trouve le milieu réactionnel et à quoi servent les tubes ?

Dans le tube central, tandis que l’espace périphérique assure le contrôle thermique
Dans la calandre, tandis que les tubes contiennent le fluide réactionnel
Dans les tubes, tandis que la calandre assure le contrôle thermique
Dans la calandre, tandis que les tubes assurent le contrôle thermique

Dans la calandre, tandis que les tubes assurent le contrôle thermique

Explication

Dans le PFR à faisceau tubulaire, le milieu réactionnel se trouve dans la calandre et les tubes servent au contrôle thermique; la calandre n’a toutefois pas réellement la géométrie d’un tube. Mettre le milieu dans les tubes inverse les rôles, et le tube entouré d’un espace thermique correspond au réacteur piston chemisé.

27. Lorsqu’une équipe établit le modèle de conception d’un bioréacteur, quels éléments doit-elle intégrer dans ses bilans de matière et d’énergie ?

La cinétique et la stœchiométrie, les équilibres de phases et chimiques, ainsi que le régime d’écoulement
La cinétique et la stœchiométrie, mais pas les équilibres thermodynamiques ni le régime d’écoulement
La cinétique, les équilibres de phases et le régime d’écoulement, mais pas la stœchiométrie
Les équilibres de phases et chimiques et le régime d’écoulement, mais pas la cinétique des réactions

La cinétique et la stœchiométrie, les équilibres de phases et chimiques, ainsi que le régime d’écoulement

Explication

Les bilans de conception doivent tenir compte de la cinétique, de la stœchiométrie, des équilibres thermodynamiques de phases et chimiques, et du régime d’écoulement. Les autres choix omettent respectivement les équilibres, la cinétique ou la stœchiométrie.

28. Quels sont les trois types idéaux de bioréacteurs utilisés comme modèles de conception ?

Le réacteur agité continu, le réacteur fed-batch et le réacteur piston
Le réacteur agité continu, le réacteur agité discontinu et le réacteur à lit fixe
Le réacteur agité continu, le réacteur agité discontinu et le réacteur piston
Le réacteur agité discontinu, le réacteur semi-ouvert et le réacteur piston

Le réacteur agité continu, le réacteur agité discontinu et le réacteur piston

Explication

Les trois modèles idéaux sont le réacteur agité continu, le réacteur agité discontinu et le réacteur piston. Le fed-batch et le système semi-ouvert désignent des modes de fonctionnement, tandis que le lit fixe n’appartient pas à cette liste.

29. Dans une culture, le substrat limitant a une concentration S=KSS=K_S. Quelle fraction de la vitesse spécifique maximale de croissance prédit la loi de Monod ?

La totalité de μmax\mu_{max}
Le tiers de μmax\mu_{max}
Les deux tiers de μmax\mu_{max}
La moitié de μmax\mu_{max}

La moitié de $$\mu_{max}$$

Explication

Avec S=KSS=K_S, la loi donne μ=μmaxKSKS+KS=12μmax\mu=\mu_{max}\frac{K_S}{K_S+K_S}=\frac{1}{2}\mu_{max}. Le facteur de saturation est donc la moitié; les autres valeurs résultent d’une mauvaise substitution ou d’une interprétation erronée de KSK_S.

30. Pour un mélange éthanol-eau à 90,0 ∘C90{,}0\ ^\circ\mathrm{C}, les fractions molaires d’éthanol sont xEt=0,053x_{Et}=0{,}053 dans le liquide et yEt=0,340y_{Et}=0{,}340 dans la vapeur. À quel cas correspond cet état ?

Au cas où le liquide est de l’éthanol pur
Au cas où yEt>xEty_{Et}>x_{Et}
Au cas où yEt=xEty_{Et}=x_{Et}
Au cas où yEt<xEty_{Et}<x_{Et}

Au cas où $$y_{Et}>x_{Et}$$

Explication

Ici, 0,340>0,0530{,}340>0{,}053, donc la fraction d’éthanol dans la vapeur dépasse celle du liquide et il s’agit du cas yEt>xEty_{Et}>x_{Et}. L’égalité et l’inégalité inverse ne correspondent pas aux données; la composition liquide n’est pas celle de l’éthanol pur.

31. À 78,15 ∘C78{,}15\ ^\circ\mathrm{C}, un mélange éthanol-eau présente xEt=0,894x_{Et}=0{,}894 et yEt=0,894y_{Et}=0{,}894. Quel cas d’équilibre ces données illustrent-elles ?

Le cas où la fraction molaire du liquide dépasse celle de la vapeur
Le cas où les fractions molaires liquide et vapeur sont égales
Le cas d’ébullition de l’éthanol pur à pression atmosphérique
Le cas où la fraction molaire de vapeur dépasse celle du liquide

Le cas où les fractions molaires liquide et vapeur sont égales

Explication

Les données donnent yEt=xEt=0,894y_{Et}=x_{Et}=0{,}894 : les fractions molaires d’éthanol dans les deux phases sont égales. Les cas d’enrichissement de la vapeur ou du liquide supposent une inégalité, et l’ébullition de l’éthanol pur correspond à une autre température.

32. Dans un mélange liquide contenant plusieurs constituants, comment définit-on la fraction molaire liquide xix_i du constituant ii ?

Le rapport entre la quantité de matière de ii et la quantité totale des phases
Le rapport entre la quantité de matière de ii et la quantité totale de matière liquide
Le rapport entre la quantité de matière de ii et celle des autres constituants liquides
Le rapport entre la masse de ii et la masse totale de la phase liquide

Le rapport entre la quantité de matière de $$i$$ et la quantité totale de matière liquide

Explication

La fraction molaire liquide rapporte la quantité de matière du constituant à la quantité totale de matière dans la phase liquide. La masse totale relève d’une fraction massique, le rapport aux autres constituants n’est pas une fraction molaire, et le dénominateur n’inclut pas la phase vapeur.

33. Dans un système liquide-vapeur à l’équilibre, quelle condition doit être satisfaite pour chaque constituant, en plus de l’équilibre thermique et mécanique ?

Son potentiel chimique est égal dans les phases liquide et vapeur
Sa fraction molaire est égale dans les phases liquide et vapeur
Sa quantité de matière est égale dans les phases liquide et vapeur
Sa densité est égale dans les phases liquide et vapeur

Son potentiel chimique est égal dans les phases liquide et vapeur

Explication

L’équilibre liquide-vapeur exige l’égalité des potentiels chimiques de chaque constituant entre les phases, ainsi que la même température et la même pression. L’égalité des fractions molaires n’est pas requise, et l’égalité des densités ou des quantités de matière ne constitue pas la condition chimique d’équilibre.

34. Lors d’une distillation, un constituant se répartit différemment entre le liquide et la vapeur, bien que les deux phases soient à l’équilibre. Quelle interprétation explique cette observation ?

Les compositions sont égales, mais les quantités de phases diffèrent
Les potentiels chimiques sont égaux, mais les compositions peuvent différer
Les températures diffèrent, ce qui entraîne des compositions différentes
Les potentiels chimiques diffèrent, ce qui impose des compositions différentes

Les potentiels chimiques sont égaux, mais les compositions peuvent différer

Explication

À l’équilibre, les potentiels chimiques s’égalisent sans que les compositions liquide et vapeur soient généralement identiques ; leur répartition différente rend la distillation possible. Des potentiels chimiques différents contrediraient l’équilibre, tandis que l’identité des compositions ou une différence de température n’explique pas le mécanisme décrit.

35. Un mélange binaire est présent sous forme liquide et vapeur. Combien de degrés de liberté la règle des phases lui attribue-t-elle ?

Un degré de liberté
Quatre degrés de liberté
Deux degrés de liberté
Trois degrés de liberté

Deux degrés de liberté

Explication

Pour deux constituants et deux phases, la règle des phases donne deux degrés de liberté. Compter seulement les constituants, les phases ou les paramètres intensifs sans appliquer cette règle mène aux autres valeurs.

36. Sur un diagramme isobare température-composition binaire, une zone se trouve entre les courbes d’ébullition et de rosée. Quel état de phases cette zone représente-t-elle ?

Un domaine monophasé extérieur aux domaines liquide et vapeur
Un domaine vapeur
Un domaine liquide
Un domaine liquide-vapeur

Un domaine liquide-vapeur

Explication

La courbe d’ébullition borne le domaine liquide et la courbe de rosée borne le domaine vapeur ; l’espace compris entre elles correspond au domaine liquide-vapeur. Les domaines liquide et vapeur se trouvent de part et d’autre de cette zone, pas à l’intérieur de celle-ci.

37. À l’équilibre, quelle propriété définit un azéotrope liquide-vapeur ?

Les phases liquide et vapeur ont la même composition
Les phases liquide et vapeur ont des compositions différentes
Le mélange ne contient qu’un seul constituant
Les phases liquide et vapeur ont la même quantité de matière

Les phases liquide et vapeur ont la même composition

Explication

Un azéotrope se caractérise par l’égalité des compositions liquide et vapeur à l’équilibre. Des compositions différentes décrivent une répartition non azéotropique ; le mélange reste binaire et sa définition ne repose pas sur les quantités de phases.

38. À pression fixée, un mélange atteint son point azéotropique et change de phase. Comment évoluent alors sa température et sa composition durant ce changement ?

La température et la composition varient, et les températures d’ébullition et de rosée diffèrent
Elles restent constantes, et les températures d’ébullition et de rosée coïncident
La composition varie, tandis que la température reste constante
La température varie, tandis que la composition reste constante

Elles restent constantes, et les températures d’ébullition et de rosée coïncident

Explication

À une pression donnée, un azéotrope change de phase à température et composition constantes ; ses températures d’ébullition et de rosée sont identiques. Faire varier une seule de ces grandeurs ou les deux ne respecte pas cette caractéristique.

39. Dans une distillation flash, quels sont les deux produits obtenus en une seule étape, proches de l’équilibre thermodynamique ?

Une vapeur appelée distillat et un liquide appelé résidu
Deux liquides, l’un appelé distillat et l’autre résidu
Un liquide appelé distillat et une vapeur appelée résidu
Une vapeur appelée distillat et un solide appelé résidu

Une vapeur appelée distillat et un liquide appelé résidu

Explication

La distillation flash réalise une séparation en une seule étape et produit une vapeur, le distillat, ainsi qu’un liquide, le résidu, proches de l’équilibre thermodynamique. L’option « liquide appelé distillat » inverse les produits, « deux liquides » confond les phases, et « un solide » attribue au résidu un état absent de cette définition.

40. Un mélange à séparer présente un écart de températures d’ébullition de 62 ∘C62\,^{\circ}\mathrm{C} entre ses constituants. Cette caractéristique rend-elle la distillation flash particulièrement adaptée ?

Oui, l’écart dépasse le seuil indicatif de 50 ∘C50\,^{\circ}\mathrm{C}
Non, car l’écart doit être inférieur à 50 ∘C50\,^{\circ}\mathrm{C}
Non, car il faut que les températures d’ébullition soient identiques
Oui, car chaque constituant doit bouillir à plus de 50 ∘C50\,^{\circ}\mathrm{C}

Oui, l’écart dépasse le seuil indicatif de $$50\,^{\circ}\mathrm{C}$$

Explication

La distillation flash s’utilise surtout lorsque l’écart entre les températures d’ébullition atteint au moins 50 ∘C50\,^{\circ}\mathrm{C}; ici, 62>5062>50. L’écart inférieur inverse le critère, des températures identiques ne correspondent pas au seuil, et la dernière réponse confond l’écart avec une température absolue.

41. Dans un calcul d’étage flash idéal, quelle hypothèse faut-il retenir concernant les phases sortantes et leur entraînement ?

Les phases ont la même température, mais peuvent rester hors équilibre
Les gouttes peuvent être entraînées dans la vapeur, mais pas les bulles dans le liquide
Les phases sont à l’équilibre, sans gouttes dans la vapeur ni bulles dans le liquide
Les bulles peuvent être entraînées dans le liquide, mais pas les gouttes dans la vapeur

Les phases sont à l’équilibre, sans gouttes dans la vapeur ni bulles dans le liquide

Explication

L’étage idéal suppose que les phases sortantes sont à l’équilibre et qu’il n’y a ni gouttes entraînées dans la vapeur ni bulles dans le liquide. La seule égalité de température ne garantit pas l’équilibre, tandis que les deux autres réponses tolèrent chacune un entraînement interdit par le modèle.

42. Un étage flash reçoit un débit molaire d’alimentation FF contenant le constituant A à la fraction molaire zz, puis produit un liquide de débit LL et de fraction molaire xx et une vapeur de débit VV et de fraction molaire yy. Quels bilans molaires faut-il écrire ?

F=L+VF=L+V et Fz=VyFz=Vy
F=L+VF=L+V et Fz=Lx+VyFz=Lx+Vy
F=L+VF=L+V et Fz=Ly+VxFz=Ly+Vx
F=LF=L et Fz=Lx+VyFz=Lx+Vy

$$F=L+V$$ et $$Fz=Lx+Vy$$

Explication

Le bilan total additionne les deux débits sortants, tandis que le bilan partiel de A additionne ses contributions dans les courants liquide et vapeur : F=L+VF=L+V et Fz=Lx+VyFz=Lx+Vy. Écrire F=LF=L omet la vapeur, Fz=VyFz=Vy omet le liquide, et Ly+VxLy+Vx intervertit les compositions des phases.

43. Une équipe utilise le modèle d’étage idéal pour concevoir une unité flash et veut ensuite annoncer le nombre d’étages réels requis. Quelle conclusion respecte les limites du modèle ?

Le modèle aide à concevoir ou adapter l’unité, mais le nombre réel exige des données pratiques, des essais ou une modélisation plus complexe
Le modèle requiert des données cinétiques et hydrodynamiques avant de pouvoir guider la conception
Le modèle ne sert qu’après des essais et ne permet pas d’adapter l’unité
Le modèle fournit le nombre d’étages réels dès que l’unité est conçue

Le modèle aide à concevoir ou adapter l’unité, mais le nombre réel exige des données pratiques, des essais ou une modélisation plus complexe

Explication

Le modèle idéal peut servir à concevoir ou adapter une unité sans données cinétiques ni hydrodynamiques, mais il ne détermine pas à lui seul le nombre d’étages réels; celui-ci demande des connaissances pratiques, des essais ou une modélisation plus complexe. La prédiction directe du nombre réel dépasse sa portée, les données cinétiques et hydrodynamiques ne sont pas nécessaires à son usage indiqué, et les essais ne sont pas une condition préalable à la conception.

44. Dans un mélange ternaire, la vitesse de diffusion de l’espèce A diffère de celles des espèces B et C. Selon Maxwell-Stefan, comment exprimer la force motrice exercée sur A ?

f⃗A=ζA,BxB(V⃗A−V⃗B)+ζA,CxC(V⃗A−V⃗C)\vec{f}_A=\zeta_{A,B}x_B(\vec{V}_A-\vec{V}_B)+\zeta_{A,C}x_C(\vec{V}_A-\vec{V}_C)
f⃗A=ζA,BxB(V⃗B−V⃗A)+ζA,CxC(V⃗C−V⃗A)\vec{f}_A=\zeta_{A,B}x_B(\vec{V}_B-\vec{V}_A)+\zeta_{A,C}x_C(\vec{V}_C-\vec{V}_A)
f⃗A=ζA,BxB(V⃗A−V⃗B)\vec{f}_A=\zeta_{A,B}x_B(\vec{V}_A-\vec{V}_B)
f⃗A=ζA,BwB(V⃗A−V⃗B)+ζA,CwC(V⃗A−V⃗C)\vec{f}_A=\zeta_{A,B}w_B(\vec{V}_A-\vec{V}_B)+\zeta_{A,C}w_C(\vec{V}_A-\vec{V}_C)

$$\vec{f}_A=\zeta_{A,B}x_B(\vec{V}_A-\vec{V}_B)+\zeta_{A,C}x_C(\vec{V}_A-\vec{V}_C)$$

Explication

La force motrice est la somme des contributions de friction avec chaque autre espèce, pondérées par sa fraction molaire et la différence de vitesse correspondante. Ne retenir que B omet C, utiliser les fractions massiques confond les compositions, et inverser les vitesses change le signe des contributions.

45. Un ingénieur étudie la diffusion d’un mélange proche de l’équilibre, à pression et température constantes. Quelle grandeur gouverne généralement la force motrice en génie chimique ?

Le gradient de température, relié aux gradients de fractions molaires et à un facteur de correction thermodynamique
Le gradient de potentiel chimique, relié aux gradients de fractions massiques sans facteur de correction thermodynamique
Le gradient de potentiel chimique, relié aux gradients de fractions molaires et à un facteur de correction thermodynamique
Le gradient de pression, relié aux gradients de fractions molaires et à un facteur de correction thermodynamique

Le gradient de potentiel chimique, relié aux gradients de fractions molaires et à un facteur de correction thermodynamique

Explication

Près de l’équilibre et à pression et température constantes, le gradient du potentiel chimique gouverne généralement la diffusion; son expression fait intervenir les gradients de fractions molaires et un facteur thermodynamique. La pression seule et la température ne sont pas la force motrice décrite, tandis que supprimer le facteur néglige la correction.

46. À pression et température constantes, un mélange présente un gradient de fraction molaire de l’espèce A. Quelle expression de la vitesse de diffusion massique correspond à l’approximation de Hirschfelder et Curtiss ?

V⃗A=−DAm1xA∇xA+V⃗c\vec{V}_A=-D_{Am}\frac{1}{x_A}\nabla x_A+\vec{V}_c
V⃗A=−DAm1xA∇xA\vec{V}_A=-D_{Am}\frac{1}{x_A}\nabla x_A
V⃗A=−DAm1wA∇wA+V⃗c\vec{V}_A=-D_{Am}\frac{1}{w_A}\nabla w_A+\vec{V}_c
V⃗A=−DAm∇xA+V⃗c\vec{V}_A=-D_{Am}\nabla x_A+\vec{V}_c

$$\vec{V}_A=-D_{Am}\frac{1}{x_A}\nabla x_A+\vec{V}_c$$

Explication

L’approximation de Hirschfelder et Curtiss inclut le facteur 1/xA1/x_A devant le gradient de fraction molaire ainsi que la vitesse de correction. L’expression sans ce facteur l’omet, celle sans correction supprime V⃗c\vec{V}_c, et celle en wAw_A substitue la fraction massique à la fraction molaire.

47. Dans un mélange, un ingénieur connaît le gradient de la fraction massique wAw_A et la masse volumique ρ\rho. Quelle relation donne le flux diffusif massique de A selon la loi de Fick ?

J⃗A=−DAm∇wA\vec{J}_A=-D_{Am}\nabla w_A
J⃗A=ρDAm∇wA\vec{J}_A=\rho D_{Am}\nabla w_A
J⃗A=−ρDAm∇wA\vec{J}_A=-\rho D_{Am}\nabla w_A
J⃗A=−ρDAm∇xA\vec{J}_A=-\rho D_{Am}\nabla x_A

$$\vec{J}_A=-\rho D_{Am}\nabla w_A$$

Explication

Sur base massique, la loi de Fick relie le flux au gradient de fraction massique avec le facteur de masse volumique et un signe négatif. Omettre ρ\rho confond flux et expression par unité de masse volumique, inverser le signe change le sens diffusif, et xAx_A est une fraction molaire.

48. Une modélisation utilise la loi de Fick dans un mélange dont les diffusivités sont inégales et où la vitesse de correction n’est pas nulle. Que peut-on conclure sur le bilan massique global local ?

La loi le respecte parce que la pression et la température sont constantes
La loi le respecte dès que la vitesse de correction est non nulle
La loi le respecte dès que les diffusivités sont inégales
La loi ne le respecte généralement pas dans ces conditions

La loi ne le respecte généralement pas dans ces conditions

Explication

La loi de Fick respecte le bilan massique global local si toutes les diffusivités sont égales ou si la vitesse de correction est nulle; hors de ces conditions, elle ne le respecte généralement pas. Des diffusivités inégales ne satisfont pas la première condition, une correction non nulle ne satisfait pas la seconde, et la constance de pression et de température ne constitue pas le critère indiqué.

49. Dans le modèle de Lewis et Whitman, comment le transfert entre un gaz et un liquide en mouvement est-il représenté en l’absence de réaction chimique ?

Par deux cœurs de phase minces près de l’interface et des couches limites homogènes
Par deux couches limites minces près de l’interface et des cœurs de phase homogènes
Par des couches limites turbulentes sans distinction entre interface et cœurs
Par une réaction chimique à l’interface entre deux couches de concentration uniforme

Par deux couches limites minces près de l’interface et des cœurs de phase homogènes

Explication

Le modèle distingue une couche limite mince près de l’interface dans chaque phase et un cœur de phase parfaitement homogène, sans réaction chimique. L’option sur les cœurs minces inverse les régions, celle sur la réaction ajoute un phénomène absent, et celle sur l’absence de distinction efface la structure du modèle.

50. Dans un contacteur sans réaction, on mesure pour le liquide kL=0,02 m/sk_L=0{,}02\,\mathrm{m/s}, CLi=8 mol/m3C_{Li}=8\,\mathrm{mol/m^3} et CLc=3 mol/m3C_L^c=3\,\mathrm{mol/m^3}. Quel flux molaire liquide prédit le modèle ?

0,10 mol/(m2 s)0{,}10\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}
0,02(CGc−CGi) mol/(m2 s)0{,}02(C_G^c-C_{Gi})\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}
−0,10 mol/(m2 s)-0{,}10\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}
0,22 mol/(m2 s)0{,}22\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}

$$0{,}10\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}$$

Explication

La relation liquide est NA=kL(CLi−CLc)N_A=k_L(C_{Li}-C_L^c), donc 0,02(8−3)=0,10 mol/(m2 s)0{,}02(8-3)=0{,}10\,\mathrm{mol/(m^2\,s)}. Le signe négatif inverse le gradient, l’expression avec les concentrations gazeuses prend la relation de l’autre phase, et 0,220{,}22 provient de l’addition des concentrations.

51. À l’interface, l’équilibre linéaire vérifie CGi=HCLiC_{Gi}=HC_{Li}. Pour un système où H=2H=2, kG=4 m/sk_G=4\,\mathrm{m/s} et kL=8 m/sk_L=8\,\mathrm{m/s}, quelle expression donne le coefficient global sur base liquide ?

1KL=1kG+1HkL\frac{1}{K_L}=\frac{1}{k_G}+\frac{1}{Hk_L}
1KL=1HkG+1kL\frac{1}{K_L}=\frac{1}{Hk_G}+\frac{1}{k_L}
1KL=1kG+HkL\frac{1}{K_L}=\frac{1}{k_G}+\frac{H}{k_L}
1KL=HkG+1kL\frac{1}{K_L}=\frac{H}{k_G}+\frac{1}{k_L}

$$\frac{1}{K_L}=\frac{1}{Hk_G}+\frac{1}{k_L}$$

Explication

Sur base liquide, les résistances s’additionnent sous la forme 1/KL=1/(HkG)+1/kL1/K_L=1/(Hk_G)+1/k_L, avec le facteur de Henry appliqué à la résistance gazeuse. L’expression sans facteur de conversion l’omet, celle avec H/kGH/k_G place mal ce facteur, et 1/kG+H/kL1/k_G+H/k_L correspond à la base gazeuse.

52. Dans un contacteur, la résistance de la couche liquide est nettement supérieure à celle de la couche gazeuse. Quelle phase contrôle alors le transfert ?

La phase gazeuse
Les deux phases à parts égales
La phase liquide
Aucune phase, car le transfert est à l’équilibre

La phase liquide

Explication

Le contrôle est attribué à la phase dont la résistance domine : une résistance liquide dominante signifie un transfert contrôlé par la phase liquide. Le contrôle gazeux inverse cette association, un partage égal ne suit pas la différence de résistances, et l’équilibre ne découle pas de la seule dominance liquide.

53. Pour dimensionner un contacteur constitué de plateaux séparés, quelle approche et quelle grandeur faut-il utiliser ?

Une approche thermodynamique fondée sur le nombre d’unités de transfert
Une approche cinétique fondée sur le nombre d’unités de transfert
Une approche thermodynamique fondée sur le nombre d’étages
Une approche cinétique fondée sur le nombre d’étages

Une approche thermodynamique fondée sur le nombre d’étages

Explication

Un contacteur à contact non permanent comporte des étages séparés et se dimensionne thermodynamiquement par le nombre d’étages. L’approche cinétique et les unités de transfert correspondent au contact permanent.

54. Une colonne industrielle met les phases en contact sur des plateaux équipés de soupapes. À quelle catégorie de contacteur appartient-elle ?

À contact permanent, par garnissage structuré
À contact permanent, par garnissage aléatoire
À contact non permanent, sans étages séparés
À contact non permanent, par étages séparés

À contact non permanent, par étages séparés

Explication

Les colonnes à plateaux, y compris celles équipées de soupapes, sont des contacteurs à contact non permanent. Le garnissage aléatoire et le garnissage structuré caractérisent le contact permanent.

55. Lors d’une absorption gaz-liquide sans réaction chimique, quel phénomène définit le transfert de l’espèce absorbée ?

Le passage d’une espèce du gaz au liquide par réaction
Le passage d’une espèce du gaz vers une phase solide par dissolution
Le passage d’une espèce du liquide au gaz par dissolution
Le passage d’une espèce du gaz au liquide par dissolution

Le passage d’une espèce du gaz au liquide par dissolution

Explication

L’absorption gaz-liquide est le transfert d’une espèce de la phase gazeuse vers la phase liquide par simple dissolution, sans réaction. Le transfert inverse relève d’un autre sens de transfert, tandis qu’une réaction ne fait pas partie de cette définition.

56. Dans une section de colonne en régime continu stationnaire, les débits de gaz et de liquide pondérés par les fractions massiques de A sont mesurés aux deux extrémités. Quelle égalité exprime le bilan de A ?

G(0)Y(0)=L(0)X(0)+G(z)Y(z)G(0)Y(0)=L(0)X(0)+G(z)Y(z)
G(0)Y(0)+L(z)X(z)=L(0)X(0)+G(z)Y(z)G(0)Y(0)+L(z)X(z)=L(0)X(0)+G(z)Y(z)
G(0)Y(0)+L(0)X(0)=L(z)X(z)+G(z)Y(z)G(0)Y(0)+L(0)X(0)=L(z)X(z)+G(z)Y(z)
G(0)+L(z)=L(0)+G(z)G(0)+L(z)=L(0)+G(z)

$$G(0)Y(0)+L(z)X(z)=L(0)X(0)+G(z)Y(z)$$

Explication

Le bilan stationnaire de A égalise les contributions entrantes, G(0)Y(0)+L(z)X(z)G(0)Y(0)+L(z)X(z), et les contributions sortantes, L(0)X(0)+G(z)Y(z)L(0)X(0)+G(z)Y(z). L’égalité inversée permute les positions d’entrée et de sortie, tandis que les autres expressions omettent une contribution de A ou ses fractions massiques.

57. Une colonne de transfert a une hauteur d’unité de transfert de 0,8 m0{,}8\ \text{m} et comporte 1212 unités de transfert. Quelle est sa hauteur totale ?

12,8 m12{,}8\ \text{m}
0,067 m0{,}067\ \text{m}
15 m15\ \text{m}
9,6 m9{,}6\ \text{m}

$$9{,}6\ \text{m}$$

Explication

La hauteur totale est le produit de la hauteur d’une unité de transfert par le nombre d’unités : ZT=0,8×12=9,6 mZ_T=0{,}8\times12=9{,}6\ \text{m}. 12,8 m12{,}8\ \text{m} correspond à une addition, 15 m15\ \text{m} à une division inversée, et 0,067 m0{,}067\ \text{m} à HTU divisé par NTU.

58. Pour calculer les unités de transfert globales gazeuses d’une colonne, une ingénieure dispose de mesures de composition du gaz et veut appliquer la méthode fondée sur l’écart à l’équilibre. Quelle hypothèse et quel écart doit-elle utiliser ?

H constant et écart entre compositions gazeuses réelle et d’équilibre
H constant et écart entre compositions gazeuse et liquide à l’entrée
H variable et écart entre compositions liquides réelle et d’équilibre
H variable et écart entre compositions gazeuses d’entrée et de sortie

H constant et écart entre compositions gazeuses réelle et d’équilibre

Explication

Le calcul des unités globales gazeuses suppose un coefficient de Henry H constant et s’appuie sur l’écart entre la composition gazeuse réelle et sa composition d’équilibre. L’écart liquide réel-équilibre confond la phase considérée, tandis que les écarts entre phases ou entre entrée et sortie ne sont pas l’écart gazeux à l’équilibre requis.

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