BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS. ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE Partie écrite

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1 Session 2012 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE Partie écrite Durée de l'épreuve : 3 heures Coefficient : 3 Le sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6. La page 6/6 est à rendre avec la copie. L'usage de la calculatrice est autorisé. Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu il ne soit pas fait usage d imprimante (circulaire n du 16 novembre 19 99). Code sujet : 12GECLAG1 1/6

2 FABRICATION EN CONTINU DU BENZÈNESULFONATE DE SODIUM A. PRINCIPE L acide benzène sulfonique est un intermédiaire de synthèse pour la fabrication du phénol. Lorsqu il est utilisé pour cette voie de synthèse, l acide benzène sulfonique n est pas isolé mais converti en sel de sodium puis traité ultérieurement. On réalise en continu la réaction de sulfonation du benzène pour obtenir l acide benzène sulfonique. Réaction 1 C6H6 + H2SO4 C6H5SO3H + H2O Puis on réalise en milieu aqueux la réaction permettant d obtenir le benzènesulfonate de sodium. Réaction 2 2 C6H5SO3H + Na2SO3 SO2 + H2O + 2 C6H5SO3Na Le dioxyde de soufre formé est à l état gazeux. La solution ainsi obtenue subit une évaporation puis un refroidissement pour provoquer la cristallisation du benzènesulfonate de sodium. B. DESCRIPTION DU PROCÉDÉ Stocké dans un réservoir R1, l acide sulfurique est pulvérisé par une pompe doseuse P1 en tête de la colonne à garnissage K1 qui sert de réacteur de sulfonation. Stocké dans le réservoir R2, le benzène est injecté par la pompe centrifuge P2 à travers les tubes du bouilleur E1. À la sortie du bouilleur E1 le benzène pénètre sous le garnissage de K1. Le débit de benzène maintient constante la composition du liquide sortant en pied de K1. L échangeur E1 est un faisceau tubulaire vertical dans les tubes duquel le benzène est vaporisé et sa vapeur surchauffée jusqu à 160 C. L e débit de vapeur de chauffe permet de maintenir cette température à 160 C à la sortie de E1. La vapeur sortant en tête de K1 est constituée d eau et de benzène en excès. Celle-ci est condensée dans l échangeur à faisceau tubulaire horizontal E2. Le liquide hétérogène obtenu est dirigé vers un décanteur florentin S1. La phase aqueuse (phase la plus dense) est dirigée vers une installation de traitement (à ne pas représenter) tandis que la phase légère s écoule par gravité dans le réservoir R2. L acide benzènesulfonique sortant en pied de K1 s écoule par gravité dans le réacteur K2 avec un débit qui maintient constant le niveau du liquide en pied de K1. Code sujet : 12GECLAG1 2/6

3 K2 est une cuve agitée dans laquelle on additionne une solution aqueuse de sulfite de sodium dont le débit régule le ph du milieu réactionnel. Le contact avec l acide benzène sulfonique chaud et la chaleur dégagée par la réaction exothermique provoque la vaporisation d une partie de l eau. Cette vapeur d eau et le dioxyde de soufre gazeux sont entraînés vers le condenseur vertical à faisceau tubulaire E3. La vapeur d eau est condensée et le mélange hétérogène (eau liquide et dioxyde de soufre) est refroidi jusqu à 20 C, température maintenue constante grâce à la circulation de l eau de refroidissement dans E3. Les constituants du mélange sont ensuite séparés dans un séparateur cyclone S2 dont le niveau de liquide est maintenu constant. Ces deux fluides sont ensuite dirigés vers des installations de traitement (à ne pas représenter). La solution de benzènesulfonate de sodium issue de K2 est vidangée par l intermédiaire d une pompe centrifuge P3. Le niveau de liquide est maintenu constant. La solution de benzènesulfonate de sodium est dirigée vers un évaporateur en continu (à ne pas représenter). C. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Schéma Représenter, sur le schéma d implantation fourni (annexe page 6/6 à rendre avec la copie), l installation permettant la production du benzènesulfonate de sodium en tenant compte de la description ci-dessus, en respectant les règles de sécurité et en assurant le bon fonctionnement de l installation. On précise que l installation fonctionne à pression atmosphérique. 2. Cours 2.1. Donner la définition d une vapeur saturante et d une vapeur surchauffée Pour cristalliser le benzènesulfonate de sodium, il faut soumettre la solution qui sort de K2 à une évaporation. À l aide d un schéma, décrire le fonctionnement d un évaporateur en continu (modèle au choix du candidat). 3. Exercices 3.1. Étude du recyclage du benzène L échangeur E2 condense 1, kg.h -1 d un mélange hétérogène eau benzène de titre massique égal à 92,9 % en benzène. A la sortie du florentin S1, la phase la plus dense est constituée d eau pure et la moins dense de benzène pur Montrer que le débit volumique de la phase la moins dense est de 1,07 m 3.h La phase légère s écoule dans R2 par une canalisation de diamètre 25 mm. Calculer la vitesse du fluide à son arrivée dans R2, l exprimer en m.s -1. Code sujet : 12GECLAG1 3/6

4 3.2. Fonctionnement du bouilleur E1 La vaporisation du benzène a lieu dans l échangeur à faisceau tubulaire E1 dans lequel circule à contre courant de la vapeur d eau saturante sous une pression relative de 15 bar. Le benzène entre dans E1 à l état liquide à 20 C et sort sous forme de vap eur surchauffée à 160 C ; son débit massique est égal à 1, kg.h Établir la relation permettant de calculer le flux de chaleur à fournir pour vaporiser le benzène. Vérifier que ce flux de chaleur est égal à 7, kj.h En reprenant la valeur donnée pour le flux de chaleur (7, kj.h -1 ), calculer le débit de vapeur de chauffe nécessaire en supposant qu il n y a pas de pertes thermiques et que les condensats sont évacués dès leur formation Calculer la surface d échange En déduire la hauteur du faisceau tubulaire Étude de la pompe centrifuge P2 La pompe P2 en charge sous le réservoir R2 dont le niveau est régulé, permet d alimenter le réacteur K1 avec un débit de 1, kg.h -1. Le réservoir R2 et le réacteur K1 sont placés sous la pression atmosphérique. La canalisation a une longueur développée de 16 m et présente trois coudes, une vanne, un clapet anti-retour et le faisceau tubulaire E1. La dénivellation entre le niveau dans le réservoir R2 et l entrée dans K1 est de 6,0 m Calculer la perte de charge totale J Calculer la hauteur manométrique totale de la pompe H mt (on ne tient pas compte de la vitesse d arrivée du fluide dans K1) Calculer la puissance électrique consommée par la pompe, sachant que le rendement de la pompe est de 64 %. Code sujet : 12GECLAG1 4/6

5 D. DONNÉES Benzène : - liquide toxique volatil et inflammable - température d ébullition : 80 C - enthalpie massique de vaporisation à 80 C : 385 kj.kg -1 - masse volumique : 880 kg.m -3 - capacité thermique massique du benzène liquide : 1,86 kj.kg -1.K -1 - capacité thermique massique du benzène gazeux : 1,56 kj.kg -1.K -1 Acide sulfurique concentré : liquide corrosif Dioxyde de soufre : gaz toxique La pression atmosphérique sera prise égale à 1,0 bar Formule empirique de Duperray : θ p = avec p, pression absolue en bar et θ, température en C Enthalpie massique de vaporisation de l'eau pour le domaine de température considéré (en kj.kg 1 ) : h v = ,9 θ, avec θ : température en C θ1 θ2 Écart de température moyen logarithmique : θ ml = θ 1 ln θ2 Coefficient de transfert thermique global de l échangeur E1 : K = 2, W.m -2.K -1 Diamètre d un tube de l échangeur E1 : d = 2,0 cm Nombre de tubes de l échangeur E1 : n = 27 Relation de Bernoulli entre deux sections S A et S B d un circuit avec pompe : H PA va² z ρg 2g Accélération de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2 PB vb² = + + z ρg 2g mt A B + Perte de charge linéaire : 6,0 cm de hauteur de fluide par mètre de canalisation Longueur équivalente pour une vanne : 0,5 m de canalisation droite Longueur équivalente pour un coude : 1,5 m de canalisation droite Longueur équivalente pour un clapet anti-retour : 7,0 m de canalisation droite Perte de charge due à l échangeur : 3,0 m de hauteur de fluide J Code sujet : 12GECLAG1 5/6

6 ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE E2 S1 R1 K1 P1 E3 E1 S2 R2 K2 P2 Code sujet : 12GECLAG1 6/6 P3