BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE

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1 Session 2009 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. Les pages 5/6 et 6/6 sont à rendre avec la copie. L'usage de la calculatrice est autorisé. 1/6

2 FABRICATION DE L ACÉTONE A- PRINCIPE Industriellement, l acétone (propanone) peut être produite en continu par déshydrogénation du propan-2-ol en phase liquide. La réaction, endothermique, est la suivante : CH 3 -CHOH-CH 3 CH 3 -CO-CH 3 + H 2 Cette déshydrogénation catalytique s effectue en phase liquide à 150 C, à pression atmosphérique, en présence de nickel de Raney. Un solvant inerte à haut point d ébullition permet d élever la température à laquelle s effectue la réaction ; le catalyseur reste en suspension grâce à une agitation mécanique. B- DESCRIPTION DU PROCÉDÉ I] Alimentation du réacteur et préchauffage du propan-2-ol. Le propan-2-ol est stocké dans le réservoir R1 placé au sol. Une pompe centrifuge permet le chargement du réacteur K à débit contrôlé. Il est entièrement vaporisé en traversant un échangeur tubulaire E1 alimenté en vapeur de chauffe à 7 bar (pression absolue) dont le débit est assujetti à la température d entrée du réactif dans le réacteur. II] Réaction La chaleur nécessaire à la réaction est obtenue par circulation de vapeur de chauffe à 7 bar (pression absolue) dans la double enveloppe ; le débit de vapeur de chauffe permet de maintenir la température du milieu réactionnel à 150 C. L effluent gazeux sortant du réacteur et contenant l acétone, le dihydrogène ainsi que le propan-2-ol non converti est dirigé en milieu d une colonne à distiller à plateaux D1. III] Recyclage du propan-2-ol non converti. Le bouilleur de D1 de niveau constant est constitué par un faisceau multitubulaire vertical externe E2 monté en thermosiphon chauffé par de la vapeur à 7 bar (pression absolue) dont le débit est asservi à la perte de charge dans la colonne. Le propan-2-ol est recyclé dans le réacteur à partir du pied de la colonne. L acétone condensée dans E3 constitue le distillat. Le reflux en tête de colonne est régulé en fonction de la température en tête de colonne. Le dihydrogène entraîne une quantité relativement importante d acétone. Ce mélange gazeux, sortant du condenseur E3, est injecté à la base de la colonne D2, décrite dans le paragraphe IV]. 2/6

3 IV] Récupération de l acétone entraînée par le dihydrogène. Cette récupération s effectue par lavage à l eau dans une colonne à garnissage D2. Le dihydrogène sort en tête de colonne pour être traité. Le mélange eau acétone récupéré en pied (niveau constant) est dirigé à l aide d une pompe en milieu de la colonne à garnissage D3 afin d y subir une rectification en continu. Il est préchauffé à travers le faisceau multitubulaire E4 par de la vapeur. Le bouilleur est chauffé par injection directe de vapeur d eau, à l aide d une rampe d arrosage plongeant dans le liquide. Une partie de la fraction de pied constituée d eau est récupérée par une pompe centrifuge en maintenant le niveau dans le bouilleur constant afin d être recyclée. L acétone obtenue en tête avec une pureté de 95 % en masse est récupérée après passage dans un condenseur E5. On ne représentera pas son stockage. Le débit de reflux est asservi à la température en tête de colonne. L acétone et le propan-2-ol sont très inflammables et nocifs par inhalation. Le dihydrogène est très inflammable. C- TRAVAIL DEMANDÉ I] Schéma Sur le support joint (annexe 2, page 6/6, à rendre avec la copie), représenter l installation en tenant compte des indications données en page 2/6 et 3/6, en respectant les règles de sécurité et en assurant le bon fonctionnement de l installation. On ne représentera pas les réservoirs de stockage de l acétone. II] Questions de cours 1. Expliquer le but d une distillation ; préciser les phénomènes physiques mis en jeu au cours de cette opération, en s appuyant sur le croquis d un plateau. 2. Étude du diagramme isobare eau-acétone, donnant la température ( C) en fonction du titre molaire en acétone. Le diagramme figure en annexe 1, page 5/6, à rendre avec la copie Indiquer les domaines correspondant à la phase vapeur et à la phase liquide Nommer les courbes qui les limitent en justifiant les noms donnés Identifier le composé léger et le composé lourd. Légender les axes du diagramme. 3/6

4 III] Exercices 1. Étude de l échangeur E1 Le propan-2-ol entre à la température de θ 1 = 22 C et sort de E1 à l état vapeur à la température d ébullition du propan-2-ol à pression atmosphérique, soit 82,4 C. La vapeur de chauffe saturée sous une pression absolue de 7 bar sort de l échangeur condensée et refroidie à la température θ 3. Le réactif a un débit massique q = 1500 kg.h Vérifier que la valeur du flux thermique échangé dans E1 est 1, kj.h En déduire la température θ 3 sachant que le débit massique de la vapeur est de 550 kg.h Calculer le diamètre de la tubulure de l échangeur E1 sachant que le réactif doit s écouler à la vitesse de 0,2 m.s -1 et que la densité du propan-2-ol par rapport à l eau est de 0, Le coefficient de transmission thermique globale de l échangeur étant de 710 W.m -2.K -1, calculer la surface nécessaire pour réaliser ce transfert de chaleur ; les liquides circulent à contre courant. En déduire la longueur L de la tubulure, sachant que l échangeur comporte 11 tubes. On suppose ici que la température θ 3 est de 73 C. N.B : dans le calcul, on prendra la moyenne logarithmique des écarts de température. 2. Fonctionnement de la colonne de rectification D Sachant que l acétone obtenue a une pureté de 95 % en masse, calculer le titre molaire et en déduire la température en tête de colonne, à l aide du diagramme donné en annexe, page 5/ Déterminer graphiquement la composition de la phase liquide produisant des vapeurs ayant le titre molaire obtenu en 2.1. DONNÉES Moyenne logarithmique des écarts de température : θ ml = Formule empirique de Duperray : p = en C θ θ1 θ2 θ 1 ln θ2 avec p, pression absolue en bar et θ, température Enthalpie massique de vaporisation de l eau : L V (kj.kg -1 ) = ,9 θ, avec θ en C Enthalpie massique de vaporisation du propan-2-ol à 82,4 C : L V = 667 kj.kg -1 Capacité thermique massique de l eau : c eau = 4,18 kj.kg -1.K -1 Capacité thermique massique du propan-2-ol: c ol = 3,76 kj.kg -1.K -1 Masses molaires : Eau : 18 g.mol -1 Propanone : 58 g.mol -1 4/6

5 ANNEXE 1 À RENDRE AVEC LA COPIE DIAGRAMME ISOBARE (P= 1,0 BAR) EAU-ACÉTONE ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 5/6

6 ANNEXE 2, À RENDRE AVEC LA COPIE E3 E5 D1 D2 D3 K E4 E1 E2 R1 6/6