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7/31/2019 Gnie chimique_STL-CLPI
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Session 2012
BACCALAURAT TECHNOLOGIQUESTL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE
PROCDS INDUSTRIELS
PREUVE DE GNIE CHIMIQUE
Partie crite
Dure de l'preuve : 3 heures
Coefficient : 3
Le sujet comporte 6 pages numrotes de 1/6 6/6.
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FABRICATION DE LACTONE
Lactone (propanone) est un solvant trs utilis dans lindustrie et
en laboratoire car ellepermet de solubiliser de nombreuses espces
organiques et elle est totalement miscible
leau. Elle est notamment employe comme dissolvant de colles et
comme dgraissantindustriel. Elle rentre galement dans la
fabrication de matires plastiques et de mdicaments.Le procd le plus
utilis pour fabriquer de lactone est le procd au cumne, qui
conduitgalement au phnol.On sintressera un autre type de production
partir de la dshydrognation du propan-2-ol.
A- PRINCIPE
Lactone peut tre obtenue industriellement par dhydrognation
catalytique du propan-2-ol enphase gazeuse.Cette transformation
endothermique est ralise entre 350 C et 400 C sous une pression
de2,0 bar absolus et elle est catalyse par de loxyde de zinc selon
lquation :
H3C-CHOH-CH3 (g) H3CCOCH3 (g) + H2 (g) (1)propan-2-ol actone
Dans ces conditions, des produits secondaires apparaissent,
notamment le propne et loxydede msityle (4-mthylpent-3-none). Les
quations qui modlisent la formation de ces espcessont :
H3C-CHOH-CH3 (g) H3C-CH=CH2 (g) + H2O (g) (2)propne
2 H3CCOCH3 (g) (CH3)2C=CH-CO-CH3 (g) + H2O (g) (3)
acetone oxyde de msityle
B- DESCRIPTION DU PROCD1. Alimentation du racteur et
transformations.
La solution aqueuse de propan-2-ol, stocke dans un rservoir R1
niveau constant, estenvoye par une pompe centrifuge P1 dans le
racteur K un dbit contrl.
K, dans lequel se forment les trois produits selon les quations
(1), (2) et (3), est un racteurmultitubulaire vertical contenant le
catalyseur. La solution de propan-2-ol arrive par le bas et
leseffluents ractionnels sortent par le haut du racteur. La
pression dans le racteur est mesure.Les gaz sortants sont ensuite
refroidis et partiellement condenss dans un changeur
faisceautubulaire horizontal E1 Le refroidissement est assur par de
leau et la temprature des
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2. Sparation des effluents et lavage.
Les effluents sortant de E1 sont spars dans le cyclone S
(rgulation de niveau) do lonretire :
- une phase liquide contenant lactone, le propan-2-ol nayant pas
ragi et loxyde demsityle form ;
- une phase gazeuse contenant de lactone, du dihydrogne et du
propne.
La phase liquide sortant de S coule par gravit jusquau rservoir
R2.
La phase gazeuse est lave leau dans une tour garnissage D1.
Lactone est solubilise enphase aqueuse qui coule par gravit dans le
rservoir R2. Les gaz insolubles (dihydrogne etpropne) sont vacus
par le haut de la tour afin dtre traits. La perte de charge de la
colonneest mesure. Le niveau de liquide en pied de colonne est
maintenu constant.
3. Purification de la solution.
La solution stocke dans R2 est envoye par une pompe centrifuge
P2 en milieu de la colonne plateaux D2 aprs prchauffage dans
lchangeur faisceau tubulaire vertical E2. Le
chauffage de cet changeur est assur par de la vapeur de chauffe
sous 7 bar (pressionrelative) dont le dbit contrle la temprature de
sortie de la solution.
Le niveau en pied de colonne D2 est rgul. La colonne D2
fonctionne sous pressionatmosphrique.
En tte de colonne, les vapeurs sont condenses dans un changeur
faisceau tubulairehorizontal E3aliment en eau de refroidissement.
Les condensats sont recueillis dans le pot derecette R3, dont le
niveau est rgul ; une partie de ces condensats est renvoye en
reflux afinde maintenir constante la temprature du plateau
immdiatement suprieur lalimentation. Lereste est dabord refroidi
par un changeur plaques vertical E4. Le dbit deau derefroidissement
rgule la temprature de sortie du distillat qui est ensuite stock
dans une cuveR4. Ce distillat est de lactone pratiquement pure
(solution aqueuse 99,8 % en actone).
Le pied de colonne est constitu dun bouilleur faisceau tubulaire
E5 mont en thermosiphon
fonctionnant la vapeur deau. La pression diffrentielle entre le
bas et le haut de la colonneest rgul par le dbit de vapeur de
chauffe.
Le rsidu constitu de propan-2-ol, doxyde de msityle et deau, est
soutir grce une pompecentrifuge P3, et dirig vers une autre colonne
de rectification D3 permettant de recycler lepropan-2-ol qui na pas
ragi (ne pas reprsenter la colonne D3).
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C- TRAVAIL DEMAND1. Schma
Sur le format fourni, en tenant compte des indications
prcdentes, reprsenter linstallation(sauf le racteur K, la pompe P1
et le rservoir R1), en respectant les rgles de scurit et en
assurant son bon fonctionnement.
2. Cours
2.1. La vapeur de chauffe est produite sous 7 bar (pression
relative) une temprature de180 C. Prciser si cette vapeur est
sature ou sur chauffe. Justifier la rponse.
2.2. Faire un schma dun bouilleur mont en thermosiphon,
expliquer en quelques lignes sonfonctionnement.
2.3. Lors dune rectification, indiquer quel phnomne nuisible
peut apparatre si on ne contrlepas le chauffage. Expliquer en
quelques lignes lorigine de ce phnomne.
3. Exercices
3.1. tude de la pompe P1
La pompe centrifuge P1 permet dalimenter en solution aqueuse de
propan-2-ol le racteur K.Le dbit dalimentation en solution est de
3,5 t.h-1. Le rservoir R1 est pressionatmosphrique et le racteur
est sous une pression de 2,0 bar absolus. La dnivellation entre
leniveau dans le rservoir R1 et lentre dans le racteur K est de 4,5
m. La canalisation, longuede 25 m, comporte trois coudes, un clapet
anti-retour et deux vannes. La perte de chargelinaire est de 5,0 cm
de fluide par mtre de canalisation. Son diamtre intrieur dest de
3,0
cm.
3.1.1. Calculer la vitesse de la solution dans la
canalisation.3.1.2. Calculer les pertes de charges de lensemble de
linstallation.3.1.3. Dterminer la hauteur manomtrique totale de la
pompe.3.1.4. Dterminer la puissance lectrique de la pompe sachant
que son rendement est delordre de 66 %.
3.2. Production de vapeur
La vapeur de chauffe, utilise pour les bouilleurs en
thermosiphon et pour le prchauffeur E2,est issue dune chaudire au
gaz qui produit une vapeur sous une pression relative de 7 bar 180
C raison de 12 t.h -1. Leau entre dans la chaudire une temprature
de 50 C. Lerendement de la chaudire est de 75 %.
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DONNES
La pression atmosphrique sera prise gale 1,0 bar (soit 1,0 105
Pa)
Formule empirique de Duperray :4
p 100
= avec p, pression absolue en bar et , temprature dbullition en
C
Enthalpie massique de vaporisation de l'eau dans le domaine de
temprature considr(en kJ.kg1) : Lv= 2535 2,9 , avec , temprature en
C
Capacit thermique massique de leau liquide : Cpliq = 4,2
kJ.kg-1.K-1.
Capacit thermique massique de la vapeur deau : Cpvapeur = 2,7
kJ.kg-1.K-1.
Pouvoir calorifique du gaz : PCgaz = 4,1 104 kJ.m-3.
Masse volumique de la solution traversant P1 := 8,7 102
kg.m-3
Relation de Bernoulli entre deux sections SA et SB dun circuit
avec pompe :
Jzg
v
g
Pz
g
v
g
PH B
BBA
AAmt +++=+++
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Longueur quivalente des accidents :
Accidents Longueur quivalente en m de canalisation1 Coude 0,5 m
de canalisation1 Vanne 3,5 m de canalisation
1 Clapet anti-retour 8,0 m de canalisation
Acclration de la pesanteur g= 9,8 m.s-2
Le taux de reflux est donn pardistillatdeDbitrefluxdeDbit=
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Code sujet : 12GECLME1 6/6
R2
E1
D1
E2
D2
E3
E5
R4
E4S
R3
P2 P3
ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE
