BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE

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°99-186 du 16 novembre 19 99).
Code sujet : 12GECLAG1
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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 + H2SO 4 → C6H5 SO3H + H2O
Puis on réalise en milieu aqueux la réaction permettant d’obtenir le benzènesulfonate de
sodium.
Réaction 2
2 C6H5SO3H + Na 2SO3 → SO2 + H2O + 2 C6H5 SO3Na
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
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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.
2.2. 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 1,01 × 103 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.
3.1.1. Montrer que le débit volumique de la phase la moins dense est de 1,07 m3.h-1.
3.1.2. 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
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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 1,2×103 kg.h-1.
3.2.1. 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 7,46 × 105 kJ.h-1.
3.2.2. En reprenant la valeur donnée pour le flux de chaleur (7,46 × 105 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.
3.2.3. Calculer la surface d’échange.
3.2.4. En déduire la hauteur du faisceau tubulaire.
3.3.
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 1,2 × 103 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.
3.3.1. Calculer la perte de charge totale J.
3.3.2. Calculer la hauteur manométrique totale de la pompe Hmt (on ne tient pas compte
de la vitesse d’arrivée du fluide dans K1).
3.3.3. Calculer la puissance électrique consommée par la pompe, sachant que le
rendement de la pompe est de 64 %.
Code sujet : 12GECLAG1
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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=

 100 
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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) :
∆hv = 2535 − 2,9 × θ, avec θ : température en °C
• Écart de température moyen logarithmique : ∆θml =
∆θ1 − ∆θ 2
 ∆θ 
ln 1 
 ∆θ 2 
• Coefficient de transfert thermique global de l’échangeur E1 : K = 2,0 × 102 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 SA et SB d’un circuit avec pompe :
Hmt +
PA vA ²
PB vB ²
+
+ zA =
+
+ zB + J
ρg 2g
ρg 2g
• Accélération de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2
•
•
•
•
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
Code sujet : 12GECLAG1
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ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
E2
S1
R1
K1
P1
E3
S2
E1
R2
K2
P2
P3
Code sujet : 12GECLAG1
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