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Corrigé annales génie chimique BTS Chimie 2016

Cette correction est une première version. Elle peut contenir quelques erreurs. Merci de me les signaler.

 2.1 Etude de l'hydrogénateur H

2.1.1 L'EAQH2 fabriquée est 239-5=234 kmol.h-1. L'EAQH4 fabriquée est 46-30=16 kmol.h-1. L'EAQ convertie est 250 kmol.h-1 soit un taux de conversion de 100%. La sélectivité de la réaction a est 234/250 soit 93.6%, la sélectivité de la réaction b est 16/250 soit 6.4%.

2.1.2 L'hydrogène consommé par a est 234 kmol.h-1. L'hydrogène consommé par b est 2×16 kmol.h-1. L'hydrogène consommé par a et b est donc 234+32=266 kmol.h-1. Le débit d'hydrogène sortant est donc FH2s=FH2e-266=280-266=14 kmol.h-1

2.1.3 On suppose que les produits entrent et sortent à la température du réacteur. Il faut alors évacuer la puissance dégagée par l'exothermicité des réactions, soit 234.e3×21.4 kJ.h-1 pour la réaction a et 16.e3×37.6 kJ.h-1 pour la réaction b, pour un total de 5 609 200 kJ.h-1.

2.2 Choix de la méthode de filtration

2.2.1 Le catalyseur solide (palladium sur grains d'alumine) doit être enlevé avant l'oxydateur O pour le recycler, et parce que la palladium favorise la décomposition de l'eau oxygénée en eau et oxygène gazeux.

2.2.2 La filtration tangentielle fonctionne en continu sans développement d'un gateau évitant ainsi le colmattage du média filtrant.

2.3 Fonctionnement du réfrigérant

2.3.1 Le bilan énergétique sur le réfrigérant s'écrit Q5×C5×(65-35)=Fer×Ce×(38-15), d'ou Fer=Q5×C5×(65-35)/(Ce×(38-15))=(74.7×2.17×30)/(4.18×23)=50.6 kg.s-1.

2.3.2 L'échangeur est monté à contre-courant car il ne peut y avoir de croisement des températures, et l'eau sort à 38°C alors que la solution refroidie sort à 35°C.

2.4 Calculs des débits dans la colonne d'extraction E

2.4.1 Le solvant de l'extraction est l'eau déminéralisée, également la phase continue et la phase lourde. Le soluté est l'eau oxygénée.

2.4.2 D'après le tableau 1, au point 8 (sortie du raffinat), il n'y a pas d'eau. Au point 7 (sortie de l'extrait), il n'y a pas de mélange de solvants organiques et d'EAQ, d'EAQH2 ou d'EAQH4. Le solvant d'extrraction (l'eau) et la "solution de travail" sont donc totalement immiscibles. 

2.4.3 Toujours d'après le tableau 1, le débit de solution de travail circulant dans la colonne est 250+29+1352=1631 kmol.h-1. Le rapport molaire soluté / solution de travail au point 5 est donc 253/1631=0.155.

2.4.4 Le bilan en eau oxygénée sur la colonne d'extraction E s'écrit 253+2=Fph7+3 d'ou Fph7=252 kmol.h-1.

On a d'autre part F7×x7=Fph7 d'ou F7=Fph7/x7=252/0.22=1145.5 kmol.h-1.

On en déduit Fe7=F7×(1-x7)=1145.5×(1-0.22)=893.5 kmol.h-1.

2.5 Fonctionnement de la colonne à distiller D

2.5.1 La distillation est effectuée sous pression réduite pour travailler à basse température dans la colonne, et ainsi limiter la décomposition de l'eau oxygénée.

2.5.2 L'équation de bilan matière global s'écrit F7=F9+F10, d'ou F9=F7-F10.

L'équation de bilan en H2O2 s'écrit F7×x7=F9×x9+F10×x10.

En remplacant F9 par son expression en fonction de F10 on obtient F10=F7×(x9-x7)/(x9-x10)=1145×(0.55-0.22)/(0.55-0.00225)=689.8 kmol.h-1.

2.5.3 Les titres utilisés précedemment sont les titres en eau oxygénée mais le constituant volatil de la distillation est l'eau.

Le titre en eau au bouilleur est 1-0.55=0.45 soit 45%, d'ou une température de 64°C.

Le titre en eau au distillat est 1-0.00225=0.99775 soit 99.775%, d'ou une température de 50°C.