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Synthèse du Toluène par aromatisation de l'heptane, extrait BTS 2009

(Sujet inspiré de l'épreuve de Génie Chimique du BTS Chimie session 2009, §2)

Le toluène ou méthylbenzène, C7H8, peut être obtenu par aromatisation de l'heptane C7H16 en effectuant, en continu, la réaction:

C7H16(g) -> C7H8(g) + 4 H2(g)

  • Cette réaction endothermique est réalisée en phase gazeuse au voisinage de 550°C en faisant circuler, sur un catalyseur solide, des vapeurs d'heptane renfermant déjà un peu de toluène et largement diluées par du dihydrogène gazeux.
  • Dans ces conditions, des réactions parasites qui pourraient aboutir à la formation d'alcènes sont pratiquement évitées: on n'en tiendra pas compte dans cette étude.
  • Le réacteur reçoit un débit massiqe d'alimentation égal à 2.03.e3 kg.h-1 de mélange binaire heptane - toluène dont le titre massique en toluène est égal à 0.0160.
  • On suppose que le taux de conversion de l'heptane est de 60%, qu'il n'y a pas de réaction parasite et que le débit molaire du dihydrogène nécessaire à la dilution des vapeurs d'heptane doit être égal à cinq fois le débit molaire de ce réactif.

Calculer le débit massique et molaire de chacun des constituants du mélange gazeux, à l'entrée et à la sortie du réacteur.

Données: Mheptane=100 g.mol-1, Mtoluène=92 g.mol-1.

Réponse

Réponse

  • Heptane entrant: 1997.5 kg.h-1, 19975 mol.h-1, heptane sortant: 7990 mol.h-1
  • Toluène entrant: 32.5 kg.h-1, 353 mol.h-1, toluène sortant: 12338 mol.h-1
  • Dihydrogène entrant: 99876 mol.h-1, dihydrogène sortant: 147816 mol.h-1
Correction

Correction

  • Le débit massique d'heptane entrant est HmE=2.03.e3×(1-0.016)=1997.5 kg.h-1, son débit molaire est HE=1997.5/100.e-3=19975 mol.h-1.
  • Le débit massique de toluène entrant est TmE=2.03.e3×0.016=32.5 kg.h-1, son débit molaire est TE=32.5/92.e-3=353 mol.h-1.
  • Le débit molaire d'hydrogène entrant est H2E=5×19975.2=99876 mol.h-1, son débit massique est H2mE=99876×2.e-3=199.8 kg.h-1.
  • Le débit global entrant dans le réacteur est 1997.5+32.5+199.8=2229.8 kg.h-1.

Le taux de conversion de l'heptane étant de 60%, le débit molaire d'heptane réagissant est donc 19975×0.6=11985 mol.h-1, ce qui forme autant de toluène et 4 fois plus de dihydrogène, soit:

  • Le débit molaire d'heptane sortant est donc HS=19975-11985=7990 mol.h-1, son débit massique est HmS=7990×100.e-3=799 kg.h-1.
  • Le débit molaire de toluène sortant est TS=353+11985=12338 mol.h-1, son débit massique est TmS=12338×92.e-3=1135 kg.h-1.
  • Le débit molaire d'hydrogène sortant est H2S=99876+4×11985=147816 mol.h-1, son débit massique est H2mS=147816×2.e-3=295.6 kg.h-1.

Pour vérification du bilan matière global, le débit sortant est 799+1135+295.6=2229.6 kg.h-1, ce qui est bien le débit entrant aux erreurs d'arrondis près.

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