Épreuve E31 - BTS CIRA - session 2016 (doc)

CAE3CI
Session 2016
BREVET de TECHNICIEN SUPÉRIEUR CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE E3 SCIENCES PHYSIQUES U31 - CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES Durée : 2 heures coefficient : 2,5
| |Durée conseillée |
|Chimie industrielle |45 minutes |
|Physique industrielle |1 h 15 |
Matériel 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, 16/11/1999). Tout autre matériel est interdit. Aucun document autorisé.
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Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il est complet.
Le sujet se compose de 6 pages, numérotées de 1/6 à 6/6. - Chimie industrielle : page 2 à page 3
- Physique industrielle : page 4 à page 5
- Annexe : page 6 S'il apparaît au candidat qu'une donnée est manquante ou erronée, il pourra
formuler toutes les hypothèses qu'il jugera nécessaires pour résoudre les
questions posées. Il justifiera alors clairement et précisément ces
hypothèses.
|BTS CONTRÔLE INDUSTRIEL ET RÉGULATION AUTOMATIQUE |Session 2016|
|CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES |Code : CAE3CI |Page 1/6 | L'AMMONIAC : FABRICATION ET ACHEMINEMENT L'ammoniac, de formule chimique NH3, sert le plus souvent à produire des
engrais azotés, tels que l'urée ou le nitrate d'ammonium. Il est également
utilisé dans la fabrication de polymères, d'explosifs, ou encore comme
solvant ou fluide réfrigérant. Le procédé Haber- Bosch est un procédé de
fabrication de l'ammoniac mis au point au début du XXème siècle qui est
toujours très largement utilisé aujourd'hui. Ce procédé utilise du diazote
et du dihydrogène gazeux comme réactifs, ainsi qu'un catalyseur à base de
fer. La production mondiale d'ammoniac était de 137 millions de tonnes en
2012. [pic]
Synthèse de l'ammoniac
La synthèse de l'ammoniac est une transformation limitée dont l'équilibre
chimique a pour équation :
N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) Enthalpies standard de formation du diazote, du dihydrogène et de
l'ammoniac à P° = 1 bar et T = 298 K |Espèce chimique |?fH° (kJ.mol-1) |
|N2(g) |0 |
|H2 (g) |0 |
|NH3 (g) |- 45,9 | Données relatives à la toxicité de l'ammoniac :
(www.ineris.fr/substances/fr/substance/getDocument/270910) |Temps |Concentration |Symptomatologie |
|(min) |(ppm) | |
|10 |5-50 |Perception olfactive |
|30 |110-140 |Inconfort, irritation de la |
| | |gorge |
|8-11 |150 |Signes fonctionnels |
| | |respiratoires | 1ppm (1 partie par million) représente, en mL, le volume d'ammoniac
présent dans un volume
total de 1 m3. Q1. Donner l'expression de l'enthalpie standard ?rH° de la réaction de
synthèse de l'ammoniac à 298 K en fonction des enthalpies standards
de formation des constituants. Faire l'application numérique. Q2. Donner la signification du signe obtenu pour ?rH° ? Q3. Exprimer la constante d'équilibre K° de la synthèse de l'ammoniac en
fonction des
pressions partielles des différents constituants. Q4. On donne ci-après un tableau indiquant la valeur de K° en fonction de
la température. Faut-il travailler à haute ou basse température pour
obtenir un rendement élevé en ammoniac ? Justifier la réponse. |T (°C) |25 |200 |400 |600 |
|K° |4,1 x 108|440 |0,41 |9,5 x |
| | | | |10-3 | Q5. Quelle est l'incidence, du point de vue cinétique, du choix proposé à
la question
précédente ? Q6. Comment remédie-t-on à ce problème dans le procédé Haber-Bosch ? Q7. Quelle est l'influence d'une augmentation de pression, à température
constante, sur le
rendement de la synthèse ? Justifier. Une fuite a lieu dans une pièce de stockage contenant une bonbonne
d'ammoniac gazeux. Le débit de la fuite est de 37,5 mL.h-1. Au moment de la
détection de la fuite et de l'intervention pour la réparer, on estime qu'il
s'est écoulé 24 h pendant lesquelles de l'ammoniac gazeux s'est dégagé. Les
dimensions de la pièce de stockage sont les suivantes :
- longueur : 4 m
- largeur : 3 m
- hauteur sous plafond : 2,5 m Q8. Y-a-t-il un danger pour le technicien de maintenance chargé de la
réparation ? Justifier par un calcul. Obtention du dihydrogène nécessaire pour fabriquer l'ammoniac
La plus grande partie du dihydrogène nécessaire pour la synthèse de
l'ammoniac est produite par vaporeformage du méthane, de formule CH4 et
appelé couramment gaz naturel. L'utilisation d'un catalyseur au nickel est
nécessaire. La fabrication de l'ammoniac consomme de 3 à 5 % de la
production mondiale de gaz naturel. L'équation de la réaction du vaporeformage du méthane est donnée ci-dessous
: CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3 H2(g) ?rH° = 209 kJ.mol-1 Le volume molaire de gaz sera pris égal à 24,4 L.mol-1. Masses molaires : M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0
g.mol-1. Q9. Montrer que l'énergie thermique nécessaire pour produire 1 m3 de
dihydrogène par la réaction de reformage vaut Qh = 2,86 x 106 J. Q10. L'énergie nécessaire à la réaction de vaporeformage est généralement
fournie par combustion d'une partie du méthane. Écrire l'équation de
combustion complète du méthane, les réactifs et produits étant tous à
l'état gazeux. Q11. Déterminer la quantité de matière de méthane consacrée à la
combustion, nécessaire pour fabriquer 1 m3 de dihydrogène par vaporeformage
sachant que l'enthalpie standard de combustion du méthane vaut ?cH°(CH4) =
- 890 kJ.mol-1 (on fera l'approximation que cette enthalpie de réaction ne
dépend pas de la température). Le monoxyde de carbone produit par le reformage est un poison pour le
catalyseur. Il faut
donc l'oxyder intégralement en dioxyde de carbone au fur et à mesure de sa
formation. Q12. Pour 1 m3 de dihydrogène produit, quelle masse de monoxyde de carbone
doit être oxydée ? [pic] Refroidissement du mélange gazeux à la sortie du réacteur de synthèse
Un mélange gazeux de dihydrogène et de diazote dans les conditions
st?chiométriques est comprimé à une pression de 150 bar et alimente le
réacteur de synthèse.
La réaction se produit et la température du milieu réactionnel s'élève à
500 °C. À la sortie du réacteur, le mélange gazeux est alors refroidi à
400 °C dans un échangeur multitubulaire E1 avec production de vapeur d'eau
à haute pression. L'ammoniac est ensuite liquéfié dans un échangeur E2 à
basse température et séparé des gaz qui n'ont pas réagi. Les gaz restants
sont en partie recyclés en étant renvoyés à l'alimentation du réacteur de
synthèse. Dans l'échangeur E1, l'eau liquide pénètre à 250 °C sous 40 bar et est
transformée en vapeur à 250 °C et 40 bar en sortie.
La température d'entrée du mélange gazeux dans l'échangeur E1 est prise
égale à 500 °C. L'échangeur est alimenté avec un débit molaire de 1,11 x
107 mol.h-1 du mélange gazeux (N2, H2, NH3).
Ci-dessous, on donne un schéma simplifié de la partie de l'unité de
synthèse de l'ammoniac décrite :
N2, H2, NH3 Vapeur d'eau [pic]
[pic]
Compresseur
Réacteur de synthèse
Eau liquide N2, H2
E1
N2, H2, NH3 Vers échangeur E2
Données : . Capacité thermique molaire moyenne des réactifs : Cp = 29,5
J.mol-1.K-1
. Chaleur latente de vaporisation de l'eau à 250 °C et 40 bar : Lv
= 1 715 kJ.kg-1 Q13. Calculer le débit d'entrée du mélange gazeux, qn(gaz), dans
l'échangeur E1 en
l'exprimant en mol.s-1. Q14. Préciser le mode de circulation, co-courant ou contre-courant, dans
cet échangeur. Q15. Donner l'allure des profils de température des fluides
impliqués dans l'échange
thermique. Q16. Calculer le flux thermique (ou puissance thermique) échangé lors du
refroidissement du mélange gazeux, noté ?G.
Q17. Trouver l'expression du flux thermique échangé lors de la
vaporisation de l'eau, ?vap, en fonction du débit massique qm(vap) de
vapeur d'eau produite à 250 °C. Q18. En admettant que l'échangeur est parfaitement calorifugé, déterminer
la valeur de qm(vap).
Acheminement de l'ammoniac liquide pour transformation en nitrate
d'ammonium
L'ammoniac liquide est acheminé par wagons citernes sur un site de
production de nitrate d'ammonium, principal constituant des engrais. Le
transfert entre le wagon citerne et la sphère de stockage est réalisé par
gravité. Puis une pompe centrifuge permet d'amener l'ammoniac de la sphère
vers un réservoir dont le niveau est supposé constant. La pression à
l'intérieur de la sphère et du réservoir est maintenue à 10 bar et la
température à 293 K. L'ammoniac subit ensuite une détente et un chauffage
pour pénétrer, à 6 bar et 160 °C, à l'état gazeux, dans le réacteur de
synthèse du nitrate d'ammonium, en même temps que de l'acide nitrique. On limitera l'étude à la portion de l'i