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SSeessssiioonn 22000000BTS CHIMISTE

GENIE CHIMIQUEDure : 3 h Coefficient : 3

FABRICATION DE LACIDE CYANHYDRIQUE

A- DESCRIPTION DU PROCEDELe schma de principe est donn en annexe 1 (page 5/6)

1. Racteur (R1)Lacide cyanhydrique est prpar par raction du mthane sur lammoniac, 1373 K et sous unepression absolue de 2 bars selon l'quilibre suivant :

CH4 + NH3 HCN + 3 H2 rH = + 250 kJ.mol-1

On utilise comme catalyseur de la toile de platine.La raction est fortement endothermique, ce qui exige damener une grande quantit de chaleurdans le milieu ractionnel. Cet apport dnergie se fait in situ en ajoutant de lair au mlangeCH4/NH3 pour provoquer la raction suivante :

2 H2 + O2 2 H2O rH = - 392 kJ.mol-1

(le dihydrogne est issu de la premire raction)On suppose que cette addition dair nentrane pas d'autres ractions.

2. Colonne de lavage (D)Aprs raction, les effluents gazeux passent dans un changeur de chaleur (E1) puis dans unecolonne de lavage (D), sous pression atmosphrique. Lammoniac qui na pas ragi est limin parune solution aqueuse dacide sulfurique contre courant.En tte les effluents gazeux lavs sont dirigs vers la colonne dabsorption (Da).En pied la solution de sulfate dammonium obtenue est envoye vers la colonne de dsorption (De).

3. Colonne de dsorption (De)En effet, la solution issue de (D) contient un peu dacide cyanhydrique quil faut enlever pardsorption. Celle-ci est ralise contre courant par de lazote humide.En tte, les gaz sont dirigs vers la colonne dabsorption (Da).En pied, la solution de sulfate dammonium est envoye vers un rcipient de stockage.

4. Colonne dabsorptionLes effluents gazeux (contenant entre autres du mthane) issus de (D) et de (De) sont mlangs puisabsorbs dans la colonne (Da) par le rsidu de la colonne de rectification (Di).En tte, les effluents gazeux sont collects en vue dun ultime traitement.En pied, la solution est dirige vers la colonne de rectification (Di) fonctionnant sous pressionatmosphrique.

5. Colonne de rectificationCette colonne permet dobtenir un distillat titrant 99,5 % en mole dacide cyanhydrique. Le rsiduest dirig en tte de la colonne dabsorption (Da).

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B- ETUDE DU PROCEDE (les exercices 1, 2, 3, 4 sont indpendants)

1. Racteur ( R)1.1. Sachant que lon part dun mlange quimolaire de dioxygne, mthane, ammoniac et que les

gaz effluents du racteur ne contiennent ni dioxygne ni dihydrogne mais contiennent60 kmol.h-1 de diazote, calculer les dbits molaires des diffrentes substances lentre et lasortie du racteur (recopier les tableaux 1 et 2 de lannexe 2, page 6/6, et les complter aprsavoir justifi ces rsultats). Lair contient, en volume, 20 % de dioxygne et 80 % de diazote.

1.2. Calculer le taux de conversion

2. Echangeur (E1)Les gaz sortant du racteur 1100 C sont refroidis 100 C dans lchangeur E1 (faisceaumultitubulaire simple passe), lnergie rcupre servant produire de la vapeur deau saturante(t = 120 C) partir dune eau de refroidissement 20 C. Lchangeur est utilis contre-courant.On suppose que l'changeur est adiabatique.2.1. Calculer le dbit massique deau ncessaire.2.2. Calculer l'aire de la surface dchange.2.3. En dduire le nombre de tubes de lchangeur.

Donnes :- Dbit molaire des effluents gazeux sortant du racteur : 110 kmol.h-1- Capacit thermique molaire moyenne des effluents gazeux : 30 J.mol-1.K-1- Capacit thermique massique de leau : 4,20 kJ.kg-1.K-1- Enthalpie massique de vaporisation de leau : Lv (en kJ.kg-1) = 2535 (2,9 t) avec t en C- Coefficient global de lchange thermique : 540 W.m-2.K-1- Diamtre dun tube : 50 mm ; longueur dun tube : 2,4 m

3. Colonne de lavage (D)Les gaz refroidis sont lavs par une solution dacide sulfurique, afin dliminer lammoniac qui napas ragi. La solution dacide est stocke dans un rservoir au sol niveau constant et respirant latmosphre. La solution est envoye par pompe centrifuge en tte de la colonne de lavage, quifonctionne sous pression atmosphrique. La dnivellation entre le niveau dans le rservoir destockage et la tte de colonne est de 18 m.

Donnes :- Dbit massique de la solution dacide sulfurique : F = 1225 kg.h-1- Masse volumique de la solution dacide sulfurique : = 1145 kg.m-3- Diamtre des canalisations : D = 2,0 cm- Pertes de charge totales du circuit : P = 6,0104 Pa- Acclration de la pesanteur : g = 9,81 m.s-2

3.1. Calculer la vitesse dcoulement dans la canalisation.3.2. Exprimer les pertes de charge dans le circuit de pompage en mtres de liquide.3.3. Calculer la hauteur manomtrique de la pompe.3.4. Calculer la puissance utile et la puissance lectrique de la pompe sachant que le rendement de

la pompe est gal 0,7.

21

2 1

ln

=mFormule donnant la moyenne logarithmique descarts de temprature :

4. Colonne dabsorption (Da)

Les gaz issus de la colonne de lavage (D) et du dsorbeur (De) sont mlangs et envoys vers lacolonne dabsorption (Da) pour que lacide cyanhydrique soit en partie absorb par une solutionaqueuse qui est le rsidu de la colonne de rectification (Di).Labsorbeur fonctionne 18 C et sous pression atmosphrique (P = 1,013 bar).

On dsire que les effluents gazeux contiennent moins de 0,3 % en mole dacide cyanhydrique et onsouhaite enrichir la solution de lavage de 0,01 % 1,2 % en mole dacide cyanhydrique.

Les diffrents dbits entrant et sortant sont donns dans le schma ci-dessous.

V1 et V2 xprims en mtres cube par heure ;L1 et L2 :y1, y2, x1

4.1. CalccyanP = 1

4.2. A panom

AbsorbeurP = 1,013 bar

T= 291 K

Solution de lavage :L2 = 225,75 kmol.h-1x2 = 0,0001

Effluents liquides :L1 = 228,47 kmol.h-1x1 = 0,0120

Gaz traiter :V1 = 1000 m3.h-1y1 = 0,0678

Effluents gazeux : V2 ; y2: dbits gazeux e3/6

dbits des solutions exprims en kilomoles par heure., x2 : fractions molaires en acide cyanhydrique

uler le dbit (V2) des effluents gazeux en m3.h-1 et la fraction molaire (y2) en acidehydrique. On donne le volume molaire dans les conditions du procd (T = 291 K ;,013 bar) : VM = 23,9 L.mol-1.rtir de la courbe dquilibre HCN-H2O-Inertes, fournie en annexe 2 (page 6/6), estimer lebre de plateaux thoriques ncessaire labsorption.

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C- SCHEMAReprsenter (dessin format A4 quadrill 55) la partie de linstallation correspondant ladistillation, cest dire les appareils Di, E2, E3, E4, E5, R2, en tenant compte des indicationsdonnes ci-dessous, en respectant les rgles de scurit et en assurant le bon fonctionnement delinstallation.

La colonne distiller (Di) comporte 15 plateaux.

1. Lalimentation : La solution distiller provient de la colonne dabsorption (Da) ; elle estenvoye, par pompe centrifuge (P2), au 4me plateau de la colonne. Avant son introduction dans lacolonne, la solution distiller est prchauffe (temprature rgule) dans un changeur faisceautubulaire horizontal (E2) chauff la vapeur.

2. Le bouilleur est constitu par un faisceau tubulaire vertical externe (E3) mont en thermosiphonchauff par de la vapeur dont le dbit est asservi la perte de charge de la colonne.

3. Le systme de rtrogradation est constitu de deux changeurs tubulaires verticaux :- un condenseur partiel (E4) assurant un reflux en tte de colonne et dont le dbit deau

froide rgule la temprature de tte de colonne ;- un condenseur total (E5) produisant un distillat dont la temprature est rgule par le

dbit deau du condenseur.

4. Le distillat est stock dans un rservoir au sol (R2).

5. Le rsidu est soutir par pompe centrifuge en pied de colonne par une rgulation de niveau et estenvoy en tte de la colonne dabsorption ( ne pas reprsenter).

Caractristiques physico-chimiques de lacide cyanhydrique :

- Temprature de fusion : - 13,3 C - Temprature dbullition : 25,7 C- Toxicit : poison violent - Liquide extrmement inflammable

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REACTEUR R1

E1

CH4

NH3

AIR

D

H2SO4

De

N2

(NH4)2SO4vers stockage

Da

Di

E4

E5

E3

E2

R2

ANNEXE 1

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6/6

ANNEXE 2

Tableau 1 Tableau 2

Compos Dbit molaire(en kmol.h-1)

Compos Dbit molaire(en kmol.h-1)

CH4 CH4NH3 NH3O2 H2N2 H2O

O2N2

HCN

Racteur (R1)

y

HCN H2O inertes

P = 1,013 bar, = 18 C

y

x

Session 2000BTS CHIMISTE

GENIE CHIMIQUE

FABRICATION DE LACIDE CYANHYDRIQUEDESCRIPTION DU PROCEDEETUDE DU PROCEDE (les exercices 1, 2, 3, 4 sont indpendants)SCHEMACaractristiques physico-chimiques de lacide cyanhydrique:

Compos