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BTS CIRA - Eduscol

Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il est complet. ... Le procédé Haber- Bosch est un procédé de fabrication de l'ammoniac mis au point au début  ...




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CAE3CI

Session 2016


BREVET de TECHNICIEN SUPÉRIEUR

CONTRÔLE INDUSTRIEL et RÉGULATION AUTOMATIQUE

E3 SCIENCES PHYSIQUES

U31 -ð ðCHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES

Durée : 2 heures coefficient : 2,5


Durée conseilléeChimie industrielle45 minutesPhysique industrielle1 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 AUTOMATIQUESession 2016CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLESCode : CAE3CIPage 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.



 SHAPE \* MERGEFORMAT 

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 chimiqueDðfH° (kJ.mol-ð1)N2(g)0H2 (g)0NH3 (g)- 45,9
Données relatives à la toxicité de l ammoniac :
( HYPERLINK "http://www.ineris.fr/substances/fr/substance/getDocument/270910)" \h www.ineris.fr/substances/fr/substance/getDocument/270910)

Temps (min)Concentration (ppm)Symptomatologie105-50Perception olfactive30110-140Inconfort, irritation de la gorge8-11150Signes 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 DðrH° 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 DðrH° ?

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)25200400600K°4,1 x 1084400,419,5 x 10-ð3
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-ð1. 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  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Dihydrog%C3%A8ne" \l "Vaporeformage_d.27hydrocarbures" \h vaporeformage du  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thane" \h méthane, de formule CH4 et appelé couramment gaz naturel. L’utilisation d’un catalyseur au  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Nickel" \h 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) DðrH° = 209 kJ.mol-ð1
Le volume molaire de gaz sera pris égal à 24,4 L.mol-ð1.
Masses molaires : M(H) = 1,0 g.mol-ð1 ; M(C) = 12,0 g.mol-ð1 ; M(O) = 16,0 g.mol-ð1.

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 DðcH°(CH4) = -ð ð890 kJ.mol-ð1 (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 ?

 SHAPE \* MERGEFORMAT 


Refroidissement du mélange gazeux à la sortie du réacteur de synthèse
Un mélange gazeux de dihydrogène et de diazote dans les conditions stœchiométriques 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-ð1 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

 SHAPE \* MERGEFORMAT 


 SHAPE \* MERGEFORMAT 


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-ð1.K-ð1
Chaleur latente de vaporisation de l eau à 250 °C et 40 bar : Lv = 1 715 kJ.kg-ð1
Q13. Calculer le débit d entrée du mélange gazeux, qn(gaz), dans l échangeur E1 en
l exprimant en mol.s-ð1.
Q14. Préciser le mode de circulation, co-courant ou cont "*.2>@DFZ\npr‚„˜šž ´øîê×ͲŸ™“™™™‰yl_R_lElh:SX5@ˆCJ$OJQJh:SX5@ˆþÿCJ$OJQJh:SX5@ˆïÿCJ$OJQJh:SX5@ˆÿÿCJ$OJQJhpCJOJPJQJ^JaJhp
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