2021 - Cours Bilan de Matière [PDF]

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Chimie Industrielle Répartition des enseignements Cours 13,5 h TD 9h TP 4,5 h Contenu du module

Bilans de matière Distillation Révision

Cours 4 4 1

TD 3 3

TP 4,5

Intervenants. Régis Moilleron ([email protected]) Julien Le Roux ([email protected]) Nadège Musabimana, Christelle Nabintu-Kajoka

L3

1

Définition du génie des procédés Le GÉNIE DES PROCÉDÉS est la mise au point des procédés destinés à produire une substance chimique (ou biologique) donnée de façon économique et avec un impact minimal pour l’environnement. Le concept d’OPÉRATIONS UNITAIRES suppose que tous les procédés de fabrication peuvent être décomposés en une suite d’opérations élémentaires comme :  le séchage  la cristallisation  la filtration  la vaporisation  la distillation  l’électrolyse  la rectification  l’extraction par solvant Les opérations unitaires sont donc des OPÉRATIONS ÉLÉMENTAIRES INDIVIDUELLES mises en œuvre dans l’industrialisation d’un procédé. L3

2

Les grandes étapes d’une fabrication Les GRANDES ÉTAPES d’une fabrication sont généralement les suivantes :  préparation, conditionnement et acheminement des matières premières (les réactifs)  transformation chimique des réactifs en produits  séparation, purification et conditionnement des produits

D’où une première classification des OPÉRATIONS UNITAIRES.

L3

3

Les opérations unitaires Les OPÉRATIONS UNITAIRES associées aux étapes de fabrication sont :  préparation, conditionnement et acheminement des matières premières (les réactifs)  broyage, classements de solides  transport des solides  déplacement des solides  transport des gaz  transformation chimique des réactifs en produits  agitation (homogénéisation des mélanges)  réaction(s) chimique(s) (dans un réacteur)  transferts de chaleur  séparation, purification et conditionnement des produits  concentration, cristallisation  décantation, filtration, centrifugation (mélange solide-liquide)  rectification ou distillation  extraction par solvant  séchage L3

4

Opérations continues et discontinues OPÉRATIONS DISCONTINUES Elles s’effectuent en système fermé (Batch Process). On opère sur un lot de réactif que l’on traite en faisant se succéder chronologiquement les différentes étapes prévues. Avantages :  appareillages polyvalents, charges faibles  pas de problèmes de circulation de certaines matières  rendements élevés Inconvénients :  coûts énergétiques élevés  temps morts  besoins élevés en personnel  qualité de production fluctuante  coût de production élevé

L3

Domaines d’application laboratoire(s)

:

petite(s) fabrication(s) élaboration ou séparation de produits à fortes valeurs ajoutées

5

Opérations continues et discontinues OPÉRATIONS CONTINUES Elles s’effectuent en système ouvert ou « à courants » (Flow Process). Les réactifs sont introduits en continu dans l’appareillage avec des débits déterminés. Les produits sont récupérés en continu, de telle sorte que l’appareil contienne toujours la même masse réactionnelle. Si les valeurs des différents paramètres (T, P, Xi…) en un point quelconque de l’appareil sont constantes, on dit que le régime stationnaire est atteint. Avantages :  qualité de production constante  coût de production inférieure à celui d’une opération  besoins réduits en personnel  plus grandes et meilleures conditions sanitaires Inconvénients :  investissements élevés (notamment pour les contrôles et régulations)  spécificité de l’appareillage  nécessite une régularité dans la qualité des matières premières L3

6

Opérations continues et discontinues OPÉRATIONS CONTINUES Elles s’effectuent en système ouvert ou « à courants » (Flow Process). Les réactifs sont introduits en continu dans l’appareillage avec des débits déterminés. Les produits sont récupérés en continu, de telle sorte que l’appareil contienne toujours la même masse réactionnelle. Si les valeurs des différents paramètres (T, P, Xi…) en un point quelconque de l’appareil sont constantes, on dit que le régime stationnaire est atteint. Avantages :  qualité de production constante  coût de production inférieure à celui d’une opération  besoins réduits en personnel  plus grande et meilleures conditions sanitaires Inconvénients :  investissements élevés (notamment pour les contrôles et régulations)  spécificité de l’appareillage  nécessite une régularité dans la qualité des matières premières L3

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Transformation de la matière OBJECTIF La fabrication de produits ou de matériaux, avec des caractéristiques spécifiées, à partir de matières premières. :  manipulation de solides, liquides, gaz (qui subissent des transformations physiques ou chimiques)  les réactions sont mises en œuvre dans un ou plusieurs RÉACTEURS

Matières Premières

REACTEUR

Produits Finis

Traitements physiques L3

8

Classification des réacteurs chimiques

REACTEURS

CONTINUS

L3

REACTEURS

DISCONTINUS

HOMOGENES

HETEROGENES

9

Classification des réacteurs chimiques REACTEURS

HOMOGENES

REELS

L3

IDEAUX

HETEROGENES

BIOLOGIQUES

AUTRES

CATALYTIQUES

Pétrochimiques

Autres

Métallurgiques

10

Classification des réacteurs chimiques REACTEURS

HOMOGENES

REELS

L3

IDEAUX

HETEROGENES

BIOLOGIQUES

AUTRES

CATALYTIQUES

Pétrochimiques

Autres

Métallurgiques

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Classification des réacteurs chimiques Réacteurs homogènes Deux catégories de réacteurs homogènes :  idéaux : utilisés pour réaliser des calculs pour dimensionner et prévoir le comportement des réacteurs réels  réels : utilisés dans l’industrie

L3

12

Classification des réacteurs chimiques Réacteurs hétérogènes Plusieurs catégories de réacteurs hétérogènes :  biologiques : conçus en fonction du type de processus qui doit se dérouler. Il y a mise en contact de 2 phases (biotique et abiotique)  catalytiques : mettent en jeu un catalyseur solide sous forme de grains en grand nombre et constituant un ensemble (lit fixe, lit mobile, lit fluidisé, lit entraîné, suspension…)

 réacteurs métallurgiques : la métallurgie extractive est l’art d’extraire les métaux et de les purifier : elle consiste à réduire les minerais pour obtenir du métal  sidérurgie : production de fer, fonte et acier  métallurgie : production de Cu, ni, Cr, Zn, Pb et métaux précieux (Au, Ag, Pt)  réacteurs pétrochimiques : utilisés dans les raffineries pour différentes applications (vapocraquage, dimérisation, craquage catalytique, etc.)

L3

13

Bilan de matière Conservation de la matière Dans le cas des gaz (par application de la loi des gaz parfaits), le bilan molaire est égal au bilan volumique puisque la composition molaire est égale à la composition volumique.

mol Pa

PV  n R T m3

L3

K

J.mol 1.K 1

14

Bilan de matière 1. Processus simples sans réaction chimique

masse(s) entrée(s) {E} = masse(s) sortie(s) {S} + accumulation(s) {A} + perte(s) {P}

E  S A  P A

E

S

P

2. Processus complexes avec réaction chimique

E  S A  P  CG G A

E C

S

C : masse consommée G : masse générée

P L3

15

Les différents types de bilan matière 1. Massiques

 en masses : procédés discontinus unités massiques => g et ses multiples  en débits massiques : procédés continus des flux => g.s-1, kg.h-1, etc. 2. Molaires  en moles : procédés discontinus => mole et ses multiples  en débits molaires : procédés continus des flux => mol.s-1, mol.h-1, etc. 3. Volumiques  en volumes : procédés discontinus => l/L (ou m3) et ses multiples  en débits molaires : procédés continus des flux => l.s-1, m3.h-1, m3.s-1.... 4. Rappels

L3

10-9 masse ng mole nmol volume nl

10-6 µg µmol µl

10-3 mg mmol ml

1 g mol l

103 kg kmol m3

106 Mg (t) -

109 Gg

1012 Tg 16

Conversions Définitions  CONCENTRATION MOLAIRE VOLUMIQUE : nb de moles de soluté par unité de volume

n C V FRACTION MASSIQUE (Xi) : masse de soluté sur la masse de solution (< 1)

mi Xi  i mi

m1 X1  m1  m2  m3

Rapport massique : masse de soluté sur la masse de solution sans soluté

L3

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Conversions Définitions  CONCENTRATION MASSIQUE VOLUMIQUE : masse de soluté par unité de volume

m C V FRACTION MOLAIRE (xi) : nb de moles de soluté sur le nb total de moles de la solution (< 1)

ni xi  in i

n1 x1  n1  n2  n3

 Rapport molaire : nb de moles de soluté sur le nb total de moles de la solution sans soluté

L3

18

Conversions Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Rappels :

mi ni  Mi

L3

x

i i

1

19

Conversions Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?

Xi 

mi i mi

mi ni  Mi

xi 

L3

mi Mi xi  mi i M i

mi 1 . i mi M i  mi  1 i  m . M  i   i i

xi 

m i

i

ni in i

xi 

mi 1 . M i i mi  mi  1 i  M . m   i i i 

Xi Mi xi   Xi  i  M   i 20

Conversions Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Rappels :

mi ni  Mi

x

i i

1

 Généralisation :

Xi Mi xi  Xi i M i

L3

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Conversions Comment passer de la Fraction molaire (xi) à la Fraction massique (Xi) ?  Rappels :

mi  n i  M i

L3

X i

i

1

22

Conversions Comment passer de la Fraction molaire (xi) à la Fraction massique (Xi) ?

ni xi  in i ni .M i Xi  i ni .M i

L3

m ni  i Mi ni .M i n  i i Xi  ni i n .M i i i

mi Xi  i mi

xi .M i Xi  i xi .M i

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Conversions Comment passer de la Fraction molaire (xi) à la Fraction massique (Xi) ?  Rappels :

mi  n i  M i

X i

i

1

 Généralisation :

x i  Mi Xi  ix i  Mi

L3

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Conversions Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange ternaire (Xylène, Benzène, Toluène) dont les fractions massiques sont respectivement 0,5 ; 0,2 ; 0,3. Quelles sont les fractions molaires correspondantes ?

L3

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Conversions - corrigé Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange ternaire (Xylène, Benzène, Toluène) dont les fractions massiques sont respectivement 0,5 ; 0,2 ; 0,3. Quelles sont les fractions molaires correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

Xi

XI/Mi

xi

Benzène

78

0,2

2,564 x 10-3

0,243

Toluène

92

0,3

3,261 x 10-3

0,309

Xylène

106

0,5

4,717 x 10-3

0,447

1,000

10,524 x 10-3

0,999 # 1 26

Conversions - corrigé Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange ternaire (Xylène, Benzène, Toluène) dont les fractions massiques sont respectivement 0,5 ; 0,2 ; 0,3. Quelles sont les fractions molaires correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

Xi

XI/Mi

xi

Benzène

78

0,2

2,564 x 10-3

0,243

Toluène

92

0,3

3,261 x 10-3

0,309

Xylène

106

0,5

4,717 x 10-3

0,447

1,000

10,524 x 10-3

0,999 # 1 27

Conversions - corrigé Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange ternaire (Xylène, Benzène, Toluène) dont les fractions massiques sont respectivement 0,5 ; 0,2 ; 0,3. Quelles sont les fractions molaires correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

Xi

Xi/Mi

xi

Benzène

78

0,2

2,564 x 10-3

0,243

Toluène

92

0,3

3,261 x 10-3

0,309

Xylène

106

0,5

4,717 x 10-3

0,447

1,000

10,524 x 10-3

0,999 # 1 28

Conversions - corrigé Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange ternaire (Xylène, Benzène, Toluène) dont les fractions massiques sont respectivement 0,5 ; 0,2 ; 0,3. Quelles sont les fractions molaires correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

Xi

XI/Mi

xi

Benzène

78

0,2

2,564 x 10-3

0,243

Toluène

92

0,3

3,261 x 10-3

0,309

Xylène

106

0,5

4,717 x 10-3

0,447

1,000

10,524 x 10-3

0,999 # 1 29

Conversions Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Soit un mélange méthanol / isopropanol dont les fractions molaires sont respectivement 0,384 ; 0,616. Quelles sont les fractions massiques correspondantes ?

L3

30

Conversions - corrigé Comment passer de la Fraction massique (Xi) à la Fraction molaire (xi) ?  Exemple(s) : Exemple(s) : Soit un mélange méthanol / isopropanol dont les fractions molaires sont respectivement 0,384 ; 0,616. Quelles sont les fractions massiques correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

xi

xi.Mi

Xi

Méthanol

32

0,384

12,29

0,250

Isopropanol 60

0,616

36,96

0,750

1,000

49,25

1,000

31

Conversions - corrigé Comment passer de la fraction molaire (Xi) à la fraction massique (xi) ?  Exemple(s) : Exemple(s) : Soit un mélange méthanol / isopropanol dont les fractions molaires sont respectivement 0,384 ; 0,616. Quelles sont les fractions massiques correspondantes ?

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Composé

M (g/mol)

xi

xi.Mi

Xi

Méthanol

32

0,384

12,29

0,250

Isopropanol 60

0,616

36,96

0,750

1,000

49,25

1,000

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Conversions - corrigé Comment passer de la fraction molaire (Xi) à la fraction massique (xi) ?  Exemple(s) : Exemple(s) : Soit un mélange méthanol / isopropanol dont les fractions molaires sont respectivement 0,384 ; 0,616. Quelles sont les fractions massiques correspondantes ?

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Composé

M (g/mol)

xi

xi.Mi

Xi

Méthanol

32

0,384

12,29

0,250

Isopropanol 60

0,616

36,96

0,750

1,000

49,25

1,000

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Conversions - corrigé Comment passer de la fraction molaire (Xi) à la fraction massique (xi) ?  Exemple(s) : Exemple(s) : Soit un mélange méthanol / isopropanol dont les fractions molaires sont respectivement 0,384 ; 0,616. Quelles sont les fractions massiques correspondantes ?

L3

Composé

M (g/mol)

xi

xi.Mi

Xi

Méthanol

32

0,384

12,29

0,250

Isopropanol 60

0,616

36,96

0,750

1,000

49,25

1,000

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Conversions Comment passer d’une concentration à une fraction massique ? Il faut connaître et être familier avec :  la concentration molaire volumique (Ci)  la masse molaire du soluté (Mi)  la densité de la solution (di) ou sa masse volumique (ri)

Comment passer d’une fraction massique à une concentration?

Il faut connaître et être familier avec :  la fraction massique (Xi)  la masse molaire du soluté (Mi)  la densité de la solution (di) ou sa masse volumique (ri)  Rappels :

L3

ri di  r H 2O

g.cm 3 ou kg.dm3

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Conversions Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol

L3

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : V= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

L3

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : V= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : V= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

L3

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : V= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : m(NaOH)= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : m(NaOH)= 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

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Conversions - corrigé Comment passer d’une concentration à une fraction massique ?  Exemple(s) : Quelle est la fraction massique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium à 3,885 M ?  Données :  [NaOH] = 3,885 M  d = 1,230  M(NaOH) = 40 g/mol Base de calcul : V = 1 L Poids d’un litre : m = V x r => AN : mT = 1 (L) x 1230 (g/L) = 1230 g Nombre de moles de NaOH : n(NaOH) = [NaOH] x V => AN : 3,885 x 1 = 3,885 moles Masse de NaOH : m(NaOH) = n(NaOH) x M(NaOH) => AN : m(NaOH) = 3,885 x 40 = 155,4 g Fraction massique de NaOH : X(NaOH) = m(NaOH) / mT => AN : X(NaOH) = 155,4 / 1230 = 0,126

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Conversions Comment passer d’une fraction massique à une concentration?  Exemple(s) : Quelle est la concentration molaire volumique d’une solution d’acide sulfurique à 98 % (m/m) ?  Données :  X (H2SO4) = 98 %  d = 1,840  M(H2SO4) = 98 g/mol

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière

L3

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant  Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant  Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.  Faire l'inventaire de toutes les données (masses, débits, compositions, températures, pressions, etc.) et les faire figurer sur le schéma. .

L3

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant  Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.  Faire l'inventaire de toutes les données (masses, débits, compositions, températures, pressions, etc.) et les faire figurer sur le schéma.  Détecter les grandeurs à calculer et les inconnues.

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Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant  Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.  Faire l'inventaire de toutes les données (masses, débits, compositions, températures, pressions, etc.) et les faire figurer sur le schéma.  Détecter les grandeurs à calculer et les inconnues.  Construire un tableau récapitulatif qui permet de répertorier les grandeurs connues et les grandeurs calculées.

L3

50

Comment établir un bilan ? Pour établir un bilan, la marche à suivre se décompose en 8 étapes :  Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière  Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant  Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.  Faire l'inventaire de toutes les données (masses, débits, compositions, températures, pressions, etc.) et les faire figurer sur le schéma.  Détecter les grandeurs à calculer et les inconnues.  Construire un tableau récapitulatif qui permet de répertorier les grandeurs connues et les grandeurs calculées.  Indiquer dans ce tableau toutes les données de l'énoncé.

L3

51

Comment établir un bilan ? Fabrication en continu du nitrobenzène (C6H5NO2) : Procédé Biazzi (très) simplifié Principe : C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O DHr = - 100 kJ/mol à 25°C La production de nitrobenzène est fixée à 10 mol/s Réaction exothermique dans un réacteur R2 parfaitement agité à 60°C sous pression ordinaire :  C6H6 en excès en contact avec un mélange sulfonitrique [H2SO4 (95 %) + HNO3 (63 %)] => consommation totale de HNO3  H2SO4 reconcentré puis recyclé dans le réacteur  C6H6 en excès récupéré puis recyclé On obtient à la sortie du réacteur R2 une émulsion formée :  d’une phase aqueuse à 68 % en H2SO4, le reste étant de l’eau  d’une phase organique contenant le benzène en excès et le nitrobenzène fabriqué avec XC6H6 = 0.25 L3

52

Comment établir un bilan ? Faire un schéma simplifié du procédé en faisant apparaître les différents flux de matière

HNO3 H2 O

C 6H 6

H2SO4 H2O

F organique

R2

C 6H 6 C6H5NO2

F aqueuse H2O + H2SO4 L3

53

Comment établir un bilan ? Écrire les équations de réaction, équilibrer celles-ci et faire figurer les masses molaires sous chaque entité chimique ainsi que le taux de conversion correspondant . Taux de conversion (TC) :

TC 

n0  nf n0

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O M (g/mol) to tf L3

78 a (a-x)

63 b 0

123 0 x

18 0 x 54

Comment établir un bilan ? Choisir une base de calcul. Elle est induite par une donnée chiffrée de l'énoncé : production horaire, quantité de réactif principal utilisé, quantité de produit principal obtenu. Tous les calculs se rapporteront ensuite à cette base.

HNO3 H2O

H2SO4 H 2O E2

E1 C 6H 6

F organique

R2

S2

S1

F aqueuse

C 6H 6 C6H5NO2

Base de calcul : Production de 10 mol/s de nitrobenzène

H2SO4 (68%) L3

55

Comment établir un bilan ? Faire l'inventaire de toutes les données (masses, débits, compositions, températures, pressions, etc.) et les faire figurer sur le schéma.

HNO3 (63%) H2SO4 (95%) H2O H 2O E2

E1 C 6H 6 100%

F organique

R2

S2

S1

C6H6 (25 %) C6H5NO2 (75%) (10 mole/s)

F aqueuse

H2SO4 (68%) L3

56

Comment établir un bilan ? Détecter les grandeurs à calculer et les inconnues

b

c

HNO3 (63%) H2SO4 (95%) H2O H 2O E2

a C 6H 6 100%

E1

F organique

R2

S2

S1

F aqueuse

d H2SO4 (68%) L3

e C6H6 (25 %) C6H5NO2 (75%) (10 mole/s) f

C6H5NO2 10 mol/s  1230 g/s 57

Comment établir un bilan ? Construire un tableau récapitulatif qui permet de répertorier les grandeurs connues et les grandeurs calculées.

Entrée(s)

Flux a b

M Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi

mi

78 63 18 98 18

1 0,63 0,37 0,95 0,05

98 18 78 123

0,68 0,32 0,25 0,75

ni

xi

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

10,00

58

Comment établir un bilan ? Indiquer dans ce tableau toutes les données de l'énoncé.

L3

59

Comment établir un bilan ? Construire un tableau récapitulatif qui permet de répertorier les grandeurs connues et les grandeurs calculées.

Entrée(s)

Flux a b

M Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi

mi

78 63 18 98 18

1 0,63 0,37 0,95 0,05

98 18 78 123

0,68 0,32 0,25 0,75

ni

xi

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

10,00

60

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

S2 : contient 75 % de nitrobenzène (f) et 25 % de benzène (e) f? n(f) = 10 moles/s => m(f) = n(f) x M(f) AN :

m(f) = 10 (mole/s) x 123 (g/mole) = 1230 g/s

e? X(f) = 0.75 et X(e) = 0.25 X(f) = m(f) / [m(f) + m(e)] X(e) = m(e) / [m(f) + m(e)] => X(e) / X(f) = m(e) / m(f) => m(e) = m(f) x [X(e) / X(f)] AN :

L3

m(e) = 1230 (g/s) x [0.25 / 0.75] = 1230 x (1/3) = 410 g/s n (e) = 410 / 78 = 5.26 moles/s 61

Comment établir un bilan ? Compléter au fur et à mesure.

Entrée(s)

Flux a b

M Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi

mi

78 63 18 98 18

1 0,63 0,37 0,95 0,05

98 18 78 123

0,68 0,32 0,25 0,75

ni

xi

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

1230

10,00

62

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

E1 : C6H6 à 100 % (a) a ? Il s’agit d’un réactif en excès Coef Stoech. t0 t AN :

L3

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O 1 1 1 1 n0 nt 10 => nt = ne(C6H6) = n0 - 10

nt = ne(C6H6) = 5.26 moles n0 = nt + 10 = 15.26 moles/s m(C6H6) = 410 (g/s) + 780 (g/s) = 1190 g/s

63

Comment établir un bilan ? Compléter au fur et à mesure.

Entrée(s)

Flux a b

M Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi

mi

78 63 18 98 18

1 0,63 0,37 0,95 0,05

98 18 78 123

0,68 0,32 0,25 0,75

ni

xi

780 1190

10,00

1230

10,00

0,159

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

64

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

E2 : HNO3 à 63 % (b) et H2SO4 à 95 % (c) b ? Le réactif limitant est HNO3 car il est entièrement consommé Coef Stoech. Réaction

AN :

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O 1 1 1 1 ? ? 10 ? => nb(HNO3) = n(C6H5NO2)

nb(HNO3) = n(C6H5NO2) = 10 moles/s mb(HNO3) = 10 (mole/s) x 63 (g/mole) = 630 g/s

Il est alors possible de calculer mb(H2O) sachant que Xb(H2O) = 0.37

AN :

L3

mb(H2O) = mb(HNO3) x [Xb(H2O) / Xb(HNO3) ] mb(H2O) = 630 x [0.37 / 0.63] = 370 g/s nb(H2O) = 370 / 18 = 20.56 mole/s 65

Comment établir un bilan ? Compléter au fur et à mesure.

Entrée(s)

Flux a b

Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

M C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi

mi

78 63 18 98 18

1 0,63 0,37

98 18 78 123

0,68 0,32 0,25 0,75

ni 780 1190

xi

630 370

10,00 10,00 20,56

1230

10,00

0,159 0,159 0,326

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

66

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

c ? d ? H2SO4 à 95 % (c) et H2SO4 à 68 % (d) H2SO4 est une espèce spectatrice ; elle n’est ni consommée, ni produite => il y a conservation de la matière : mc x Xc(H2SO4) = md x Xd(H2SO4) 

(0.95 x c) = (0.68 x d) bilan de matière GLOBAL au niveau du réacteur : a+b+c =d+e+f

L3

67

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

AN : bilan de matière GLOBAL au niveau du réacteur : a+b+c =d+e+f 1190 + b + c = 410 + 1230 1190 + [630 + 370] + [(0.95 x c) + (0.05 x c)] = [(0.68 x d) + [(0.32 x d)] + 1640 H2SO4 conservation de la matière DONC (0.95 x c) = (0.68 x d)

2190 + (0.05 x c) = (0.32 x d) + 1640 (0.05 x c) = (0.32 x d) – 550 Système à 2 équations et 2 inconnues

(0.05 x c) = (0.32 x d) – 550 (0.95 x c) = (0.68 x d) Soit : c = 1385.2 g/s et d = 1935.2 g/s L3

68

Comment établir un bilan ? Faire les calculs nécessaires et compléter le tableau.

AN : bilan de matière GLOBAL au niveau du réacteur : a+b+c =d+e+f 1190 + b + c = 410 + 1230 1190 + [630 + 370] + [(0.95 x c) + (0.05 x c)] = [(0.68 x d) + [(0.32 x d)] + 1640 H2SO4 conservation de la matière DONC (0.95 x c) = (0.68 x d)

2190 + (0.05 x c) = (0.32 x d) + 1640 (0.05 x c) = (0.32 x d) – 550 Système à 2 équations et 2 inconnues

(0.05 x c) = (0.32 x d) – 550 (0.95 x c) = (0.68 x d) Soit : c = 1385.2 g/s et d = 1935.2 g/s L3

69

Comment établir un bilan ? Compléter au fur et à mesure.

Entrée(s)

Flux a b

Benzène Acide nitrique

c

Acide sulfurique

M C6H6 HNO3 H20 H2SO4 H20

Xi 78 63 18 98 18

Total Sortie(s)

L3

d

Acide sulfurique

e f

Benzène Nitrobenzène Total

H2SO4 H20 C6H6 C6H5NO2

98 18 78 123

mi 1 0,63 0,37 0,95 0,05

ni

xi

1190 630 370 1316,1 69,3 3575,4

15,26 10,00 20,56 13,43 3,85 63,1

0,242 0,159 0,326 0,213 0,061 1,000

0,68 1316,14 0,32 619,270526 0,25 410 0,75 1230 3575,4

13,43 34,4 5,26 10,00 63,1

0,213 0,545 0,083 0,159 1,0000

70