Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

CAE3Cl Session 2012 BREVET de TECHNICIEN SUPÉRIEUR CONTRÔLE INDUSTRIEL et REGUL

CAE3Cl Session 2012 BREVET de TECHNICIEN SUPÉRIEUR CONTRÔLE INDUSTRIEL et REGULATION AUTOMATIQUE E-3 SCIENCES PHYSIQUES U-31 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. Documents à rendre avec la copie : L’ANNEXE 1 (pages 9/12, 10/12) et l’ANNEXE 2 (pages 11/12, 12/12) sont fournies en double exemplaire, un exemplaire étant à remettre avec la copie ; l’autre servant de brouillon éventuel  Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu’il est complet. Le sujet se compose de 12 pages, numérotées de 1/12 à 12/12. - Chimie industrielle : page 2 à page 5 - Physique industrielle : page 6 à page 12 BTS CONTRÔLE INDUSTRIEL ET RÉGULATION AUTOMATIQUE Session 2012 CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES Code : CAE3CI Page 1/12 CAE3Cl Étude d’une usine d’incinération des ordures ménagères (UIOM) La production d’ordures ménagères a doublé en quarante ans et continue de croître de 1 % par an. Chaque personne produit aujourd’hui en moyenne 360 kg de déchets par an. Fin 2009, 130 usines d’incinération d’ordures ménagères (UIOM) sont recensées en France, dont la plupart avec récupération de l’énergie : production d’électricité et/ou chauffage urbain. 74 % de nos déchets sont incinérables mais cette étape doit être le dernier maillon d’une chaîne après le recyclage et la méthanisation (production de biogaz), ce qui réduit la quantité de déchets à incinérer. En effet, la valorisation des déchets ne doit pas occulter les problèmes environnementaux causés par l’incinération : les gaz issus de la combustion des déchets contiennent différents polluants comme les dioxines, les métaux, le chlorure d’hydrogène, les oxydes de soufre et d’azote… Schéma 1 : Schéma de principe d’une UIOM avec valorisation énergétique Page 2/13 CAE3Cl CHIMIE INDUSTRIELLE Premier exercice : Combustion des matières plastiques : exemple du PVC Données : Enthalpies standards de formation d’espèces gazeuses à 298 K : ΔH f 0 (H2Ovap) = – 242 kJ∙mol–1 ΔH f 0 (CO2 vap) = – 393 kJ∙mol–1 ΔH f 0 (HCl vap) = – 92,0 kJ∙mol–1 ΔH f 0 (C2H3Cl vap) = + 37,0 kJ∙mol–1 Équivalence calorie / joule : 1 calorie = 4,18 joules. Ordre de grandeur du pouvoir calorifique inférieur (PCI) de quelques matières plastiques : Matières plastiques PCI Produit pur (MJ.kg-1) Polychlorure de vinyle (PVC) Polyéthylène (PET) Polypropylène (PP) Polystyrène (PS) Polyéthylène (PE) 20 45 44 46 46 Les matières plastiques occupent une place prépondérante dans la vie quotidienne et sont désormais présentes partout. Aussi est-il primordial de savoir quel est leur comportement lorsqu’elles sont portées à haute température ou brûlées. Par exemple, le polychlorure de vinyle (PVC) est un polymère qu’on retrouve dans de nombreux objets de la vie courante : les cartes bancaires, les jouets gonflables, les articles de bureau, de sport et de loisir... 1. L'éthylène C2H4 réagit avec le dichlore Cl2 pour donner un composé chloré (réaction 1). Puis ce dérivé chloré, par élimination d'une molécule de chlorure d'hydrogène HCl, produit le chlorure de vinyle CH2 = CHCl (réaction 2). La réaction 3 conduit au polychlorure de vinyle (PVC). 1.1. Écrire la formule semi-développée de l’éthylène C2H4. 1.2. Écrire l’équation de la réaction 1, réaction d’addition du dichlore Cl2 sur l’éthylène. 1.3. Comment nomme-t-on la réaction 3 qui permet d’obtenir le PVC à partir du monomère CH2 = CHCl ? 2. Dans le four, un apport d’air permet d’assurer la combustion complète des déchets. L’équation de la combustion du chlorure de vinyle est : CH2 = CHCl + 5/2 O2 (g)  2 CO2 (g) + HCl (g) + H2O (g) Page 3/13 CAE3Cl 2.1. L’enthalpie de combustion est supposée indépendante de la température. Calculer la variation d’enthalpie de cette combustion, tous les corps étant pris à l’état gazeux. En déduire le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du chlorure de vinyle, en kJ·mol–1. 2.2. Sachant que dans le PVC, le monomère est répété environ 1 500 fois, évaluer le PCI du PVC en kJ·mol–1puis en kJ·kg–1. On donne la masse molaire du PVC : M(PVC) = 94,0 kg·mol–1. 3. Pour utiliser sans dommage et de façon optimale le four, on dispose d’un « diagramme de four » présentant l’énergie dégagée lors de l’incinération en fonction du PCI des déchets et de la quantité brûlée en 1 heure. (Voir diagramme de l’annexe 1) 3.1. La capacité d’incinération du four est de 3,3 tonnes de déchets par heure. Le PCI moyen des déchets ménagers est de 8 400 kJ∙kg–1. 3.1.1. Calculer le PCI des déchets ménagers en kcal∙kg–1. 3.1.2. En utilisant le diagramme de four donné en annexe 1, déterminer l’énergie correspondante fournie en 1 heure, en Gigacalories par heure. (On notera ce point 1) 3.2. En déduire la puissance du four en kW dans ces conditions de fonctionnement. 3.3. Dans l’hypothèse d’un tri sélectif défaillant, la quantité de matières plastiques incinérée augmente par rapport à la moyenne habituelle. Le PCI des déchets ménagers peut alors augmenter de 25 %. 3.3.1. Calculer la nouvelle valeur du PCI des déchets ménagers. 3.3.2. Placer sur le diagramme de l’annexe 1, le point 2 correspondant à cette nouvelle valeur, la masse de déchets incinérée restant égale à 3,3 t/h. 3.3.3. Le four peut-il fonctionner en permanence sans dommage dans ce cas ? On s’aidera de l’annexe 1 pour y répondre. Deuxième exercice : Traitement des fumées Données : Produit de solubilité de l’hydroxyde de calcium : Ks = 5,5.10-6. Masses molaires : M(Ca) = 40,1 g·mol–1 ; M(O) = 16,0 g·mol–1 M(H) = 1,0 g·mol–1 ; M(Cl) = 35,5 g·mol–1 Produit ionique de l’eau à 25 °C : Ke = 1,0.10–14 Volume molaire dans les conditions normales de température et de pression (CNTP) (0°C et 1 bar) : Vm = 22,4 L·mol–1. Le lait de chaux est utilisé en traitement d’effluents industriels comme réactif de neutralisation des acides. Il permet également de précipiter les métaux lourds présents dans l’effluent. 1. Le lait de chaux est une solution saturée d’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 qui contient les ions Ca2+(aq) et HO–(aq) ainsi que le solide Ca(OH)2(s) en suspension. L’équilibre de dissociation de Ca(OH)2 dans le lait de chaux est : Ca(OH)2(s) Ca2+(aq) + 2HO–(aq) Page 4/13 CAE3Cl 1.1. La solubilité s d’un composé solide est la quantité maximale que l’on peut dissoudre dans un litre d’eau. 1.1.1. En étudiant l’équilibre de dissociation de Ca(OH)2(s), exprimer les concentrations molaires des ions, [Ca2+(aq)] et [HO–(aq)] en fonction de la solubilité s. 1.1.2. Exprimer le produit de solubilité Ks en fonction de la solubilité s. 1.1.3. Calculer la solubilité s de l’hydroxyde de calcium en mol.L–1 et en g.L–1. 1.2. En déduire les concentrations molaires des ions Ca2+(aq) et HO-(aq) dans la solution saturée de lait de chaux. 2. On considèrera dans la suite de l’exercice que la concentration en ion HO–(aq) de la solution saturée de lait de chaux est de 2,2.10–2 mol·L–1. 2.1. Qu’appelle-t-on solution basique ? 2.2. Vérifier que l’hydroxyde de calcium est bien une solution basique en calculant son pH. 2.3. Le chlorure d’hydrogène est un des composés responsables des pluies acides. Ecrire l’équation de dissolution de ce gaz dans l’eau. 3. Le lait de chaux sert à neutraliser les acides apportés par les fumées selon la réaction : H3O+ + HO– → 2 H2O 3.1. Calculer la quantité de matière en H3O+ apportée par 1 Nm3 (Normal m3) de gaz HCl pris à 0°C et 1 bar). 3.2. 3.2.1. Quelle quantité de matière d’ions hydroxyde HO– sera nécessaire pour neutraliser 1 Nm3 de gaz HCl ? 3.2.2. En déduire la quantité de matière de Ca(OH)2 (s) puis la masse nécessaire. 3.3. Le débit des gaz de combustion arrivant dans le réacteur est de 6 800 Nm3·h–1. la teneur en acide de ces gaz est en moyenne de 1 400 mg·Nm–3. Calculer la masse de Ca(OH)2 nécessaire pour neutraliser l’acide produit par l’incinération des déchets en une journée, pour un fonctionnement permanent. 3.4. Page 5/13 CAE3Cl PHYSIQUE INDUSTRIELLE Premier exercice : Étude de l’alimentation en lait de chaux À la sortie du four, les gaz de combustion sont aspirés vers un réacteur pour une première épuration. On fait le choix ici du procédé dit « semi-humide ». C’est un mode de traitement chimique qui consiste à mélanger les gaz avec un réactif liquide (du lait de chaux par exemple) pour neutraliser les polluants acides contenus dans les gaz. Le réacteur est une tour de forme cylindrique avec en partie haute l’arrivée centrale des gaz pollués. Le lait de chaux est injecté en haut de la tour, sous l’arrivée des gaz, par un atomiseur rotatif dans lequel le lait de chaux est pulvérisé en fines gouttelettes. Le mélange gaz-chaux est ensuite évacué vers un dépoussiéreur (filtre à manche). Voir le schéma de principe ci-dessous. Schéma 2 : Schéma de principe du procédé semi humide Données : uploads/Industriel/ sujet-u31-chimie-phys-ind.pdf