Corrigé Bac STL 2014 Sciences Pysiques et chimiques de laboratoire spe

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Partie 1: Étude de la colonne de distillation± Document1 et documentréponse en annexe à rendre avec la copie /D VROXWLRQ G¶pWKDQRO HVW VpSDUpH SDU XQ SURFpGp GH GLVWLOODWLRQ ,O SHUPHW GH UpFXSpUHU HQ WrWH de colonne un mélange très enrichi en éthanol. $ eWXGH GX GLDJUDPPH G¶pTXLOLEUH GX PpODQJH HDX-éthanol 2Q FRQVLGqUH GDQV FHWWH SDUWLH TXH O¶RQ GLVWLOOH XQH VROXWLRQ FRQVWLWXpH XQLTXHPHQW G¶HDX HW G¶pWKDQRO ¬ O¶HQWUpH GH OD FRORQQH GH GLVWLOODWLRQ ODsolution a une fraction molaire en éthanol x = 0,03. On obtient en sortie de tête de colonne une solution aqueuse de fraction molaire en éthanol x = 0,88. 1.1. 3UpFLVHU VXU OH GLDJUDPPH LVREDUH G¶pTXLOLEUH OLTXLGH-vapeur,document réponseen annexe à UHQGUH DYHF OD FRSLH R VH VLWXHQW OD FRXUEH GH URVpH HW OD FRXUEH G¶pEXOOLWLRQ Courbe supérieure = courbe de rosée Courbe inférieure = courbe d'ébullition 1.2.Déterminer la température d'ébullition et la composition des vapeurs formées par le mélange à O¶HQWUpH GH OD FRORQQH -XVWLILHU JUDSKLTXHPHQW VXU OHdocument réponseen annexe. On peut lire graphiquement pour une titre molaire de 0,03 en éthanol une température d'ébullition de 94°C (intersection du titre et de la température sur la courbe d'ébullition) Le liquide entrant dans la colonne est en équilibre avec une vapeur de composition molaire en éthanol de x = 0,22 et en eau (1-x) = 0,78. La lecture s'effectue sur la courbe de rosée à la température d'ébullition 94°C 1.3.
Publié le : vendredi 5 février 2016
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Partie 1 : Étude de la colonne de distillation Document 1 et document réponse en annexe à rendre avec la copie
La solution d’éthanol est séparée par un procédé de distillation. Il permet de récupérer en tête de colonne un mélange très enrichi en éthanol.
A. Étude du diagramme d’équilibre du mélange eauéthanol
On considère dans cette partie que l’on distille une solution constituée uniquement d’eau et d’éthanol.
À l’entrée de la colonne de distillation, lasolution a une fraction molaire en éthanol x = 0,03. On obtient en sortie de tête de colonne une solution aqueuse de fraction molaire en éthanol x = 0,88. 1.1.Préciser, sur le diagramme isobare d’équilibre liquidevapeur,document réponseen annexe à rendre avec la copie, où se situent la courbe de rosée et la courbe d’ébullition.Courbe supérieure = courbe de rosée Courbe inférieure = courbe d'ébullition 1.2.Déterminer la température d'ébullition et la composition des vapeurs formées par le mélange à l’entrée de la colonne. Justifier graphiquement sur ledocument réponseen annexe. On peut lire graphiquement pour une titre molaire de 0,03 en éthanol une température d'ébullition de 94°C ( intersection du titre et de la température sur la courbe d'ébullition) Le liquide entrant dans la colonne est en équilibre avec une vapeur de composition molaire en éthanol de x = 0,22 et en eau (1x) = 0,78. La lecture s'effectue sur la courbe de rosée à la température d'ébullition 94°C
1.3.est le nom donné au mélange correspondant au point A sur le document réponse en Quel annexe ? Le point A est un mélange azéotropique nommé azéotrope 1.4.Déterminer la température des vapeurs en tête de colonne. En tête de colonne on obtient l'azéotrope x = 0,88 on peut lire sur la courbe de rosée (confondu au point A avec la courbe d'ébullition) la température des vapeursθvap = 78,5°C
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B. Étude du réfrigérant de distillat À la sortie du condenseur le distillat est refroidi dans un échangeur à faisceau tubulaire. 1.5.À l’aide du schéma dudocument 1, expliquer le transfert thermique qui a lieu entre les fluides circulant à contrecourant dans l’échangeur.La puissance thermique perdue ou gagnée par un fluide est donnée par P = Qm.Cp.∆T où ∆T est la variation de température, Qm le débit massique et Cp la chaleur massique du fluide. Le condensat circule coté tube de l'échangeur à faisceau tubulaire et cède de la chaleur a travers la paroi des tubes à l'eau de refroidissement qui circule coté calandre. Le condensat en cédant de la chaleur voit sa température diminuer. L'eau de refroidissement qui capte de la chaleur voit sa température augmenter. 1.6.À l’aide dudocument 1, vérifier que, pour le condensat, la puissance notée P a pour 5 valeur Pc =  2,2.10 W (document 1). Interpréter le signe de ce résultat. 1 1 Remarque ne pas oublier la conversion du débit massique de kg.h en kg.s 55005 PQm.Cp.(TsTe) 2, 51(2078) 222 kW 2, 2.10 Wc c c c c 3600 Le signe négatif indique qu'il s'agit d'une puissance cédée. Le condensat cède de l'énergie à l'eau. 1.7.la température maximale de En régime permanent, l’eauen sortie notée Tseaune doit pas dépasser Tmax30 °C pour des = raisons de respect de l’environnement.Déterminer Qme, le débitmassique minimum d’eau, dans le circuit de refroidissement pour répondre à cette condition. Remarque on ne tient pas compte d'éventuelles pertes thermiques avec le milieu extérieur. Bilan énergétique sur l'échangeur : Pc + Pe + pertes = 0 or pertes = 0 car il n'y pas d'indication d'où Pc + Pe = 0 PQm.Cp.(TsTe) Pe e e e e c 5 P2, 2.10-1 c3 1 Qm  3, 5 kg.skg.hsoit 12,7.10 e3 Cp.(TsTe) 4,18.103015emaxe 3 1 Le débit massique d'eau de refroidissement doit être supérieur à 12,7.10 kg.h
Proposition de correction - Partie 1 - BAC STL 2014- SPCL Sciences Physiques et Chimiques en Laboratoire
ANNEXE à rendre avec la copie Document réponse : PARTIE 1-A DIAGRAMME ISOBARE D’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DU SYSTÈME EAU-ÉTHANOL P = 1,013 bar 105,0102,5 °C 100,0 9 7,59 5,0 94,0 9 2,5 Courbe de rosée 9 0,08 7,5 8 5,0 8 2,5Azéotrope 8 0,0 A Courbe d'ébullition78,5 7 7,5 Fraction molaire x en éthanol 7 5,00,00 0,05 0,1 0 0,1 5 0,2 0 0,25 0 ,30 0 ,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 0,030,88 0,22 Document réponse : PARTIE 3-A Tableau d’avancement de la réaction d’estérification Dans ce tableau, x représente l’avancement de la réaction Équation de la réaction CH3CH2OH + C6H5COOH = C6H5COOCH2CH3 + H2O Quantité de matière dans x = 0 l’état initial (mol)
Quantité de matière dans l’état intermédiaire (mol)
Quantité de matière dans l’état final théorique (mol)
x
x = xmax
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