1998 Sujet de technologie

1998 Sujet de technologie PRéPARATION DE L'éTHANOL
PAR HYDRATATION DE L'éTHYLèNE
PRINCIPE
La préparation de l'éthanol peut être réalisée par hydratation de
l'éthylène (éthène) dans un réacteur catalytique (catalyseur : l'acide
phosphorique) sous haute pression et à haute température.
L'équation bilan de la réaction est la suivante :
C2H4 + H2O [pic] C2H5OH [pic]
PROCEDE
Un mélange gazeux eau-éthylène chaud est envoyé à débit constant dans
un réacteur à faisceau tubulaire vertical calorifugé où les tubes sont
garnis d'anneaux de silice imprégnés de catalyseur. Le faisceau tubulaire
est équipé d'une grille afin de maintenir les anneaux. La réaction est
thermiquement entretenue par circulation de vapeur surchauffée dont le
débit est régulé en fonction de la température dans le bas du réacteur. Le mélange sortant du réacteur entre au pied d'une tour de lavage D1
munie de garnissage et est diffusé par une rampe. Une solution de soude
diluée est pulvérisée en haut de la tour afin de neutraliser l'acide
phosphorique (catalyseur de la réaction). Le débit de la soude est fonction
du pH de la solution en bas de la tour D1. L'éthylène en excès de la
réaction sort en haut de D1 et retourne vers l'atelier de préparation du
mélange initial.
La solution eau-éthanol s'écoule, si le pH le permet (prévoir une
régulation) dans un réservoir de détente R1 calorifugé, muni d'un
indicateur de niveau d'un liébig relié à une ligne de récupération des
vapeurs dangereuses. Une pompe centrifuge reprend le mélange pour véhiculer dans une
colonne à plateaux D2 (à pression atmosphérique) dans laquelle il est
distillé. Le mélange chaud est injecté au milieu de la colonne à débit
constant régulé. En tête de colonne, toutes les vapeurs de l'azéotrope (eau 5% et
éthanol 95%) sont condensées grâce à un échangeur tubulaire horizontal E1,
refroidi à l'eau, dont le débit est régulé en fonction de la température de
sortie des condensats. Une pompe centrifuge distribue alors l'azéotrope
soit en tête pour le reflux, soit vers le refroidissement (à ne pas
représenter). Le débit de retour en colonne est fonction de la température
de tête de colonne. En pied de colonne, un échangeur à faisceau tubulaire E2, extérieur,
monté en thermosiphon, permet le chauffage de la colonne. De la vapeur
d'eau sous 4 bars circule dans E2 ; son débit est régulé en fonction de la
température en pied de colonne. L'eau obtenue en pied de colonne est soutirée ; elle sera réutilisée
pour la préparation se la soude diluée (à ne pas représenter).
TRAVAIL DEMANDE
Sur le format A4 fourni, suivre les indications précédentes et compléter le
schéma en respectant les règles de sécurité et en assurant le bon
fonctionnement de l'installation.
COURS Les mélanges eau-éthanol comportent un azéotrope. Qu'appelle-t-on
azéotrope ? Quels sont les différents types d'azéotropes binaires ? Donner
pour chacun d'eux la forme générale du diagramme d'équilibre liquide-
vapeur. La colonne à distiller D2 est une colonne à plateaux ; faire le schéma
simplifié et expliquer le fonctionnement d'un plateau (à cloche par
exemple). En haut de la colonne D2 on utilise un dispositif permettant d'obtenir
un reflux à l'intérieur de la colonne. Donner la définition du taux de
reflux et justifier l'utilisation du reflux. EXERCICE Première partie : transport des liquides La pompe centrifuge permettant de transférer le mélange à distiller de
R1 à D2 assure un débit de 4500 [pic] d'un mélange à 22% en masse
d'éthanol. Sachant que cette pompe élève le liquide de 20 m, que la canalisation
comporte 2 vannes, un coude et un diaphragme, qu'elle a une longueur de
45 m, calculer ;
1°) la hauteur manométrique totale ;
2°) la puissance fournie au liquide ;
3°) le rendement de la pompe si sa puissance électrique est de 400 W. Données et formules
masse volumique du mélange eau-éthanol à 22% et à la température
considérée : 960 [pic] La tuyauterie crée une perte de charge de 5 cm par mètre de canalisation.
Les pertes de charge créées par les différents accidents ont pour valeur :
. vanne : 0,50 m de fluide chacune
. coude : 0,10 m de fluide
. diaphragme : 0,65 m de fluide Théorème de Bernoulli généralisé : [pic]
Puissance fournie au liquide : [pic]
Intensité de la pesanteur : g = 9,81 unité SI. Deuxième partie : distillation et bilan massique lire la remarque en fin de sujet En tête de colonne, on récupère 90% de l'alcool introduit dans la
colonne sous forme d'un azéotrope à 95% en alcool (titre massique). Calculer le débit massique de vapeurs d'azéotrope en tête de colonne
Calculer le débit massique d'eau introduite dans la colonne
Calculer le débit massique d'eau qui est entraîné dans l'azéotrope
Calculer le débit massique d'alcool entraîné dans le résidu
En déduire le débit massique de liquide qui sort en bas de la colonne. Les vapeurs d'azéotrope sortent de la colonne à 76°C (température de
changement d'état) ; elles sont dirigées vers le condenseur tubulaire E1
dans lequel elles sont totalement condensées. L'eau nécessaire à cet
échange de chaleur entre à 15°C et ressort à 45°C. Calculer le débit massique d'eau de refroidissement. Données
Chaleur latente de vaporisation de l'azéotrope eau-éthanol dans les
conditions de fonctionnement de l'échangeur E1 : Lv = 900 [pic]. Capacité thermique massique de l'eau dans les conditions de
fonctionnement de l'échangeur E1 : C = 4,2 [pic]. Remarque : si vous ne pouvez calculer le débit massique de vapeurs en tête
de colonne, prendre comme valeur 900 [pic] pour continuer la deuxième
partie.
[pic]