1996 Sujet de technologie
I . Schéma
FABRICATION DU METHYLTERTIOBUTYLETHER (MTBE) Principe
Le méthyltertiobutyléther, additif des carburants, est obtenu par réaction du méthylpropènee (isobutène) et du méthanol dans les conditions opératoires suivantes : pression de 10 bar et température de 70°C (les réactifs sont à l’état liquide).
Le catalyseur utilisé est une résine acide échangeuse d’ions (elle est macroporeuse).
La réaction est la suivante :
+ CH3OH
CH3
3C–O–CH3 H = – 75 kJ.mol1Schéma de procédé
Isobutène Méthanol
1 2
3
4
6
7
8
9
10 11
EF Méthanol recyclé
Hydrocarbures en C4
Les deux réactifs sont introduits dans le réacteur tubulaire (1) contenant le catalyseur. La pression intérieure du réacteur est de 10 bar pour une température du milieu réactionnel maintenue à 70°C.
La chaleur dégagée par la réaction est utilisée pour réchauffer l’eau qui alimentera une chaudière à vapeur d’eau. Cette eau circule dans la double enveloppe du réacteur.
Le milieu réactionnel passe ensuite dans un deuxième réacteur de finition permettant de terminer la conversion des réactifs.
On envoie alors le produit de la réaction, l’excès de réactif (10% de méthanol en plus par rapport à la quantité stœchiométrique) et les impuretés dans une colonne de distillation à plateaux (4).
Le méthyltertiobutyléther est obtenu au pied de la colonne de distillation (4).
Cette colonne permet de récupérer en tête le méthanol en excès et les impuretés que l’on introduit dans une colonne de lavage (7).
A la sortie de la colonne de lavage (7), le mélange est envoyé dans un séparateur gaz-liquide dans lequel les hydrocarbures en C4 (impuretés introduites avec le réactif isobutène) se séparent du mélange méthanol-eau.
Ce dernier mélange est envoyé dans la colonne à plateaux (9) pour y être traité.
En tête de colonne on récupère le méthanol qui sera recyclé dans le premier réacteur (1).
En queue de colonne on soutire l’eau qui alimentera la colonne de lavage (7).
Travail demandé
Sur le format A4 fourni, suivre les indications suivantes et compléter le schéma
d’ensemble : colonne de distillation (4), colonne de lavage (7) et séparateur (8) en respectant les règles de sécurité et en assurant le bon fonctionnement de l’installation.
Le mélange réactionnel provenant du réacteur (3) (à ne pas représenter) est introduit au 2/3 supérieur de la colonne de distillation (4) comportant 42 plateaux et fonctionnant sous pression constante. Le chauffage à la vapeur est assuré par un thermosiphon (5). Le débit de vapeur d’eau est asservi à la pression différentielle entre le fond et la tête de colonne.
Le méthyltertiobutyléther est récupéré en pied de colonne dont le niveau est maintenu constant.
Ne pas représenter le stockage du soutirage.
Le condenseur (6), refroidi à l’eau réfrigérée, assure le reflux en tête de colonne. La température du reflux sera maintenue constante.
Le débit des composés (impuretés et méthanol) sortant en tête de colonne est asservi à la pression exercée en haut de la colonne.
Ces composés sont envoyés au pied de la tour de lavage (7), fonctionnant avec de l’eau froide. La pression dans la tour sera maintenue constante [vanne automatique située au-dessus de (7)].
Le mélange liquide sortant au pied de la tour de lavage (7) est envoyé par l'intermédiaire d'une pompe centrifuge dans le séparateur gaz - liquide (8) dont le niveau est maintenu constant.
Les incondensables (hydrocarbures en C4) sont évacués pour subir un traitement ultérieur (à ne pas représenter) et le mélange eau-méthanol sera distillé dans la colonne (9) (à ne pas représenter).
II . Questions
1 . Sur un réacteur de type autoclave (fonctionnant sous pression) quels sont les organes de sécurité indispensables ?
2 . Quelle est l’utilité de la colonne à plateaux (9) ? 3 . Résines échangeuses d’ions :
3.1 . Donner une autre application pour laquelle on utilise ce type de résines.
3.2 . Dans la production de l’eau pour alimenter les chaudières à vapeur d’eau, on utilise un type de résine bien précis.
A l’aide d’un croquis, expliquer le fonctionnement du traitement d’adoucissement.
Montrer les échanges qui sont réalisés en écrivant les équations de réactions correspondantes.
III . Exercice
Production de 528 kg.h1 de MTBE
1 . A partir de la chaleur de réaction, calculer la puissance thermique apportée par cette réaction.
2 . Calculer les débits massiques d’entrée de l’isobutène et du méthanol nécessaires à la réaction.
(On tiendra compte des 10% d’excès de méthanol par rapport aux conditions stœchiométriques).
3 . Compte tenu des pertes thermiques, il est possible de récupérer sur ce réacteur, une puissance thermique équivalente à 75 kW.
Si on veut utiliser la puissance thermique récupérable pour réchauffer de l’eau circulant dans la double enveloppe du réacteur à débit de 1,2 m3.h1, quelle serait la température de sortie de cette eau si à l’entrée de la double enveloppe elle est à 15°C.
4 . Après son passage dans un adoucisseur, l’eau sortant de la double enveloppe du réacteur arrive dans une chaudière à la température de 65°C.
Calculer le débit volumique de gaz alimentant le brûleur de la chaudière sachant que l’on produit de la vapeur d’eau saturée sous une pression de 3 bar relatifs. (On supposera que le rendement de la chaudière est 100%).
5 . Recyclage du méthanol.
En tête de colonne (9), on recycle une partie du méthanol en excès.
Au cours des différentes étapes de fabrication, on constate une perte en méthanol équivalente à 5%
de la quantité en excès.
Déterminer le débit massique du réactif (méthanol) frais qui doit arriver dans le réacteur (1).
Données
Patm = 1 bar
Eau capacité thermique massique = 4,18 kJ.kg-1.K-1 masse volumique = 1000 kg.m-3
Isobutène inflammable
température d’ébullition = – 6,9°C masse molaire = 56 10-3 kg.mol1
capacité thermique massique = 1,98 kJ.kg-1.K-1 enthalpie de vaporisation = 383 kJ.kg-1
Méthanol inflammable
température d’ébullition = 65,15°C masse molaire = 32 10-3 kg.mol1
capacité thermique massique = 2,72 kJ.kg-1.K-1
MTBE inflammable
température d’ébullition = 55,3°C masse molaire = 88 10-3 kg.mol1
Gaz alimentant la chaudière gaz naturel dont le pouvoir calorifique est de 40100 kJ.m3
Relation donnant la pression absolue de vapeur d’eau saturée en bar en fonction de la température en °C :
4
100eb
P
Chaleur latente de vaporisation de l’eau à éb en °C :
Lvapeur d’eau = (2555 – 2,94 éb) en kJ.kg-1 pour 100 < éb < 160°C Remarque :
enthalpie de réaction : H = – 75 kJ.mol1 signifie que la formation d’une mole de MTBE entraîne un dégagement de chaleur équivalent à 75 kJ.
