1999 Sujet de technologie
FABRICATION DE L’ETHANEDIOL
A . Principe
On réalise en continu la réaction exothermique : CH2 – CH2
O oxyde d’éthylène
+ H2O HOCH2CH2OH
éthanediol
Pour éviter des réactions parasites, on utilise un très large excès d’eau qu’on éliminera ensuite par évaporation puis rectification sous pression réduite.
B . Description du procédé
E5
E4
D2
D1
E2
E1
P E3
S
I . Alimentation du réacteur et préchauffage des réactifs
Les réactifs, solution aqueuse d’oxyde d’éthylène, sont stockés dans un réservoir non représenté.
Une pompe centrifuge P déplace cette solution avec un débit constant. La solution traverse
successivement les calandres des échangeurs à faisceau tubulaire E1 et E2 où elle est chauffée avant d’être pulvérisée au sommet du réacteur D1.
II . Réaction
D1 est un simple cylindre partiellement rempli par le mélange réactionnel liquide sous pression dans lequel est immergé un serpentin permettant :
• lorsqu’on met l’installation en service, de porter à 195°C le liquide par chauffage à la vapeur ;
• une fois la réaction commencée de maintenir constante la température du milieu réactionnel par refroidissement à l’eau.
L’effluent liquide, solution aqueuse d’éthanediol formé, est recueilli en pied de D par vanne
Il n’y a pas, en fonctionnement normal, de sortie d’effluent gazeux ; toutefois pour assurer la sécurité en cas de dysfonctionnement entraînant une augmentation importante de pression, le sommet de D1 porte les accessoires suivants :
• une soupape de sécurité : elle peut évacuer vers une installation à ne pas représenter une partie du gaz présent dans la partie supérieure de D1 ;
• un manomètre couplé à un signal d’alarme ; il constitue en outre le capteur d’une régulation de pression par “tout ou rien” qui interrompt l’arrivée des réactifs en cas de surpression.
III . É vaporation
Le liquide sorti de D1 traverse les tubes de l’échangeur E2 où il “cède de la chaleur” aux réactifs qui circulent à contre courant. Il pénètre ensuite à la base de l’évaporateur E3 qui fonctionne sous pression atmosphérique. C’est un appareil à tubes longs autour desquels on condense de la vapeur de chauffe.
Le mélange hétérogène formé de solution concentrée et de vapeur quitte le sommet de E3 pour passer dans le séparateur cyclone S :
• la solution concentrée est évacuée par vanne automatique ; elle traversera les tubes de E1
avant de pénétrer dans la colonne D2 ;
• la vapeur quittant S sera utilisée comme vapeur de chauffe dans d’autres installations.
IV . Rectification
Dans la colonne D2, chauffée par le bouilleur E4, le mélange eau + éthanediol subit une rectification en continu sous pression réduite :
• l’éthanediol est évacué en pied de colonne ;
• l’eau, condensée dans E5, constitue le distillat.
C . Travail demandé
I . Schéma
Sur le support ci-joint (annexe à rendre), représenter la partie de l’installation correspondant au préchauffage des réactifs à la réaction et à l’évaporation, c'est-à-dire les appareils P, E1, E2, D1, E3 et S en tenant compte des indications précédentes, en respectant les règles de sécurité et en assurant le bon fonctionnement de l’installation.
On ne représentera ni le traitement des vapeurs sortant de S, ni l’installation de rectification.
II . Question de cours
La colonne D2 est chauffée par un bouilleur à faisceau tubulaire vertical E4 monté en thermosiphon.
1 . A l’aide d’un schéma détaillé qui représentera le pied de la colonne et E4, expliquer le fonctionnement du bouilleur.
2 . Pour chauffer E4, l’atelier dispose de vapeur d’eau saturante dont la pression effective ne peut pas être supérieure à 6 bar.
2.1 . Sachant que pour rectifier sous pression normale il faudrait porter le liquide présent en pied de colonne à 196°C, justifier l’obligation de faire fonctionner D2 sous pression réduite.
2.2 . Quelle autre méthode de chauffage permettrait de rectifier sous pression normale si on voulait absolument le faire ?
III . Exercice 1 . Etude de l’échangeur E2
L’effluent (solution aqueuse d’éthanediol) sort de D1 à la température 1 = 210°C. Les réactifs entrent dans E2 à la température ’1 = 36°C et ressortent à ’2 = 120°C.
Dans E2, réactifs et effluent ont le même débit massique Q = 10000 kg.h1 et circulent à contre courant. On suppose qu’au cours de la traversée de E2 il n’y a ni perte de chaleur, ni changement d’état.
1.1 . Calculer le flux thermique échangé dans E2.
1.2 . En déduire la température 2 de l’effluent à la sortie de E2.
1.3 . Calculer la longueur du faisceau de E2, qui est constitué par 39 tubes de 23,5 mm de diamètre, sachant que le coefficient global d’échange U de l’appareil est égal à 4000 kJ.m2.K1.h1. N.B : Dans le calcul, on prendra la moyenne logarithmique des écarts de température.
2 . Etude de l’évaporation
E3 reçoit un flux Q = 10000 kg.h1 de solution aqueuse dont le titre massique en éthanediol est wD = 0,282. On veut obtenir à la sortie de S un concentrat dont le titre massique en éthanediol sera wC = 0,700.
On suppose que les vapeurs émises en tête de S ne contiennent que de l’eau.
2.1 . Calculer le débit massique du concentrat.
2.2 . En déduire le débit massique de vapeurs d’eau émises.
3 . Fonctionnement de la colonne de rectification D2
La solution concentrée sortant de S, ramenée exactement à sa température d’ébullition
commençante A par traversée de E1, entre dans la colonne D2 qui fonctionne sous une pression absolue de 1,33 103 Pa (0,013 bar). On obtient en tête de D2 un distillat de titre molaire en eau xD = 0,995 et, en pied de D2, un résidu de titre molaire en éthanediol égal à 0,995.
3.1 . Vérifier que le titre molaire en eau de la solution concentrée sortant de S est xA = 0,595.
3.2 . Déterminer graphiquement (annexe à rendre avec la copie) :
• la valeur de A ;
• la température T que l’on observera en tête de colonne ;
• la température C que l’on observera au niveau du bouilleur E4.
D . Données
Masse molaire de l’éthanediol : 62 g.mol-1 et masse molaire de l’eau : 18 g.mol-1 Solution aqueuse d’oxyde d’éthylène envoyée dans le réacteur D1 :
• masse volumique = 980 kg.m-3
• capacité thermique massique Cr = 3,58 kJ.kg-1.K-1 Liquide sortant de D1 :
• capacité thermique massique Ce = 3,68 kJ.kg-1.K-1 Moyenne logarithmique des écarts de température
2 1
2 1 m ln
DIAGRAMME ISOBARE DU MÉLANGE EAU – ÉTHANEDIOL SOUS LA PRESSION DE 1330 Pa.
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Température en °C
