1992 Sujet de technologie
I. Principe
On neutralise l’acide nitrique par l’ammoniac.
3 4 3
3 NH NHNO
HNO avec H = – 106 kJ.mol1
II. Description de l’installation
L’ammoniac gazeux, déplacé par un compresseur, passe dans l’échangeur à faisceau tubulaire E pour être réchauffé par de la vapeur, avant d’être introduit à la base du réacteur R1.
Prévoir une régulation de température.
L’acide nitrique en solution aqueuse, stocké dans la cuve C est envoyé par pompe dans R1.
Le débit est régulé en fonction du débit d’ammoniac.
Il n’y a pas d’agitation dans le réacteur.
La température dans le réacteur est maintenue constante à 183°C en agissant sur le débit d’entrée d’ammoniac. Les vapeurs formées sortent à la partie supérieure et permettent de réguler la pression dans le réacteur à 3,7 bar. Elles passent ensuite dans le séparateur de type cyclone S1. Le liquide retourne dans le réacteur R1 tandis que les vapeurs son recyclées (non représenté).
Le liquide arrive jusqu’au niveau médian du réacteur et sort par une canalisation située légèrement en-dessous par régulation de niveau.
Il passe par gravité à la base de l’évaporateur à faisceau tubulaire EV1, chauffé par de la vapeur à l’extérieur des tubes. Le mélange sortant de l’évaporateur passe dans le cyclone S2. Les vapeurs sont recyclées (non représenté) tandis que la solution concentrée s’écoule dans le réacteur R2 pour que son pH soit ajusté par de l’acide sulfurique ou une solution d’ammoniaque (prévoir une régulation de pH).
Le réacteur R2 est équipé d’un agitateur et chauffé par passage de vapeur dans un serpentin intérieur (prévoir une régulation de température).
A la sortie de R2, le liquide est envoyé par une pompe à la base de l’évaporateur à faisceau tubulaire EV2, chauffé également par de la vapeur à l’extérieur des tubes.
Le mélange sort à la partie supérieure et passe dans le cyclone S3.
Les vapeurs sont recyclées (non représenté) tandis que la solution de nitrate d’ammonium est envoyée par une pompe pour être pulvérisée en haut d’une tour de granulation T, appelée tour de
“prilling”.
Un courant d’air ascendant assure la formation des granulés de nitrate d’ammonium, qui sont récupérés par une bande transporteuse, pour être envoyés au séchage (non représenté).
Prévoir un dispositif de soutirage du liquide par régulation de niveau dans les trois cyclones.
Faire une représentation de l’installation en suivant le schéma d’implantation.
III. Cours
1°) Définir les différents types de transfert de chaleur que vous connaissez.
2°) Décrire un four de votre choix à l’aide d’un schéma annoté et expliquer son fonctionnement. Préciser sur cet exemple quels sont les modes de transfert de chaleur utilisé.
3°) Pour chauffer ou refroidir un fluide, on peut directement le mettre en contact avec le fluide caloporteur (vapeur ou air). Décrire un appareil ou un système fonctionnant sur ce principe et donner les avantages et les inconvénients de cette méthode.
IV. Exercice
1. Mécanique des fluides
Une pompe doseuse multicellulaire sert à alimenter une colonne à distiller au débit de 20 m3.h1 à partir d’un mélange situé dans une cuve enterrée, dont le niveau de liquide est maintenu constant.
Rappel : une pompe multicellulaire comprend plusieurs rotors appelés étages.
LIC
B PI
TI
PI
A
58 m
2 m
Toutes les solutions graphiques seront représentées sur la feuille annexe (document à rendre).
1.1. Déterminer la perte de charge du circuit entre les points A et B d’après les données, puis calculer la hauteur manométrique totale de la pompe grâce à l’équation suivante, en précisant où vous placez l’altitude z = 0.
B 2 B
B AB
A 2 A
A z
g v P g 2 Hmt 1 J
g z v P g 2
1
En déduire le nom de la pompe la mieux adaptée à ce cas (exemple de nom : CR30-160).
1.2. Déterminer d’après les courbes le rendement de la pompe, puis en déduire par le calcul la puissance absorbée par la pompe.
1.3. Déterminer graphiquement la puissance absorbée par le premier étage de la pompe en Watts, puis en supposant que chaque étage ou rotor absorbe la même puissance, en déduire le nombre d’étages. (Arrondir au nombre entier supérieur).
1.4. Déterminer graphiquement le NPSH de la pompe puis en déduire la hauteur maximale d’aspiration de la pompe d’après l’équation :
A asp
A g H J
P
NPSH P
où Hasp est la hauteur d’aspiration maximale en m
PA est la pression au dessus du liquide dans la cuve (1013 105 Pa) P° est la tension de vapeur du liquide (2668 Pa)
JA est la perte de charge sur le circuit d’aspiration (0,5 m liq).
Données :
Longueur totale de la canalisation : 100 m
Perte de charge générale : 0,01 m liq par m de canalisation Longueur équivalente d’un clapet : 12 m de canalisation Longueur équivalente d’un robinet : 16 m de canalisation Longueur équivalente d’un coude : 2 m de canalisation Perte engendrée par le faisceau tubulaire : 5,4 m liq Masse volumique du mélange liquide : = 940 kg.m-3 Pression atmosphérique : 1,013 105 Pa
Pression absolue en B : 1,2 bar Vitesse en B : 1 m.s-1
Accélération de la pesanteur : g = 9,81 m.s2
2. Transfert de chaleur
Pour diminuer les pertes thermiques, on place autour de l’échangeur de chaleur, un calorifuge de 30 cm d’épaisseur.
Calculer la perte de chaleur pour une différence de température entre l’intérieur de l’appareil et l’extérieur de 60°C.
Remarque : Utiliser la moyenne logarithmique pour calculer la surface moyenne du calorifuge.
On négligera la conductivité thermique du matériau de l’échangeur.
Données : Conductivité thermique du calorifuge : 0,04 W.m1.K1
La moyenne logarithmique Xm de deux valeurs X1 et X2 est donnée par la relation :
2 1 2 1 m
X lnX
X X X
avec ln logarithme népérien de base e.
La surface extérieure du calorifuge : 23 m2 La surface intérieure du calorifuge : 12 m .2
Hauteur manométrique totale en m de liquide
S1 S2
S3
E
R1
C
EV1 R2
EV2
T
