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1995 Sujet de technologie
I . Schéma
La rectification classique d’un mélange éthanol-eau permet d’obtenir un azéotrope (éthanol à 95% environ), mais pas d’éthanol pur (éthanol absolu).
La distillation extractive est une méthode permettant d’obtenir de l’éthanol absolu ; le schéma ci-dessous montre le principe de cette méthode.
On fait appel à une troisième substance : le solvant qui est ici de l’éthylène glycol. Le solvant permet l’extraction de l’eau.
Dans la première colonne (colonne d’extraction), l’éthanol absolu distille en tête alors qu’en pied le mélange eau-éthylène glycol est prélevé au niveau du bouilleur.
Dans une deuxième colonne (colonne de rectification) l’eau distille en tête tandis que l’éthylène glycol obtenu en pied est recyclé vers la première colonne.
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Travail demandé
Le schéma fourni, correspond à la colonne de distillation extractive (première colonne). Il sera complété à partir des indications ci-dessous, en représentant les matériels ainsi que les éléments de contrôle et sécurité indispensables au bon fonctionnement.
Le mélange eau-éthanol (83% d’éthanol en masse) est préchauffé à 79°C et pénètre dans la colonne au niveau du 12ème plateau avec un débit constant. Le préchauffage se fait à la vapeur d’eau saturée à 4 bar.
L’éthylène glycol, provenant de la colonne n°2, est stocké temporairement dans le réservoir R1 dont le niveau est maintenu constant par un apport d’éthylène glycol frais.
Repris par une pompe centrifuge (P1) l’éthylène glycol entre dans la colonne au niveau du 14ème plateau avec un débit maintenu constant.
Les vapeurs produites en tête de colonne sont entièrement condensées dans l’échangeur à faisceau tubulaire E1, refroidi par de l’eau circulant dans les tubes ; le débit d’eau est réglé en fonction de la température du condensat.
Le condensat (éthanol absolu) est récupéré dans le réservoir R2, les incondensables
éventuels sortant de E1 sont envoyés vers la respiration de R2, équipée d’un réfrigérant où circule de la saumure à 5°C.
Une pompe centrifuge (P2) reprend le condensat : une partie, assurant le reflux, et renvoyée en tête de colonne l’autre constitue le distillat.
Le débit du reflux est réglé en fonction de la température du 16ème plateau (plateau
“sensible”).
Le débit du distillat dépend du niveau dans R2.
Le distillat est refroidi à la température de 25°C dans l’échangeur E2 par circulation d’eau.
Le pied de colonne est équipé d’un rebouilleur vertical E3, monté en thermosiphon et chauffé par de la vapeur d’eau saturée à 4 bar ; le débit de vapeur est fonction de la pression en pied de colonne.
Le mélange sortant en pied de colonne 1 est repris par une pompe centrifuge P3 puis refoulé vers la colonne 2.
Le débit du mélange est fonction du niveau liquide dans la colonne 1.
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II . Questions
2.1 . Pourquoi refroidit-on la respiration avec une saumure à 5°C ? 2.2 . Pourquoi préchauffe-t-on le mélange introduit dans la colonne ?
2.3 . L’installation fonctionne-t-elle en continu ou en discontinu ? Justifiez votre réponse.
2.4 . Le schéma de principe général d’un système réglé soumis à l’action d’une boucle de régulation est représenté ci-dessous :
Système réglé G3
G2
G1
Régulateur G4
Donnez une définition pour les grandeurs suivantes du système réglé : – grandeur perturbatrice
– grandeur à régler
– grandeur de réglage ou grandeur réglante – grandeur de consigne
Identifiez G1, G2, G3 et G4.
2.5 . Qu’est-ce qu’une vanne automatique ? (constitution, rôle).
III . Exercice
3.1 . La colonne d’extraction fonctionne avec un taux de reflux de 5. Le débit de distillat (éthanol absolu) est de 150 kg.h1.
a . Quel est le débit du reflux ?
b . Quel est le débit du condensat à la sortie de E1 ?
c . Quel est le débit d’alimentation en mélange éthanol-eau à 83%.
3.2 . Dans E1, l’éthanol est condensé et refroidi à la température de 75°C. Dans E2, le distillat est refroidi à la température de 25°C. Calculer :
a . La puissance évacuée sur chaque échangeur.
b . Les débits d’eau sachant que celle-ci pénètre à 20°C et ressort de E1 à 45°C et de E2 à 35°C.
3.3 . L’échangeur E2 est un échangeur à plaques dont les caractéristiques sont indiquées en annexe.
a . L’échangeur fonctionne-t-il à co courant ou contre courant ? b . Calculer la surface d’échange.
c . Calculer le nombre de plaques nécessaires.
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Caractéristique des produits : É
thanol
Liquide inflammable
Point éclair 9°C
Température d’ébullition 78,5°C
Capacité thermique massique 2,42 kJ.kg-1.K-1 Enthalpie de vaporisation 854 kJ.kg-1
Masse volumique 790 kg.m-3
Taux de reflux distillatreflux Tr
Écart moyen de température de part et d’autre d’une paroi d’échange
2 1 2 1 m ln
Caractéristiques de l’échangeur à plaques
largeur d’une plaque 0,1 m
longueur d’une plaque 0,25 m
coefficient d’échange global de la paroi 1,5 kW.m2.K1
Éthylène glycol
Température d’ébullition 196°C
Masse volumique 1112 kg.m-3
Eau
Température d’ébullition 100°C
Masse volumique 1000 kg.m-3
Capacité thermique massique 4,18 kJ.kg-1.K-1
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