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1997 Sujet de technologie
Schéma de procédé
I . Travail demandé
Compléter le schéma fourni en annexe en respectant les consignes.
La solution d’urée est obtenue dans un atelier de synthèse entre le dioxyde de carbone et l’ammoniac. On ne représentera pas cet atelier.
La solution d’urée est envoyée dans un évaporateur double effet sous dépression. Les deux appareils sont constitués d’éléments chauffants à tubes verticaux et équipés de cyclone de séparation.
L’évaporateur 1er effet (6) :
L’alimentation se fait à la base de l’évaporateur.
Le chauffage est effectué par de la vapeur d’eau ; le débit de vapeur est asservi au débit de solution concentrée dans le cyclone (S1).
L’eau évaporée est séparée au niveau du cyclone. La solution concentrée est envoyée dans l’évaporateur (7) à l’aide d’une canalisation calorifugée.
L’évaporateur 2nd effet (7) :
L’alimentation se fait à la base de l’évaporateur.
Le chauffage est assuré par la vapeur d’eau issue du premier effet.
L’extraction des condensats de vapeur d’eau de chauffe est assurée par une pompe.
A la sortie du cyclone (S2) l’eau évaporée passe dans un condenseur à mélange où l’on maintient une pression inférieure à la pression atmosphérique grâce à une pompe à vide. La pression est maintenue constante à partir de la pression mesurée dans S2.
La bouillie d’urée (solution saturée) est transférée par une pompe et est pulvérisée au sommet d’une tour de granulation (8). Un courant d’air ascendant permet la formation de granulés d’urée qui seront récupérés à la base de la tour et transportés par bande transporteuse vers une unité se stockage non représentée.
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II . Questions
1 . Evaporateur multiples effets
1.1 . Quel est l’intérêt d’utiliser un montage d’évaporateurs en série ?
1.2 . Pourquoi est-il nécessaire de mettre le deuxième appareil sous dépression ?
2 . Régulation de la pression dans l’évaporateur 7
On règle la pression relative à – 0,7 bar par l’intermédiaire du séparateur cyclone S2.
2.1 . Désigner chaque élément composant la boucle de régulation.
2.2 . Dire laquelle de ces deux vannes automatiques représentées ci-dessous est ouverte par manque d’air. Expliquer votre choix.
III . Exercice
Production d’urée
Evaporation : débit massique d’alimentation en solution diluée d’urée à 60% arrivant dans Ev6 : 5 t.h1
1 . Déterminer le débit massique de la solution et le débit d’eau évaporée sortant du premier évaporateur Ev6 sachant que la solution concentrée contient 76% en masse d’urée.
2 . Calculer le débit massique de vapeur d’eau saturée de chauffe, (de pression relative : 5 bar), nécessaire à la première concentration. On estimera que les condensats sont éliminés dès leur formation.
3 . La solution concentrée sort du premier évaporateur 6 à la température de 91,5°C. Elle entre dans le deuxième évaporateur 7 à la température de 91,5°C.
Calculer la quantité d’eau que l’on peut à nouveau évaporer dans 7 avec la vapeur d’eau formée dans le premier effet sachant que 20% de cette vapeur sont perdus pendant le transfert et que les condensats sont éliminés dès leur formation. On négligera la chaleur apportée par le refroidissement de la solution dans l’évaporateur 7.
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4 . En déduire le débit massique de l’effluent contenant l’urée et son taux massique en urée si le débit de vapeur d’eau évaporée est de 0,83 t.h1.
5 . Calculer la hauteur manométrique totale de la pompe permettant le transfert de la solution concentrée sortant du deuxième évaporateur 7 vers le sommet de la tour de granulation.
On donne la hauteur d’élévation totale égale à 12 m, la perte de charge totale équivalente à 2 m de liquide transporté et la masse volumique = 1800 kg.m-3.
On négligera les termes de vitesses d’écoulement.
On prendra les pressions relatives suivantes :
• en sortie de 7 égale à – 0,7 bar
• dans la tour de granulation – 0,1 bar.
6 . Calculer la puissance absorbée par la pompe sachant que le rendement global est de 70%.
Données :
Théorème de Bernoulli : 2 B B
B AB
A 2 A
A z
g v P g 2 Hmt 1 J
g z v P g 2
1
terme de pression P terme de vitesse v terme d’altitude z
terme de perte de charge J
hauteur manométrique totale Hmt on prendra g = 10 m.s2
Eau :
capacité thermique massique = 4,18 kJ.kg-1.K-1 masse volumique = 1000 kg.m-3
chaleur latente de vaporisation de l’eau à éb en °C
Lv = (2503 – 2,46 éb) en kJ.kg-1 pour 0 < éb 100°C Lv = (2555 – 2,94 éb) en kJ.kg-1 pour 100 < éb 160°C Vapeur d’eau saturante
relation donnant la pression absolue de vapeur d’eau saturée en bar en fonction de la température en °C :
4
100eb
P
Évaporateur 6
fonctionnant sous pression relative P = – 0,3 bar température homogène dans Ev6 = 91,5°C solution d’urée à 60% entrant :
débit massique Dm = 5 t.h1 (tonne par heure) capacité thermique massique = 1,45 kJ.kg-1.K-1 température d’entrée de la solution à 60% = 70°C Évaporateur 7
pour la vapeur d’eau de chauffe (provenant de l’eau évaporée dans Ev6) on prendra une température de 91,5°C
fonctionnant sous pression relative P = – 0,7 bar température homogène dans Ev7 = 74°C
température d’entrée de la solution d’urée = 91,5°C.
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6 7
S1 S2 E
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