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Rectification continue d'un mélange propanol_1-propanol_2

On relève sur la colonne de rectification continue pilote d'un atelier les conditions opératoires suivantes:


courbe d'équilibre liquide-vapeur Propanol-1 - Isopropanol

  • débit d'alimentation F=4200 g.h-1,
  • titre molaire en propanol-2 de l'alimentation xFmol=30%,
  • titre molaire du distillat xDmol=55%,
  • titre molaire du résidu xWmol=10%,
  • taux de reflux R=1.4.

1°) Déterminer le nombre d'étage minimum pour réaliser cette séparation (à reflux total).

2°) Déterminer le taux de reflux minimum pour réaliser cette séparation.

3°) Pour le taux de reflux appliqué de 1.4, déterminer les débits de distillat et résidu D et W, le NET et le plateau d'alimentation.

4°) Calculer ΦC le flux de chaleur à enlever au condenseur en négligeant le sous-refroidissement. Calculer également le terme de variation d'enthalpie des flux de matières FhF-DhD-WhW. En déduire ΦB le flux de chaleur à fournir au bouilleur, et l'intensité à appliquer si le rebouillage est assuré par une épingle électrique alimentée en 220V. Commenter.

5°) On souhaite modifier les réglages pour obtenir un distillat à 80% molaire en propanol-2. Déterminer le nombre d'étage minimum et le reflux minimal pour cette nouvelle séparation. Déterminer, pour un taux de reflux de 4, les débits D et W, le NET et le plateau d'alimentation.

6°) Schéma: représenter la colonne avec tous les éléments de contrôle, de mesure et de sécurité nécessaires à son fonctionnement

(...)
  • la colonne fonctionne à pression atmosphérique,
  • elle est constituée de trois tronçons équipés d'un garnissage structuré.
  • l'alimentation est assurée par une pompe volumétrique à piston dont la course est réglable, et est préchauffée à son point d'ébullition en régulation de température.
  • Elle peut être envoyée entre le 1er et le 2ème, ou entre le 2ème et le 3ème tronçon de garnissage.
  • Le rebouillage est assuré par une épingle électrique, et est asservit à la deltaP de la colonne.
  • Le résidu est soutiré par débordement, et est refroidit dans un échangeur à eau avant stockage.
  • Le condenseur est un échangeur mutitubulaire à deux passes coté tubes, avec condensation côté calandre.
  • Les condensâts sont récupérés dans un pot de reflux. Le reflux est renvoyé en tête de colonne par pompe centrifuge en régulation de débit.
  • Le distillat est soutiré par débordement, et refroidit dans un échangeur à eau avant stockage.
  • Afin de pouvoir fonctionner à reflux total, le niveau dans le pot de reflux peut être régulé par action sur la vitesse de rotation de la pompe centrifuge.

Données: volatilité relative α(pol2-pol1)=1.8 ou courbe d'équilibre, Lv1=690.7 kJ.kg-1, Cp1=2.39 kJ.kg-1.°C-1, Lv2=664 kJ.kg-1, Cp2=2.69 kJ.kg-1.°C-1. Température d'ébullition du mélange en fonction du titre molaire en propanol-2: (0%, 97.4°C), (10%, 95.2°C), (30%, 91.7°C), (55%, 88°C), (80%, 84.5°C), (100%, 82.4°C).

Réponse

Réponse

1°) NETmin=4+bouilleur, 2°) Rmin=0.845, 3°) D=1.87 kg.h-1, W=2.33 kg.h-1, NET=7+bouilleur, alimentation plateau Nalim=6 si le bouilleur est noté 1, 4°) ΦC=3034 kJ.h-1, FhF-DhD-WhW=-2 kJ.h-1, ΦB=3036 kJ.h-1, I=3.83A; 5°) NETmin=6+bouilleur, xDmol/(Rmin+1)=0.216, Rmin=2.7, NET=10+bouilleur, alimentation plateau Nalim=6, D=1.2 kg.h-1, W=3 kg.h-1.

Correction

Correction

Rq: les masses molaires du propanol-1 et de l'iso-propanol (propanol-2) étant identiques, les valeurs numériques des titres massiques et molaires sont égales.

1°) La construction à reflux total donne NETmin = 5 = 4+bouilleur

2°) La construction pour Rmin donne xDmol/(Rmin+1)=0.298, d'ou Rmin=0.845

3°) La construction pour R=1.4 donne NET = 8 = 7+bouilleur (alimentation plateau 6, bouilleur 1).

La résolution du système d'équations de bilan matière global et partiel conduit à:

  • F = D + W, soit W = F - D
  • F xF = D xD + W xW = D xD + F xW - D xW, d'ou F (xF - xW) = D (xD - xW) et
  • D = F (xF-xW)/(xD-xW) = 4200×(0.3-0.1)/(0.55-0.1) = 1867 g.h-1,
  • W = F - D = 4200 - 1867 = 2333 g.h-1.


Mc Cabe et Thiele à reflux total, NETmin

Mc Cabe et Thiele, reflux minimum Rmin

Mc Cabe et Thiele, NET à R=1.4

4°) Le débit condensé est V=L+D, et le taux de reflux est R=L/D, d'ou V=(R+1)D=2.4×1.87=4.488 kg.h-1. On obtient:

ΦC = V [xD Lv2 + (1-xD) Lv1] = 4.488×(0.55×664+0.45×690.7) = 3034 kJ.h-1.

En prenant pour état de référence l'état du distillat (liquide à 88°C), on a:

  • D hD = 0
  • F hF = F [xF Cp2 (91.7-88)+(1-xF) Cp1 (91.7-88)] = 38.5 kJ.h-1,
  • W hW = W [xW Cp2 (95.2-88)+(1-xW) Cp1 (95.2-88)] = 40.6 kJ.h-1,
  • FhF - DhD - WhW = 38.5-0-40.6 = -2 kJ.h-1.

Le bilan énergétique sur l'ensemble de la colonne conduit à:

  • ΦB = -FhF + DhD + WhW + ΦC = 2+3034 = 3036 kJ.h-1,
  • ΦB = UI d'ou I = ΦB/U = 3036/3600/220 = 3.83A.

5°) La construction à reflux total donne NETmin = 7 = 6+bouilleur

La construction pour Rmin donne xDmol/(Rmin+1)=0.216, d'ou Rmin=2.7

La construction pour R=4 donne NET = 11 = 10+bouilleur (alimentation plateau 6, bouilleur 1)

La résolution du système d'équations de bilan matière global et partiel conduit à:

  • F = D + W, soit W = F - D
  • F xF = D xD + W xW = D xD + F xW - D xW, d'ou F (xF - xW) = D (xD - xW) et
  • D = F (xF-xW)/(xD-xW) = 4200×(0.3-0.1)/(0.80-0.1) = 1200 g.h-1,
  • W = F - D = 4200 - 1200 = 3000 g.h-1.


xD=80%, NETmin à reflux total

xD=80%, Reflux minimum Rmin

Mc Cabe et Thiele à R=4