Session 2011 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE

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Niveau: Secondaire, Lycée
Code sujet : 11GECLME1 1/6 Session 2011 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE Partie écrite Durée de l'épreuve : 3 heures Coefficient : 3 Le sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6. La page 6/6 est à rendre avec la copie. L'usage de la calculatrice est autorisé.

  • régulation de pression

  • pompe p1 amène

  • température d'ébullition de l'éthanol pur

  • pied de colonne

  • masses volumique

  • éthanol

  • contre courant de l'eau de refroidissement

  • vin


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Nombre de pages : 6
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Code sujet : 11GECLME1
1/6
Session 2011
BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE
STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
ÉPREUVE DE GÉNIE CHIMIQUE
Partie écrite
Durée de l'épreuve : 3 heures
Coefficient : 3
Le sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6.
La page 6/6 est à rendre avec la copie.
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Code sujet : 11GECLME1
2/6
OBTENTION D’ALCOOL DANS UNE SUCRERIE
A. DESCRIPTION DU PROCÉDÉ
L’objectif est d’étudier la fabrication d’un alcool dit brut (destiné en partie à la synthèse du
bioéthanol) par fermentation à l’aide de levures d’un jus sucré issu de la betterave.
1. La fermentation.
Le fermenteur
F,
représenté par un réacteur double enveloppe agité, contient déjà les levures
(préparées dans la cuve mère
R1
à ne pas représenter).
On complète son niveau à 140 m
3
à l’aide du jus sucré dit de « diffusion » (régulation de niveau
à prévoir).
La fermentation étant exothermique, on maintient la température à 33°C dans le fermenteur par
circulation d’eau de refroidissement dans la double enveloppe (régulation de température à
prévoir) Les eaux de refroidissement sont récupérées et envoyées dans l’aéroréfrigérant
A
.
Le dioxyde de carbone produit lors de la fermentation est rejeté à l’atmosphère après passage
dans
A
.
Lorsque la fermentation est terminée (densité requise atteinte, prévoir une régulation), le
contenu de
F
tombe par gravité dans la centrifugeuse
S
.
Les levures sont récupérées sur le côté de la centrifugeuse puis retraitées avant d’être
renvoyées dans
R1
(à ne pas représenter).
Par le haut de la centrifugeuse, on récupère un « vin » à 11° en titre volumique qui descend par
gravité dans la cuve à vin
R2
(cuve à pression atmosphérique).
D’autres fermenteurs non représentés alimentent de la même manière cette cuve à vin pour
que la suite du processus se déroule en continu.
alcool brut
levures
F erm enteur
jus sucré
C
R2
vin
Colonne D
E4
E3
E1
vin
vin
R3
E2
vin
E1 : échangeur vin-vinasse
vinasses
vinasses
S
Code sujet : 11GECLME1
3/6
2. La distillation
Le dispositif est constitué d’un préchauffeur (échangeur à plaques
E1
), d’une colonne à
plateaux sous dépression
D
, d’un bouilleur monté en thermosiphon
E2
, d’un système de reflux
constitué de deux échangeurs multitubulaires
E3
et
E4
sur lequel se fait la prise de vide.
Le vin issu de
R2
est envoyé par une pompe centrifuge
P1
dans l’échangeur à plaques où sa
température passe de 33 °C à 64 °C par circulation à contre courant du résidu (vinasses) . la
température de sortie du vin est asservie au débit entrant du vin
Le vin est alors introduit au tiers inférieur de la colonne à plateaux.
En pied de colonne, le chauffage dans
E2
est assuré par de la vapeur dont le débit est asservi
à la perte de charge de la colonne.
Le résidu (vinasses) est évacué par une pompe centrifuge
P2
(ce qui permet de maintenir
constant le niveau dans la colonne) et après passage dans
E1
, il est envoyé dans une unité de
concentration des vinasses (à ne pas représenter).
En tête de colonne, les vapeurs sont partiellement condensées dans
E3
où circule à contre
courant de l’eau de refroidissement dont le débit est asservi à la température de sortie des
condensats qui rejoignent
R3
.
Les vapeurs non condensées passent dans
E4
où elles seront condensées par circulation à
contre courant d’eau de refroidissement dont le débit est asservi à la température de sortie des
condensats qui rejoignent aussi
R3
.
Les eaux de refroidissement sont alors récupérées et renvoyées avec celles de
E3
dans
l’aéroréfrigérant
A
avant d’être recyclées (ne pas représenter le recyclage).
Sur la calandre de
E4
, une pompe à vide (précédée d’un piège à vide) permet de maintenir la
colonne sous pression réduite (prévoir une régulation de pression).
Une partie des condensats est renvoyée par une pompe centrifuge
P3
en tête de colonne (son
débit est asservi à la température en tête de colonne) et constitue le reflux.
L’autre partie du condensat constitue le distillat (alcool brut à 94,5° en titre volumique). Son
débit permet de maintenir constant le niveau dans
R3
.
Une partie de cet alcool est destinée à la fabrication du bioéthanol dans une autre usine ; le
reste est envoyé en « rectification » pour fabriquer de l’alcool surfin utilisé notamment par les
alcooliers (à ne pas représenter).
B. TRAVAIL DEMANDÉ
I. Schéma
Sur le support joint,
(annexe page 6/6 à rendre avec la copie)
, représenter l’installation décrite
ci-dessus en respectant les règles de sécurité et en assurant son bon fonctionnement.
L’éthanol est un liquide volatil et inflammable.
Code sujet : 11GECLME1
4/6
II. Cours
Le mélange eau-éthanol présente un azéotrope à minimum. La température d’ébullition de
l’éthanol pur est de 78,4 °C et celle de l’azéotrop e est de 78,1 °C sous une pression de 1,0 bar.
La fraction molaire de l’éthanol dans l’azéotrope est de 0,89.
1.
Définir le terme azéotrope.
2.
Donner l’allure du diagramme isobare d’équilibre liquide vapeur d’un mélange présentant un
azéotrope à minimum de température (on ne demande pas un diagramme à l’échelle).
On notera x le titre molaire de liquide en éthanol et x
Az
celui de l’azéotrope.
3.
Indiquer pour chaque domaine de x ce que l’on obtient en tête et en pied de colonne lors de
la rectification de ce mélange en continu.
III. Exercices
1. Étude du préchauffeur « vin-vinasse » E1.
Le vin entrant à 33°C dans
E1
avec un débit de 833 m
3
.h
-1
est préchauffé à 64,0 °C par
circulation à contre-courant du résidu de la colonne (vinasses) à 88,0°C.
1.1.
Calculer le flux de chaleur reçu par le vin.
1.2.
Calculer la température de sortie des vinasses.
1.3.
Sachant que la surface de l’échangeur est de 105 m², déterminer le coefficient global
d’échange thermique K de cet échangeur, en W .m
-2
.K
-1
.
2. Étude de la colonne D
On alimente la colonne
D
avec un vin qui titre 11,0° (titre volumique) à un débit de 833 m
3
.h
-1
.
Le titre volumique représente le rapport entre le volume d’éthanol et le volume de vin (ici, cela
signifie que, dans un litre de vin, il y a 110 mL d’éthanol).
2.1.
Bilan sur la colonne.
2.1.1.
Calculer le débit volumique d’éthanol introduit.
2.1.2.
L’alcool (dit brut) obtenu en tête de colonne titre 94,5° (titre volumique).
Sachant que tout l’éthanol introduit se retrouve dans ce distillat, vérifier que le débit volumique
du distillat est voisin de 97 m
3
.h
-1
.
2.2.
Étude du reflux.
Le débit volumique du reflux, noté
L
, est fixé à 38,0 m
3
.h
-1
.
2.2.1.
Calculer le taux de reflux de la colonne.
2.2.2.
Calculer le débit volumique de vapeur de la colonne.
Code sujet : 11GECLME1
5/6
3. Étude de la pompe P1.
La pompe
P1
amène le vin de la cuve
R2
(à pression atmosphérique) jusqu’au tiers inférieur de
la colonne
D
sous dépression (380 mbar absolus) dans une canalisation de 30 cm de diamètre.
L’ensemble du circuit crée une perte de charge J égale à
5,0 m de fluide.
La différence de hauteur entre le niveau supposé constant de
R2
et le tiers inférieur de la
colonne est de 15,0 m.
3.1.
Calculer la vitesse du vin dans la canalisation.
3.2.
Déterminer la hauteur manométrique totale de la pompe H
mt
.
3.3.
Déterminer la puissance utile de la pompe puis la puissance électrique sachant que le
rendement de la pompe est de 70 %.
DONNÉES
Vin
Débit : 833 m
3
.h
-1
.
Masse volumique : 994 kg.m
-3
Capacité thermique massique : 3,62 kJ.kg
-1
.K
-1
Résidu dans E1 (vinasses)
Débit : 750 m
3
.h
-1
.
Masse volumique : 1,00
×
10
3
kg.m
-3
Capacité thermique massique : 4,18 kJ.kg
-1
.K
-1
Écart moyen logarithmique de température :
θ
ml
=
-
2
1
2
1
ln
θ
θ
θ
θ
Équation de Bernoulli
entre deux points A et B d’un circuit avec pompe
:
J
z
g
v
g
P
z
g
v
g
P
H
B
B
B
A
A
A
mt
+
+
+
=
+
+
+
2
²
2
²
ρ
ρ
Pression atmosphérique
:
P
atm
= 1,01
×
10
5
Pa
Accélération de la pesanteur :
g
= 9,81 m.s
-2
Code sujet : 11GECLME1
6/6
F
C
R2
P1
E1
E3
E4
E2
A
D
R3
P1
P3
P2
E2
E4
E3
S
ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
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