Etude d'une colonne de rectification en continu

[invite772894fa]

Bonjour tout le monde,

Je travaille en ce moment dans le cadre du cours " Génie Chimique " sur l'étude d'une colonne de rectification en continu.
Je dois déterminer le bilan massique et le bilan thermique ainsi que le flux thermique Q_c à éliminer par l'eau au niveau du condenseur et la puissance thermique Q_b à fournir au bouilleur.

Alors jai réussi a faire le bilan massique et j'ai trouvé les débits massiques manquants.

Pour le bilan thermique jai des problèmes :/

Quand je fais ma maille j'ai :
Quantité entrantes : Alimentation ( 1000kg/h), Q_b ( ?? )
Quantité sortante : Distillat ( 103,83kg/h), Soutirage de fond ( 896,17kg/h), Q_c ( ?? )

J'ai donc 2 inconnues.

Je connais par contre le débit de vapeurs de tête ( V_T ) car je connais :
- le taux de reflux : R = L/D = 3. On trouve L.
Donc V_T = L + D = 415,32

Mais maintenant je suis bloquée ...

Comment je peux calculer Q_c et Q_b??

Je connais les différentes températures :
- Alimentation du mélange : 20°C
- Le condenseur fait passer les vapeurs de tête à l'état liquide et le distillat est soutiré ou recyclé à la température de 78°C
- Le résidu de fond est éliminé du bouilleur à une température considérée égale à 100°C

Jai aussi les variations d'enthlapie de vaporisation de l'éthanol : 854 kJ/kg et de l'eau : 2259 kJ/kg
Ainsi que les capacités thermiques massiques moyennes de l'éthanol : 2,42 kJ/kg et de l'eau : 4,18 kJ/kg

Il est bien possible que je puisse faire quelques choses avec ces données mais je ny arrive pas du tout :/

( S'il faut je vous ferais un shéma si vous avez du mal à me suivre )
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[invite2313209787891133]

Ce n'est pas tres compliqué, tu as deja calculé tes debits massiques donc tu as fait les 3/4 du boulot.


L'energie à evacuer par l'eau du condenseur correspond tout simplement à ce qu'il faut pour condenser les vapeurs en tete.
Tu as un coulage de 103.8kg/h et un reflux de 415.3 kg/h, soit un total de 519,1 = 520kg/h

Il faut simplement calculer la quantité d'energie Qc representée par le passage de 520 kg/h d'ethanol de l'etat vapeur à l'etat liquide.

Pour connaitre la quantité d'energie apportée au bouilleur il faut ajouter chacune des pertes à Qc.
Ces pertes correspondent à chacun des debits de liquides sortant de l'installation. Il faut donc calculer l'energie representée par 896 kg/h d'eau passant de 20 à 100°C et 104 kg/h d'ethanol passant de 20 à 78°C.

Un petit conseil en passant: Ce n'est pas tres utile de conserver 5 chiffres significatifs; en pratique les calculs en genie chimique ont une precision de 5% dans le meilleur des cas.

[invite772894fa]

Merci bcp Dudulle.

Il faut donc que j'utilise la formule :
Q= m*C*(T₂-T₁) pour calculer Qb
mais pour la condensation Qc j'utilise quoi comme formule?


Par contre je ne comprend pas trop quelques chose :
Tu additionnes le debit massique des vapeurs de tète V
_T avec le débit massique du distillat D, ce nest pas plutot V
_T + L ( qui représente le débit massique qui rerentre dans la colonne = le reflux ) ?


PS : Pour les chiffres significatifs merci du conseil, a vrai dire notre prof nous a jamais parlé de la précision du résultat dans cette matière

[invite2313209787891133]

Je t'ai fais un petit schema pour que ce soit plus clair:



1: Alimentation (eau+EtOH / 20°C / 1000 kg/h).
2: Extraction en pied (eau / 100°C / 896 kg/h).
3: Sortie vapeur du bouilleur.
4: Entrée vapeur du bouilleur.
5: Coulage (EtOH / 78°C / 104 Kg/h).
6 : Reflux (EtOH / 78°C / coulage x 3 = 312 kg/h), mea culpa, j'ai fais une petite erreur precedement
7: Entrée d'eau sur condenseur.
8: sortie d'eau sur condenseur.


Le plus simple à determiner est l'energie en tete (Qc): on évacue une quantité d'energie (par echauffement de l'eau sur le condenseur) équivalente au changement d'etat de l'ethanol. Le debit à prendre en compte correspond au debit total de vapeur en tete, soit coulage + reflux.

On calcule ensuite les pertes d'energies qui correspondent aux sorties de liquides:
- 896 kg/h d'eau en pied, sachant que ce debit de liquide est entré dans la colonne à 20°C et ressort à 100°C on peut calculer l'energie que cela represente.

-Meme raisonnement pour l'ethanol, on sort 104kg/h à 78°C et on est entré à 20°C.

La quantité d'energie apportée au bouilleur (Qb) est egale à Qc + l'energie qui sort de la colonne par l'eau + l'energie qui sort par l'ethanol.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite772894fa]

Bon Vt = 415.32 kg

Ensuite :
Q_c = Vt * H_Et-OH
Q_c = 415.32*854 = 354683 kJ

Est ce que c'est bien ça ?

Pour Q_b je pense avoir saisie mais je n'ai pa le temp de continuer, je ferai demain

[invite2313209787891133]

Oui c'est bien ça, il faut juste penser à mettre les bonnes unitées (Kj/h et Kg/h)

[invite772894fa]

Ok merci mais j'ai un gros problème avec toutes ses formules, enthalpie, entropie, capacités thermiques, ect.... je ne sais plus trop à quel moment les utiliser. j'ai regardé mes cours de Thermo de physique et le cours de Génie Chimique mais rien ne m'aide. J'ai pas d'exemple pour la distillation :s

J'aimerai juste que tu m'expliques pourquoi il faut aussi ajouter Q_c et lénergie de perte de l'éthanol pour déterminer Q_b. Pourtant en pied de colonne je n'ai que l'eau...

Sinon ce matin j'ai eu un petit doute... Est ce que Q_c ne serait il pas égale à :
m_etOH*C_etOH*(T_f-T_i ) ???


L'énergie pour l'eau serait : Q_eau = m_eau*C_eau*(T_f-T_i)

[Thrr-Gilag]

Certes en pied de colonne tu n'as que de l'eau, mais l'éthanol que tu as entré dans la colonne, tu le réchauffes de 20 à 78°C... et cette énergie vient du bouilleur bien qu'indirectement. Il faut donc la prendre en compte dans l'énergie que doit fournir le bouilleur à la colonne.

Pour Qc c'est pareil. Pour faire passer ton éthanol de la forme gaz à la forme liquide, tu vas dissiper de l'énergie. Cette énergie a du aussi être fournie par le bouilleur auparavant.

En somme il faut voir qu'en prenant comme référence l'énergie de tes fluides apportés à 20°C, ta colonne n'a donc pas d'énergie. Toutes les pertes d'énergie sur ta colonne (sortie de fluide à T > 20°C, perte de chaleur au niveau du condenseur, perte de chaleur aux parois de la colonne, etc) se doivent d'être compenser en apportant la même quantité d'énergie. Et le seul endroit où tu en fournis (pas d'allimentation en fluide avec T>20°C) c'est au niveau du bouilleur.

[invite772894fa]

Ah oui en effet suis je bête ...
Merci Thrr-Gilag pour tes précisions je comprend mieux

Bon donc j'avais bien calculé Qc.

Et Qb = Qc + m_etOH*C_etOH*(T_f-T_i ) + m_eau*C_eau*(T_f-T_i )

Il y a un moment où j'ai oublié d'utiliser la variation d'enthalpie de l'eau ?

[invite2313209787891133]

Thrr a tres bien repondu, je voudrais simplement ajouter ce petit schema synoptique afin de bien montrer le raisonnement à adopter:



Pour faire un bilan energetique sur une installation il faut toujours proceder de la meme façon: Regarder ce qui rentre et ce qui sort.

Ici nous avons:
- Une entrée d'un melange d'eau et d'ethanol à 20°C.
- Une entrée d'energie sur le bouilleur (1)
- Une sortie d'ethanol à 78°C sous forme liquide.
- Une sortie d'eau à 100°C sous forme liquide.
-Une sortie d'energie par l'intermediaire de l'eau du condenseur(2).

Nous pouvons facilement calculer la quantité d'energie mise en jeu pour les liquides, il suffit de calculer combien il faut pour passer l'eau de 20°C à 100°C liquide et l'alcool de 20°C à 78°C liquide.

Pour l'energie evacuée par l'eau nous n'avons aucun renseignement, par contre on sait que cette energie correspond exactement à ce qu'il faut "prendre" aux vapeurs de tete pour les condenser.

Tu as toi meme trouvé le debit de vapeur. On passe de 78°C vapeur à 78°C liquide. Il suffit donc de calculer l'energie correspondant uniquement au changement d'etat.

L'energie apportée au bouilleur est egale à l'energie dissipée par l'eau + l'energie qu'il faut pour chauffer le liquide, une partie passant de 20 à 100°C, l'autre de 20 à 78°C.

L'enthalpie de vaporisation de l'eau n'est pas utile dans le cadre de ta question, mais tu peux t'en servir si on te demande le debit de vapeur à fournir au bouilleur.

Je suis assez refractaire à l'utilisation des formules, j'ai tendance à penser que retenir une formule empeche d'avoir un raisonnement concret.

Il suffit de se dire que dans un cas tu cherche l'energie en J liée à la variation de temperature:
Tu multiplie donc des kg par des °C par une constante pour calculer l'energie, donc tu utilise forcement une constante exprimée en J/KG/°C

Pour calculer l'energie en J d'un changement d'etat tu multiplie des kg par une constante, donc forcement exprimée en J/Kg.

[invite772894fa]

Oui j'ai enfin compris pourquoi il fallait prendre en compte Qc : tout simplement par ce que le bouilleur permet de faire passer l'etOH de liquide à vapeur, comme disais Thrr-Gilag c'est gràce à ce bouilleur qu'on a cette énergie Qc au niveau du condensateur.
( J'ai bien compris ? )
Ensuite pour les énergies de chaque sortie de liquide ça javais plus ou moins compris malgrè que je n'aurai pas calculer celle de l'etOH mais comme précédemment c'est toujours gràce au bouilleur.

Sinon pour les formules, j'ai vérifié avec les dimensions et j'ai tout bon , je peux les utiliser sans les apprendre par coeur

Je vous remercie tous les deux en tout cas, je n'aurai pas faire mon DM bêtement et tout faux

PS : J'adore tes schémas Dudulle, tu es prof de génie chimique ? Tu m'as l'air bien calé et tu as des méthodes bien sympathiques ( et surtout compréhensibles ).

[invite2313209787891133]

Je ne suis pas prof mais je travaille dans ce domaine.

[invite0f56b43d]

Bonjour

mon sujet de stage de fin d étude que je l'effectue dans un usine de pate a papier c'est:

« récupérer le méthanol et le liquéfier de manière a pouvoir l’utiliser comme combustible liquide sortie stripping ».

je dois faire un bilan massique et un bilan thermique sur notre colonne a distillation

et je crois que vous avez une idée comment faire un bilan massique....
et puisque moi je connais pas beaucoup de chose sur ce domaine la
je vous demande de me donner un coup de main pour mener mon projet

merci