bacpro industrie proc etude d un procede industriel 2009

5/10/2018 BACPRO INDUSTRIE PROC Etude d Un Procede Industriel 2009 - slidepdf.com

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Production d'ethanol comme carburant

a partir de la betterave sucriere

BACCALAUREAT PROFESSIONNEL

INDUSTRIES DES PROCEDES

EPREUVE E1 . A1

DOSSIER TRAVAIL

Code Specialite: O~06-:rP $TA Session : 2009



SOMMAIREETBAREMES

Partie 1 : Comprehension du procede : 122 points

1-1)Schema de principe 14

1-2)Extraction du sucre

1-2-1) la betterave1-2-2) I'eau comme solvant d'extraction

1-2-2) I'eau chaude

111

1-3)Fermentation

1-3-1) quantite de sucre extraite

1-3-2) rendement d'extraction

1-4)L'ethanol anhydre

21

2

Partie 2: Bilans thermiques: 16 points

2-1) Etude de I'echangeur E1 : 6

Partie3 : Bilan matiere 112 points

3-1) Debit volumique d'ethanol anhydre 2

3-2) Determination Qm6 2

3-3) Determination Qm1 2

3-4) Schema bilan matiere: 4

3-5) Tableau: 2

Partie 4 : Regulation 110

4-1) Tableau relatif au fonctionnement des boucles de regulation 4

4-2) Etude du transmetteur pneumatique 3

4-3) Regulation cascade: 3

Partie 5 : L'environnement comme enjeux 110

5-1)Calculez les masses molaires : 2

5-2)Calculer Ie nombre de mole pour 1 Kg de carburant : 2

5-3)Calculer Ie nombre de mole de CO2 produite 2

5-4)Calculer la massede CO2 produite : 2

5-5)Analyse de la combustion des deux carburants? 2



Partie 1 : Comprehension du procede :

1-1) Schemade principe

A I'aide de la description et du schema du precede, completer Ie schema deprincipe fourni ci-dessous en indiquant Ie nom (Iettre) de I'appareillage danslequel se deroule l'operation unitaire et s'il y a lieu les conditions operatoiresainsi que les sens de circulation et les recyclages.

I~ IEXTRACTION

IS; ;==I

I~ I

BAC PRO Industries de Precedes I Session : 2009 I Dossier Travail

E1 : Etude d'un precede industriel

Duree: 3 h I Coefficient: 3 J /14



1-2) Extraction dy sucre

1-2-1) Pourquoi la betterave est-elle broyee sous forme de cossette?

1-2-2) Pourquoi utilise-t-on de I'eau comme solvant d'extraction dans I'industrie sucriere ?

1-2-3) Pourquoi utilise-t-on de I'eau chaude ?

1-3) Fermentation

On sait en moyenne que 1000 Kg de betterave traltes permet d'obtenir 90 Kg d'ethanotpur, d'apres l'equation de la transformation du sucre en ethanol:

1-3-1) Determiner la quantite de sucre extraite pour obtenir 90 kg d'ethanol pur

On donne (en g/mol): H=1, 0=16, C=12.



Duree: 3 h I Coefficient: 3 I /14



.,

1-3-2) Calculer Ie rendement d'extraction

masse de sucre

Rdt = -------------------- x 100

masse de betterave

1-4) Pourquoi n'est-il pas possible d'obtenir de l'ethanol anhydre (a 99,5% d'ethanol par

exemple) par distillation. Justifier.

BAC PRO Industries de Procedes I Session : 2009 I Dossier Travail

E1 : Etude d'un procede industriel

Duree: 3 h I Coefficient : 3 J /14



Partie 2 : Bilans thermigues :

On considerera pour la realisation des bilan thermiques que les echangeurs sont efficaces a 100 %(Rendement thermique = 100 %), donc que Ie flux thermique fourni par Ie fluide chaud seraentierement transmis au fluide froid.

On considerera egalement que dans les echangeurs E1, E2 et E3, Ie fluide chaud fournira de lachaleur uniquement en se condensant.

Etude de I'echangeur E1 : (voir schema annexe 1 dossier ressources p 9/10)

On alimente dans I'echangeur 17151 Kg/h de solution provenant de la fermentation du jus debetterave contenant 10 % d'ethanol , Cette solution est prechautfee dans cet echangeur avant sonpassage dans un deuxieme et introduction dans la colonne de distillation (D). Une partie des vapeurssortant de la colonne (D) sera donc condenses dans E1 et retournera liquide (reflux) a son point

d'ebullltion dans la colonne

Determiner Iedebit de vapeur condenses dans E1 (Ie resultat est a reporter dans Ie tableau question3~5ligne L5 page 10/14 dossier Travail) en reallsant un bilan thermique sur celui-ci.

Flux thermique fourni par la vapeur sortant de (D) en se condensant = Flux thermique recu par lasolution contenant l'ethanol (voir donnees: annexe 2 dossier ressource page 10/10)



Duree: 3 h I Coefficient : 3 I /14



Partie 3 : SUa" matiere

SUa" matiere sur la partie deshydratatio" de I'alcool: (voir schema p 9/14)

L'installation est etudiee afin de produire 1645,8 Kg/h de bioethanol (contenant 0,5 % d'eau) en sortie

du 2eme module de membranes Sifteck.

Les vapeurs sortant de l'echanqeur E1 contiennent 70 % en masse d'ethanol,

Le t" module de membranes elimine 90 % de la vapeur d'eau presents a t'entree de celui-ci, Ie

deuxieme module ayant un role de finition afin de produire Ie bioethanol anhydre contenant 99,5%

massique d'ethanol et done 0,5 % d'eau.

On considerera pour la realisation des bilans matieres que les perm eats sortant des membranes ne

contiennent pas d'ethanol (W3 et W4 = 0%) bien qu'en realite de faibles quantites d'ethanol y soit

presentee,

3-1) Determiner Ie debit journalier volumique d'ethanol a 99,5% ?

3-2) Determiner Ie debit d'ethanol pur produit (Om6):




_ __ ._----------



3-3) Calculer les debits massiques Qm1 en effectuant un bilan matiere en ethanol

On rappelle que les permeats ne contiennent pas d'ethanol

3-4) Com pleter Ie schema bilan matiere de la page suivante : (detailler vos calculs ci-dessous)






v~J6 al:5ed I £ : ~ua!o!:lJao:J I 1I £ : a~una

l a! J~ s np u! 9 P 9 0 0JO u n .p a p n~ 3 : ~ 3

l!eAeJl Ja!SSOa I 6 00 C; : uo!ssas J S9P9: )O Jdap sa !J ~SnpU IOt ld : J' v' 8

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••~ . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . • . . . . . . :

enbrsseui % g'66 = louellJ3 9M

=O<=H9wO

= loue4 l3 9WO

•••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••••••••••••••••••••

o = loue4J3 v M=O<=HvwO

• •· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · r · · · · · · ·

o = louellJ3 gM

=O<=HgwO• •. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . r · · · · · ··Z3 JnaBue!pl}

SJa/\

neaJnade"•••••••••••••••••••••••••••••••

•

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o = lou e

4J 3 £M :

=O<=H£WO :• ••••••••••••••••••••••••••••••••

• •••••••••• •••••••••••••••••••

= loue4J3 ZM ..

=O<=HZWO

= IO Ue4l3 ZW O~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . :

enbrsseui % O L = loue4J3 ~M

=O< =H ~wO

= loue4l3 ~wO• •••••••••••••••••••••••••••••••



3-5) Completer Ie tableau suivant relatif aux debits massiques horaires aux points

correspondant sur Ie schema simplifie de la partie distillation/deshydratation

(annexe 1 dossier ressource page 9/10)

ligne L1 L2 L3 L4 L5 L6

Debitmassique 693,6

en Kg/h

Details des calculs pour L6 (debit vinasses):






----------------------_

Partie 4 : Regulation

4-1) Completez Ie tableau relatif au fonctionnement des boucles de regulationrepresentees sur Ie schema de procede simplifle annexe1 dossier ressource (p9/10) :

Type de

Sens d'action du regulateurvanneBoucle Grandeur Grandeur

(Direct ou Inverse)N° reglee reglante FMA

(NF)ouJustifier Ie sens action

OMA(NO)

1Toe jus d'alcool

OMAsortie E1

2Debit vapeur

de chauffe E3

3Toe bas de

FMAcolonne (D)

Debit eau4 refroidissernent

E4

4-2) Etude du transmetteur de Ap de la boucle de regulation du chauffage :

Le transrnetteur est direct et a une echelle de 0 a 100 rnbar pour une sortie normalisee de 4

a 20 rnA.

Deterrninee quel sera son signal de sortie si la perte de charge (~p) mesuree est de 20

rnbar.






4-3) Proposition d'amelioration de la boucle de regulation du soutirage du

lourd:Afin d'amellorer Ie fonctionnement de la boucle de regulation du soutirage du lourd dans la

colonne (D), on propose la realisation d'une boucle de regulation en cascade suivant Ie

schema ci-dessous :

Avec:

m = mesure

C = consigne regulateur TICS1 = Signal de sortie regulateurTIC normalise 4 a 20 mA = Consigne externe de PdlC

S2 = Signal de sortie regulateur PdlC normalise 4 a 20 mA

D

m S1 = Cext S2

C

Completer Ie tableau ci-dessous avec des fleches indiguant Ie sens de variation:

Regulateur TIC Maitre Regulateur PdlC EsclaveOrgane

INVERSE INVERSEcorrecteurFMA (NF)

m 81 Consigne 82o (Ouvert)F(Ferme)

/-.

BAC PRO Industries de Precedes I Session: 2009 I Dossier Travail


Duree: 3 h ! Coefficient : 3 I /14



1

I

Partie 5 : l'environnement comme enieux

L'analyse chimique de la combustion de l'ethanol et de I'essence, nous permet de mieux

comprendre I'avantage de I'utilisation de I'ethanol comme carburant.

Combustion de l'ethanol :

+

Combustion de I'essence (octane)

+

Determiner la quantite de CO2 degagee pour 1 Kg de chaque carburant :

5-1. Calculez les masses molaires :

Masse molaire :

- essence: CSH1S Masse molaire :

Masse molaire :

5-2. Calculer Ie nombre de mole pour 1 Kg de carburant :

nombre de mole:

- essence: CSH1S nombre de mole:

5-3. Calculer Ie nombre de mole de COg_produite :

nombre de mole de CO2 :

- essence: CSH1S nombre de mole de CO2 :

5-4. Calculer la masse de CO2 produite :

masse de CO2 :

- essence: CSH1S masse de CO2 :

BACPRO Industries de Precedes I Session : 2009 I Dossier Travail

E1 : Etude d'un procede industriel

Duree: 3 h I Coefficient : 3 I /14



. .5-5. Tableau recapitulatif:

. ..

Masse de Masse molaire Nombre de Nombre de Masse de CO2

carburant en Kg mole de mole de CO2 produite en Kg

En_glmol carburant produite

Ethanol

1C2H5OH

Essence

1

C8H18

On donne en g/mol : H = 1

C = 12

0= 16

5-6 quelle analyse peut-on en tirer pour une combustion de masse egale ( 1 Kg) de

ces deux carburants ?

BAC PRO Industries de Procedes I Session : 2009 I Dossier Travail


Duree: 3 h I Coefficient : 3 I Palle 14/14



· .

BACCALAUREAT PROFESSIONNEL

INDUSTRIES DES PROCEDES

Production d'ethanol comme carburant

a partir de la betterave sucriere

EPREUVE E1 A1

DOSSIER RESSOURCES

Code speclalite : Ofjo6 -::[P ST

ASession 2009



SOMMAlRE

I I - Introduction.

I I I . DESCRIPTION DU PROCEDE.

2.1 Schema de precede : Page 4/10

Page 5/10

Page 5/10

Page 6/10

Page 6/10

2.2 Extraction du sucre de la betterave :

2.3 La fermentation alcoolique

2.4 La distillation :

2.5 La deshydratation :

1 1 1 1 - L'environnement comme enjeux

3-1 Reduction des gaz a effet de serre Page 7/10

3-2 Rendement energetique

ANNEXE 1 : Schema simpllfle partie distillation et deshydratation

ANNEXE 2 : Donnees 1 Produits

page 9/10

page 10/10

Assurez-vous que cet exemplaire est complete

S'il est incomplet, demandez un autre exemplaire au chef de salle.

BAC PRO Industries de Precedes I Session: 2009 I Dossier Ressources


Duree: 3 h I Coefficient: 3 I Page 2/10



I I - INTRODUCTION.

Depuis sa decouverte, Ie petro Ie a pris une place preponderante dans les produits enerpetiques de la

planete. Les pays industnalises et les pays ernerqents en consomment de plus en plus. Mais lesreserves naturelles de petrole ne sont pas lnepuisables et il est de plus en plus coOteux d'exploiter de

nouveaux gisements, qui sont de moins en moins accessibles en raison de leur profondeur ou encore

de leur situation geographique (mer, ocean, montagne). On assiste ainsi a la flam bee du prix du

petrole.

Tout semble donc jouer en faveur de la recherche de nouvelles energies, renouvelables et moins

polluantes. Les biocarburants en font partie.

Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme I'energie

chimique du carburant en energie mecanlque.

On peut donc distinguer dans la famille des carburants plusieurs types:

• Les carburants d'origine fossile tel Le petrole, sont les rnatieres premieres pour la creation de

nos carburants appeles « Hydrocarbures ».

• Les carburants d'origine organique, non-fossiles, appeles plus comrnunernent « biocarburants

», qui sont issues de traitements de vegetaux ou cultures (mats, betteraves, ...). Ceux-ci, aussi

appeles « carburants propres », reduisent Ie rejet de dioxyde de carbone lors de leur

combustion. .

II existe un grand nombre de varietes de biocarburants qui different principalement par leur precede

de fabrication et leur composition. A ce jour, deux biocarburants se detachent des autres :

• Le bioethanol, qui est fabrique en France a partir de betteraves ou de cereales comme Ie ble

ou Ie mars, dont Ie sucre extrait, melange a des levures, est transforms en alcool par

fermentation.

• Le biodiesel, appele aussi diester par la contraction des mots diesel et ester, est obtenu par

transesterffication des huiles vegetales comme Ie colza ou Ie tournesol






-<

o



I I I . DESCRIPTION DU PROCEDE

L'etude porte sur la production d'ethanol comme carburant a partir de la betterave sucriere,

dont Ie sucre est transforme en ethanol ( C2H50H )

2.2) Extractio.n du sucre de la betterave :

La premiere operation de transformation consiste a laver les betteraves pour les debarrasser

des salissures. Les racines sont ensuite decoupees en "cassettes" par un broyeur d'environ

deux rnlllimetres d'epaisseur, ce qui va permettre d'augmenter la surface de la racine en

contact avec I'eau chaude et donc d'accroitre la proportion de sucre recupere. Au cours de

cette operation d'extraction solide-liquide dite de diffusion, les cossettes sont expediees dans

un extracteur ou circule de I'eau chaude a 70°C environ qui se charge en sucre en traversant

les tranches de betterave.

WfROOIJOIDNtill SOlVAHI'

Extracteur a vi s

(Document Niro Atomizer)

Pour ameliorer Ie rendement d'extraction, on peut utiliser :

• La temperature: la solubilite depend souvent de la temperature

• La taille et la forme des particules : trop petites, elles ont tendance a se colmater et

empecher une extraction reguliere dans Ie paquet.

2.3) La fermentation alcooligue

Ce precede transforme les sucres fermentescibles par des levu res en alcool ( ethanol) et

gaz carbonique avec degagement de chaleur:

A la fin de la fermentation on obtient un melange d'une teneur voisine de 10 % en ethanol

( teneur massique ) que I'on filtre pour eliminer les impuretes .






2.4) La distillation:

A la fin de cette phase de fermentation, l'ethanol est concentre par distillation dans la

colonne D. On obtient en sortie de colonne un melange vapeur d'une teneur de pres de 70% en ethanol. Une partie des vapeurs est condenses dans E1 et sert de reflux, Ie reste est

envoys dans Iemodule de deshydratation a l'etat vapeur.

2-5) La deshydratation :

L'effluent gazeux issu de la distillation est introduit dans Ie module de deshydratation, Iemelange est deshydrate par la permeation preferentielle de la vapeur d'eau a travers lamembrane hydrophile en polymere du module . L'eau se retrouvant dans Ie perrneat , Ie

melange gazeux est ainsi debarasse de I'eau pour produire de l'ethanol de qualite dite« carburant » c'est-a-dire de plus de 99 % de purete en masse

L'eau ainsi extraite a l'etat vapeur est utilisee pour prechautfer Ie melange alimentaire de

la colonne et est recycle pour I'extraction.

La deshyoratatlon necessite deux modules en serie pour obtenir la qualite dite carburant.

Systeme de membrane Sif lek>-:

Systeme de membrane Sif teh; toc






1 1 1 1 - L'ENVIRONNEMENT COMME ENJEUX

3-1) Reduction des gaz a effet de serre

Tous les carburants degagent du gaz carbonique lors de leur combustion, mais dans des

proportions differentes. Ainsi, Ie bioethanol presents un atout non negligeable au niveau du

degagement de gaz a effet de serre, comme Ie dioxyde de carbone.

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En effet, d'apres une etude de I'ADEME (Agence De l'Environnement et de la MaTtrise

de l'Energie), Ie bioethanol produit 4 fois moins de gaz carbonique qu'un litre de carburant

fossile, ainsi un hectare de betteraves transformees en bioethanol absorberait les emissions

annuelles de CO2 de dix voitures a essence soit 75% de gaz a effet de serre en moins. De

plus, la betterave et toutes les rnatieres premieres vegetales, necessaires a la creation de

l'ethanol, sont renouvelables. Ainsi, malgre une surconsommation d'environ 25% de

carburant en plus, les emissions nettes de CO2 d'un vehlcule roulant au bioethanol sont 2,5fois inferieures a celles d'un vehicule essence.

Cette reduction d'ernission s'explique par Ie « recyclage » du CO2 grace a la photosynthese

des vegetaux. En effet, en extrayant et en utilisant Ie petrole qui est une matiere carbonique

fossile, on rajoute du CO2 au cycle carbonique de notre planete. Tandis qu'en utilisant les

vegetaux pour produire du biocarburant, Ie bilan est nul: les plantes absorbent du CO2 pour

croitre puis sont brulees, elles llberent alors Ie carbone qui sera a nouveau absorbe par les

plantes suivantes. Donc nos vehicules fonctionnant au bioethanol, ne ferait que rejoindre Ie

cycle actuel du carbone sans Ie modifier.






3-2) Rendement energetique

Le rendement enerqetique est aussi un critere important en matiere de carburant. II

consiste a faire Ie rapport de la quantite d'enerqie que fournit un carburant sur celie

qu'il a fallu utiliser pour Ie fabriquer depuis la culture jusqu'a la mise en service.

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I Gazole : 1 0.92

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Les betteraves ont un bon rendement enerqetique grace a leur capacite a capterl'enerqie solaire ainsi un hectare de betteravescultivees equivaut environ a 4 tonnes

de petrole brut au point de vue enerqetique,

La realisation d'ecobilans, peut etre interessante pour etudier les interets

environnementaux des biocarburants. Les resultats de celui de I'ADEME (Agence de

I'environnement et de la maTtrise de l'enerqie) de 2002 sont assez concluants :

• Le rendement enerqetique de l'ethanol est 2 fois superieur a celui de

I'essence et celui-ci ernet 2,5 fois moins de gaz a effet de serre






ANNEXE 1 fochema simp/ifie partie distillation et deshydratation de I'a/coo/.

retour vers

extraction

solide/liquide

--~.f;L---ignalpneumatique

°ligne tableau

bilan matiere






•

ANNEXE 2 : Donnees produits I Formulaire :

Jus de betterave apres fermentation et filtration: Solution contenant 10 % en masse d'ethanol :

Chaleur massique du melange 810 % : Cp = 4 KJ/Kg.oC

Temperature entree echangeur E1 : T1 = 32°C

Temperature sortie echangeur E1 : T2 = 44°C

QmJus= Debit massique total jus (ethanol a 10%) en Kg/h

W jus = titre massique en ethanol contenu dans Ie jus apres fermentation = 0,1

Ethanol a 70 % massigue (vapeurs sortant de la colonne D) :

Chaleur latente de vaporisation du melange 8 70 % : Lv = 1272 KJ/Kg

Temperature vapeur sortie D = 79,5°C

W EtOH7o = titre massique en ethanol contenu dans la vapeur sortant de D = 0,7

Ethanol anhydre (sortie 2em e

module membranes) :

Composition de I'alcool : 99,5 % d'ethanol et 0,5% d'eau

Masse volumique : p = 790 Kg/m3

Qm EtOHgg,5 = Debit massique total ethanol anhydre en K~/h

Qv EtOHgg,5 = Debit volumique total ethanol anhydre en m Ih

p = Qm EtOHgg,5 1Qv EtOHgg,5

W EtOHgg,5 = titre massique en ethanol contenu dans la vapeur sortant du 2ememodule membranaire =0,995

LVeau8 100°C = 2244 KJ/Kg

Vinasses (soutirage lourd colonne D) :

Composition massique : 99,5 % d'eau et 0,5 % d'ethanol

Qmv = Debit massique total vinasse en Kg/h

W v = titre massique en ethanol contenu dans les vinasses sortant de D = 0,005

Azeotrope ethanol/eau :

l.'ethanol et I'eau forment un melange hornoazeotrope positif (8 minimum) ayant les caracteristlques

suivantes:

Composition massique de l'azeotrope : 96 % d'ethanol et 4 % d'eau

Temperatures d'ebullition : ethanol: 78,4 °C ; H20 = 100°C; azeotrope = 78,2°C




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