Chauffage et refroidissement d'un réacteur agité par double-enveloppe et serpentin, fonctionnement de la régulation de température.

1. Modèle: Réacteur agité
Chauffage - refroidissement
AZPROCEDE, SIMULATION
DYNAMIQUE DE PROCÉDÉS
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2. Résumé de l’exercice:
Réglages du modèle
Chargement du réacteur
I=8kg à 20°C et A=2kg à 70°C
Calcul température théorique
Comparaison température observée
Chauffage du réacteur à 50°C
Refroidissement du réacteur à 20°C
Conclusion

3. Résumé de l’exercice:
Réglages du modèle
 Régler les unités des entrées réacteur sur kg.h-1 et titre
massique % (bouton Options),
 Régler la pureté d'alimentation du constituant A sur 100%,
 Régler la masse molaire de I sur 18 g.mol-1, et la masse
molaire de A sur 40 g.mol-1,
 Régler les masses volumiques de A et I sur 1000 kg.m-3 et les
Cp sur 4.18 kJ.kg.°C-1,
 Régler la température du bac d'alimentation de A sur 70°C,
celle du bac de I sur 20°C (bouton Bacs),

4. Bouton options

5. Réglage des unités sur kg/h - %
au lieu de L/h – mol/L

6. Unités réglées sur kg/h - % (titre massique de A en soluté A)

7. Réglage du titre massique de A à 100% (A pur)

8. Réglage température du bac A à 70°C

9. Réglage température du bac I à 20°C

10. Résumé de l’exercice:
Chargement du réacteur
 Charger 8 kg d’inerte I à 20°C,
 Contrôler la température du réacteur en fin de chargement,
 Mettre l'agitateur en service à 150 tours par minute,
 Charger 2 kg de constituant A à 70°C,
 Suivre la température du réacteur,
 Vérifier la température du réacteur en fin de chargement.
 Calculer la température théorique du mélange si la dilution
est parfaitement adiabatique.
 Conclure sur l'origine possible de la différence

11. Calcul de la température théorique finale
 Bilan enthalpique pour détermination de la température
finale théorique du mélange f:
hf = hI + hA
10 × Cp × ( f-0) = 8 ×Cp × (20-0)+2 × Cp × (70-0),

f
= (8 × 20+2 × 70)/10 = (160+140)/10 = 300/10
f =30°C

12. Réglage de la quantité de I à charger (bouton FQ)

13. Quantité de I à charger 8 kg

14. La quantité à charger est réglée. Pour démarrer le chargement, on peut
mettre une consigne débit ou ramper la consigne vers une cible.

15. Passage du régulateur en mode Cascade. La rampe de consigne démarre.
Le chargement s’arrêtera automatiquement à la quantité réglée 8 kg.

16. Rampe de consigne en cours vers consigne cible, ici 250 kg/h.

17. Consigne cible atteinte 250 kg/h, poursuite du chargement à ce débit.

18. Souris sur le bouton FQ: quantité déjà chargée 4.08 kg, reste 56s…

19. Lorsqu’on s’approche de la quantité à charger, le débit est réduit
(divisé par 2) pour atteindre la valeur exacte à petit débit…

20. Lorsqu’on s’approche de la quantité à charger, le débit est réduit
(divisé par 2) pour atteindre la valeur exacte à petit débit …

21. La fin de chargement s’effectue à 10% d’échelle du régulateur…
(échelle 0-250 kg/h, soit 10% de 250=25 kg/h)

22. Fin de chargement de I, le régulateur passe en manuel vanne fermée.

23. Réglage de l’agitation à 150 tr/mn

24. Quantité de A à charger 2 kg

25. Passage en mode Cascade du régulateur de chargement de A.

26. Chargement de A à la consigne cible.

27. Suivi de la température du réacteur: (A est à 70°C)
Augmentation de 20°C à +/-30°C.

28. Fin de chargement de A, réduction automatique de la consigne de débit
à 10% d’échelle.

29. Fin de chargement de A, le régulateur passe en manuel vanne fermée.
Température maximale atteinte 28.9°C.

30. Comparaison:
Calcul de la température théorique finale
 Bilan enthalpique pour détermination de la température
finale théorique du mélange f: hf = hI + hA

soit 10 × Cp × ( f-0) = 8 ×Cp × (20-0)+2 × Cp × (70-0),
f = (8 × 20+2 × 70)/10 = 30°C
Comparaison température expérimentale
 La température finale observée est 28.9°C < 30°C.
 La masse finale n’est pas exactement 10 kg mais 10 kg plus
la masse du réacteur, du serpentin, de la double-enveloppe,
etc…, initialement à 20°C.
 Les pertes thermiques (milieu extérieur à 14°C) entrainent
également une température finale plus basse que 30°C.

31. Après quelques minutes, la température du réacteur diminue.

32. Le modèle tient compte des pertes thermiques du réacteur,

33. ainsi que de l’inertie thermiques du réacteur.

34. Après environ 5mn, le réacteur a refroidit jusqu’à 28.5°C.

35. Pour obtenir exactement la valeur théorique
de 30°C, le réacteur doit être adiabatique.
Le bouton « Therm. » permet de régler le transfert thermique (pertes,
surface et coefficients)

36. Le bouton « Options » permet de choisir le modèle thermique utilisé.

37. Choisir par exemple le modèle « Adiabatique » et recommencer
l’expérience précédente. On devrait obtenir exactement 30°C!

38. Résumé de l’exercice:
Chauffage du réacteur
 Régler la consigne du TIC Chaud sur 50°C et la consigne du
TIC froid sur 55°C.
 Mettre les deux régulateurs en automatique et suivre leur
fonctionnement:
• débit et température entrée-sortie du fluide chaud (huile),
• flux échangés serpentin et double enveloppe.

39. Le réacteur est initialement à 28.5°C, les deux TIC en manuel vannes
fermées.

40. Réglage de la consigne du TIC froid à 55°C.

41. Réglage de la consigne du TIC Chaud à 50°C.

42. Passage en automatique du TIC Froid.

43. Passage en automatique du TIC Chaud.

44. Le TIC Chaud alimente en huile la double enveloppe.
Le TIC Froid ferme l’ER vers le serpentin.

45. Suivi de la montée en température du réacteur.

46. Lorsque la mesure dépasse la consigne, le TIC Chaud referme la vanne
d’huile.

47. La vanne d’huile est refermée, un dépassement de 3.2°C est observé.
C’est dû à l’inertie de la régulation et de la double enveloppe…

48. Le réacteur se refroidit par pertes thermiques. Il n’est ni chauffé,
ni refroidit, car sa température est dans la bande morte de 5°C.

49. Résumé de l’exercice:
Refroidissement du réacteur
 Régler la consigne du TIC Chaud sur 15°C et la consigne du
TIC froid sur 20°C,
 Suivre le fonctionnement des régulations:
• débit et température d'entrée sortie du fluide froid (eau),
• flux échangés serpentin et double enveloppe.
 Lorsque le réacteur est refroidit, vidanger.

50. Réglage de la consigne du TIC Chaud sur 15°C

51. Réglage de la consigne du TIC Froid sur 20°C.

52. Le TIC Froid alimente en ER le serpentin pour refroidir à 20°C.
Le TIC Chaud ferme l’entrée d’huile.

53. Suivi de la baisse de température du réacteur.

54. Flux de refroidissement par le serpentin.

55. La consigne de refroidissement est presque atteinte.

56. Lorsque la mesure est inférieure à 20°C, le TIC froid ferme la vanne
d’ER. Un dépassement de -3.9°C est observé (inertie TIC et serpentin).

57. Vidange du réacteur par la vanne de by-pass de la vanne de régulation
de niveau.

58. Vidange en cours du réacteur.

59. Les produits vidangés sont « séparés » dans ces bacs
par un « séparateur « virtuel.

60. On retrouve nos 8.0 kg de I et 2.0 kg de A chargés dans le réacteur.

61. Le réacteur est laissé vide, TICs en manuel et vannes d’ER et d’huile
fermées.

62. Conclusion de l’exercice:
On a vu au cours de cet exercice les points suivants:
 Chargement de quantité de produits par régulateurtotalisateur, avec quantité cible et rampe de consigne vers
consigne cible,
 Régulation de température du réacteur par action sur
double-enveloppe et serpentin, via deux régulateurs à
consignes décalées (bande morte),
 Régulation peu précise, liée au système considéré: inertie
des moyen de chauffage et de refroidissement, temps de
réponse des régulateurs PID…