MODULE REACTEUR. Chimie industrielle. Bilan thermique. Chauffer, refroidir. Guide TP «étude du chauffage et du refroidissement d un réacteur»

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1 MODULE REACTEUR Chauffer, refroidir Guide TP «étude du chauffage et du refroidissement d un réacteur» 1 / 31

2 Guide TP «étude du chauffage et du refroidissement d un réacteur» SOMMAIRE Objectifs de la séance et travail à effectuer 3 page Utilisation du simulateur 3 Fiche 1 Découverte de quelques systèmes de chauffage et 12 de refroidissement Fiche 2 Pour aller plus loin, collecte des données 18 Fiche 3 Pour aller plus loin, 26 Exploitation des données et analyse des résultats 2 / 31

3 Objectif de la séance et travail à effectuer Il s agit d identifier les éléments qui ont une influence sur le temps de chauffage ou de refroidissement d une cuve agitée. Cette recherche est effectuée grâce à un simulateur dont le fonctionnement est décrit cidessous. La découverte de quelques système de chauffage et de refroidissement est décrite dans la fiche 1. La fiche 2 décrit le travail de collecte des données pour approfondir la découverte. La fiche 3 décrit le travail d exploitation et d analyse des résultats. Utilisation du simulateur Une étude du temps de chauffage ou de refroidissement de la cuve se fait en trois étapes : - 1) choix du type d opération, - 2) paramétrage de l appareillage, - 3) lancement de l opération (traceur). Ces trois étapes sont décrites plus précisément ci-dessous. 1 ère étape, choix du type d opération Vous choisissez ici l opération que vous allez étudier : - chauffage : chauffage du contenu de la cuve de 40 à 90 C, - refroidissement modéré : refroidissement du contenu de la cuve de 90 à 40 C, - refroidissement fort : refroidissement du contenu de la cuve de 55 à 5 C. Le choix d un type d opération entraîne directement le passage à l étape suivante! Vous remarquerez que l augmentation ou la diminution de température du contenu de la cuve est toujours la même : 50 C. La figure 1 présente l écran de choix du type d opération. 3 / 31

4 Figure 1 Ecran pour le choix du type d opération 2 ème étape, paramétrage de l appareillage Une fois le type d opération choisi, vous devez configurer votre appareil : - définir la technologie de chauffage ou refroidissement, - définir le type de milieu sur lequel vous opérez, et le type de mobile d agitation, - définir le type de caloporteur pour cette opération, - définir le matériau (acier, acier inox, ). Ces choix se font grâce à des menus déroulant.! Attention! Toutes les configurations ne sont pas possibles : - Il n est pas possible de travailler avec un serpentin interne en acier émaillé, - Il n est pas possible de travailler avec une cuve en cuivre lorsqu on prévoit d utiliser une double enveloppe ou un serpentin externe, dans le cas d un chauffage par induction, le choix du caloporteur disparaît, - Il est conseillé de paramètrer l appareillage en commençant par le choix de la technologie, c est cet élément qui amène le plus de contraintes. 4 / 31

5 La figure 2 rassemble les différentes possibilités pour chaque élément. Pour passer à l étape 3 (lancement de l opération) il suffit de cliquer sur «Chauffer» ou sur «Refroidir». Figure 2 Ecran pour la paramétrage du système (les différentes possibilités de choix pour chaque élément ont été rassemblées) 3 ème étape, lancement de l opération (traceur) Pour lancer l opération de chauffage ou de refroidissement, il vous suffit de cliquer sur «Chauffer» ou sur «Refroidir» dans l écran de paramétrage. Vous arrivez alors sur un écran du type de celui de la figure 3 qui présente l évolution des températures du système que vous avez configuré. 5 / 31

6 Figure 3 Ecran pour l évolution des températures 6 / 31

7 Utilisation de l écran du traceur Les températures enregistrées La figure 4 vous indique comment situer les températures enregistrées sur le réacteur. Température dans la cuve : Tr, Températures d entrée des caloporteurs liquides T1, Températures de sortie des caloporteurs liquides T2, Températures d entrée de la vapeur T2 (la température de sortie de la vapeur est égale à la température d entrée). température dans la cuve (Tr) température du caloporteur (T2) température du caloporteur (T1) Figure 4 Les températures enregistrées Le réticule En cliquant en un point quelconque de la zone de tracé, vous faites apparaître un réticule qui vous permet de retrouver pour le temps choisi, les valeurs des températures enregistrées La figure 5 précise ces éléments. 7 / 31

8 le réticule Informations qui correspondent au réticule Figure 5 Le réticule et les informations correspondantes Echelle de temps du traceur La largeur du traceur permet d afficher un graphe d une cinquantaine de minutes. L échelle de temps est divisée en plages de temps d une trentaine de minutes. Il est possible de se déplacer de plage en plage au moyen des flèches du traceur comme décrit sur la figure 6. 8 / 31

9 remise à zéro de l affichage première plage de temps plage de temps précédente dernière plage de temps plage de temps suivante Figure 6 Déplacement de plage de temps en plage de temps Le rappel de la configuration La configuration est rappelée au bas du cadre (cf. figure 7). Figure 7 Le rappel de la configuration 9 / 31

10 Accélérer, Ralentir Par défaut l horloge tourne 20 fois plus vite que le temps normal. Il est possible d accélérer encore l horloge et de tourner environ 40 fois plus vite que le temps normal en cliquant sur «Accélérer». Il est possible de revenir ensuite à une horloge qui tourne 20 fois plus vite que le temps normal en cliquant sur «Ralentir» Navigation Depuis l écran du traceur, le retour au paramétrage du système se fait en cliquant sur «Paramétrer le chauffage» Depuis l écran du traceur, le retour au choix du type d opération se fait en cliquant sur «Retour au choix de TP» 10 / 31

11 Navigation dans le simulateur La figure 8 regroupe les éléments qui permettent la navigation entre les trois étapes. Sortie du TP Etape 1 choix du type d opération Sortie du TP Etape 2 configuration de l appareillage Sortie du TP Etape 3 lancement de l opération Figure 8 Résumé des éléments de navigation 11 / 31

12 Fiche 1 Découverte des quelques systèmes de chauffage et de refroidissement Vous allez observer l évolution des températures pour les systèmes décrits ci-dessous, vous compléterez les tableaux et vous analyserez les résultats obtenus en vous aidant des questions posées. 1 er cas : chauffage à la vapeur Configuration Relevés technologie matériau milieu / agitation Caloporteur DE acier Organique / hélice vapeur Température T2 (entrée du calo.) T2-T1 Pour Tr =60 C T2-T1 Pour Tr =80 C T2-T1 Pour Tr =90 C Temps pour atteindre Tr= 90 C Remarque : Le temps pour atteindre Tr = 90 C correspond au temps relevé à l aide du réticule pour Tr 90 C diminué de 2 minutes, qui correspondent au palier de température au début de l opération. Ce palier se retrouvera dans toutes les opérations de chauffage ou de refroidissement que vous effectuerez. 12 / 31

13 2 ème cas : chauffage à la l eau pressurisée Configuration Relevés technologie matériau milieu / agitation Caloporteur DE acier Organique / hélice Eau pressurisée Température T1 (entrée du calo.) T1-T2 Pour Tr =60 C T1-T2 Pour Tr =80 C T1-T2 Pour Tr =90 C Temps pour atteindre Tr= 90 C 3 ème cas : chauffage au gilotherm Configuration Relevés technologie matériau milieu / agitation Caloporteur DE acier Organique / hélice Gilotherm Température T1 (entrée du calo.) T1-T2 Pour Tr =60 C T1-T2 Pour Tr =80 C T1-T2 Pour Tr =90 C Temps pour atteindre Tr= 90 C 13 / 31

14 4 ème cas : refroidissement modéré à la l eau pressurisée Configuration Relevés technologie matériau milieu / agitation Caloporteur DE acier Organique / hélice Eau pressurisée Température T1 (entrée du calo.) T1-T2 Pour Tr =70 C T1-T2 Pour Tr =50 C T1-T2 Pour Tr =40 C Temps pour atteindre Tr= 40 C 4 ème cas : refroidissement modéré au gilotherm Configuration Relevés technologie matériau milieu / agitation Caloporteur DE acier Organique / hélice Gilotherm Température T1 (entrée du calo.) T1-T2 Pour Tr =70 C T1-T2 Pour Tr =50 C T1-T2 Pour Tr =40 C Temps pour atteindre Tr= 40 C 14 / 31

15 ANALYSE DES RESULTATS 1) Chauffage à la vapeur Vous remarquerez que la température de sortie de la double-enveloppe est égale à la température d entrée de la vapeur. Comment expliquez-vous ce phénomène? L appareil situé sur la ligne de sortie de la double enveloppe est un purgeur. Quel est le rôle de ce purgeur? La situation décrite ici est une situation «idéale» : - le vapeur qui entre dans la double enveloppe est une vapeur «saturante», - il n y à pas de refroidissement ni de détente des condensats en sortie de double enveloppe après le purgeur. Si vous avez des systèmes de chauffage à la vapeur sur votre unité, retrouvez-vous une température de sortie approximativement égale à la température d entrée de la doubleenveloppe? Si ce n est pas le cas, renseignez-vous pour expliquer un écart important. 15 / 31

16 2) Chauffage ou refroidissement par des caloporteurs liquides Vous remarquerez d abord que dans le cas du chauffage ou du refroidissement par des caloporteurs liquides, les entrées et sorties de double-enveloppe sont inversées par rapport à celle du chauffage à la vapeur. Comment expliquez-vous cela? Contrairement au chauffage à la vapeur, dans le cas de chauffage ou de refroidissement par des caloporteurs liquides, la température de sortie du caloporteur (T2) n est pas égale à la température d entrée. Comment expliquez-vous cela? L écart entre température d entrée et température de sortie situe la quantité de chaleur perdue ou gagnée par le caloporteur (respectivement dans le cas du chauffage et dans le cas du refroidissement). Observez d abord les écarts relevés pour l eau pressurisée dans le cas du chauffage et du refroidissement. La comparaison de ces écarts est-elle en accord avec les temps de chauffage et de refroidissement? 16 / 31

17 Observez de la même manière les écarts relevés pour le gilotherm dans le cas du chauffage et du refroidissement. La comparaison de ces écarts est-elle en accord avec les temps de chauffage et de refroidissement? Comparez maintenant chauffage ou refroidissement à l eau pressurisée avec chauffage ou refroidissement au gilotherm. Quelles sont vos conclusions? 17 / 31

18 Fiche 2 Pour aller plus loin, Collecte des données Cette fiche 2 vous permettra d aller plus loin dans votre analyse des différents systèmes de chauffage et de refroidissement. Un système de chauffage ou de refroidissement résulte du choix sur plusieurs éléments : - un matériau, - une technologie, - un caloporteur, - un milieu à chauffer ou refroidir, - un mobile d agitation. Ces différents éléments entrent chacun pour une part plus ou moins importante dans les performances globales du système, la performance pouvant être évaluer par le temps mis pour chauffer ou refroidir. Vous allez découvrir l impact des différents éléments sur les performances du système global. Attention, il ne s agit pas ici de faire un classement des différents systèmes de chauffage et de refroidissement. En effet, bien d autres critères entrent dans les choix évoqués plus haut qui ont parfois le pas sur le temps de chauffage ou de refroidissement, comme la résistance à la corrosion, la capacité à travailler sur de grandes plages de températures, 18 / 31

19 1) Influence du matériau sur les performances du système 1 er cas : chauffage à l eau pressurisée dans un serpentin extérieur Module Réacteurs Configuration technologie milieu / agitation Caloporteur Serpentin extérieur Organique / hélice Eau pressurisée Relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C Matériau Température T1 (entrée du calo.) T2 Tr Temps pour atteindre Tr Acier Acier inoxydable Astelloy Acier émaillé 19 / 31

20 2 ème cas : chauffage à la l eau pressurisée dans un serpentin intérieur Configuration technologie milieu / agitation Caloporteur Serpentin intérieur Organique / hélice Eau pressurisée Relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C Matériau Température T1 (entrée du calo.) T2 Tr Temps pour atteindre Tr Acier Acier inoxydable Astelloy Cuivre 20 / 31

21 2) Influence du caloporteur et de la technologie Module Réacteurs 1 er cas : chauffage par double enveloppe sur une cuve en acier inoxydable Configuration technologie milieu / agitation matériau DE Organique / hélice Acier inoxydable Relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C Caloporteur Température d entrée du caloporteur Température de sortie du caloporteur Tr Temps pour atteindre Tr Vapeur Eau pressurisée Eau glycolée Gilotherm 21 / 31

22 2 ème cas : chauffage par serpentin externe sur une cuve en acier inoxydable Configuration technologie milieu / agitation matériau DE Organique / hélice Acier inoxydable Relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C Caloporteur Température d entrée du caloporteur Température de sortie du caloporteur Tr Temps pour atteindre Tr Vapeur Eau pressurisée Eau glycolée Gilotherm 22 / 31

23 3) Influence du caloporteur et de la température Module Réacteurs Configuration caloporteur milieu / agitation matériau Eau glycolée Organique / hélice Acier inoxydable 1 er cas : chauffage : relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C Technologie Température T1 (entrée du calo.) T2 Tr Temps pour atteindre Tr DE Serpentin externe Serpentin interne 23 / 31

24 2 ème cas : refroidissement modéré : relevés pour un refroidissement de 90 C à 40 C (même caloporteur, même milieu, même matériau) : Technologie Température T1 (entrée du calo.) T2 Tr Temps pour atteindre Tr DE Serpentin externe Serpentin interne 3 ème cas : refroidissement fort : relevés pour un refroidissement de 55 C à 5 C (même caloporteur, même milieu, même matériau) : Technologie Température T1 (entrée du calo.) T2 Tr Temps pour atteindre Tr DE Serpentin externe Serpentin interne 24 / 31

25 4) Influence du milieu et de l agitation chauffage par double enveloppe à la vapeur sur une cuve en acier inoxydable Configuration technologie caloporteur matériau DE Vapeur Acier inoxydable Relevés pour un chauffage de 40 à environ 90 C milieu Température T2 (entrée du calo.) T1 Tr Temps pour atteindre Tr Aqueux / hélice Organique / hélice Organique / impeler Visqueux / impeler Visqueux / ruban hélicoïdal 25 / 31

26 Fiche 3 Pour aller plus loin, exploitation des données et analyse des résultats 1) Influence du matériau sur les performances du système En comparant les temps de chauffage du liquide organique dans le réacteur équipé d un serpentin externe (1 er cas), pouvez-vous «classer» les matériaux par ordre décroissant de performance? Le plus performant (celui qui conduit le mieux la chaleur) Le moins performant (celui qui conduit le moins bien la chaleur) 26 / 31

27 En comparant les temps de chauffage du liquide organique dans le réacteur équipé d un serpentin interne (2 ème cas), pouvez-vous «classer» les matériaux par ordre décroissant de performance? Le plus performant (celui qui conduit le mieux la chaleur) Le moins performant (celui qui conduit le moins bien la chaleur) Pour un même matériau, les résultats ne sont pas les mêmes pour les deux technologies. Avez-vous une explication? Malgré tout, les résultats sont-ils cohérents d une technologie à l autre si vous comparez les deux classements. 27 / 31

28 Pouvez-vous rassembler l ensemble des matériaux dans un même classement? Le plus performant (celui qui conduit le mieux la chaleur) Le moins performant (celui qui conduit le moins bien la chaleur) 28 / 31

29 2) Influence du caloporteur et de la technologie Il est possible de distinguer la vapeur des autres caloporteurs. Dans le cas des caloporteurs liquides, les conditions de circulation du caloporteur, et en particulier la vitesse de circulation, ont une grande importance sur les performances du chauffage ou du refroidissement (plus le fluide circule vite, plus le transfert de chaleur est efficace), ce n est pas le cas de la vapeur. Comparez les temps de chauffage obtenu pour les différents caloporteurs et pour les deux technologies, complétez le tableau ci-dessous à partir de vos résultats. Caloporteur Temps de chauffage de 40 C à 90 C Double enveloppe Serpentin extérieur Vapeur Eau pressurisée Eau glycolée Gilotherm L évolution des temps de chauffage est-elle la même pour tous les caloporteurs? Avez-vous une explication? 29 / 31

30 3) Influence du caloporteur et de la température La température moyenne du caloporteur a-t-elle une influence sur les performances de chauffage ou de refroidissement? Rassemblez les résultats obtenus dans la fiche 2 dans le tableau ci-dessous. Technologie Chauffage Temps pour le chauffage ou le refroidissement Refroidissement modéré Refroidissement fort Double-enveloppe Serpentin extérieur Serpentin intérieur Comment évoluent les performances de transfert de l eau glycolée avec la température? Sur quel type de technologie cela est-il le plus sensible? 30 / 31

31 4) Influence du milieu et de l agitation Module Réacteurs Comparez les temps de chauffage pour le milieu aqueux agité par une hélice et le milieu organique agité par une hélice! Attention! Contrairement à ce que les temps de chauffage indiquent, le milieu organique est plutôt plus difficile à chauffer que le milieu aqueux! La différence des temps de chauffage provient du fait qu il faut beaucoup moins de chaleur pour porter une quantité de fluide organique de 40 C à 90 C que pour porter une même quantité d eau de 40 C à 90 C! En comparant les temps de chauffage du fluide organique agité par une hélice puis par un impeler, et du fluide visqueux agité par un impeler puis par un ruban hélicoïdal, vous pourrez constater l influence du mobile d agitation sur les performances du chauffage. 31 / 31