AGRÉGATION SESSION 2005 CONCOURS INTERNE Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE Option A :

AGRÉGATION SESSION 2005 CONCOURS INTERNE Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE Option A : ÉLECTRONIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE Option B : ÉLECTROTECHNIQUE ET ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ÉTUDE D’UN PROBLEME D’AUTOMATISATION DURÉE : 6 HEURES, COEFFICIENT : 1 Aucun document n'est autorisé. Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999) Convertisseur en Euro autorisé LAVEUR SUR CHAÎNE DE TRAITEMENT ÉLECTROLYTIQUE SARREL Ce sujet comporte 3 dossiers distincts :  Dossier de présentation, texte du sujet avec le travail demandé 11 pages  Documents annexes 24 pages  Documents réponses N°1 à 3 3 pages Ce sujet comporte trois parties indépendantes : Partie A : Etude du procédé de lavage des gaz. Partie B : Etude de la régulation de pH. Partie C : Etude de la régulation par automate. Une lecture préalable et complète du sujet est indispensable. Il sera tenu compte de la cohérence avec laquelle les candidats traiteront chaque partie, le jury préférant une réflexion d’ensemble de la partie abordée à un éparpillement des réponses. Les candidats sont invités à numéroter chaque page de leur copie et à indiquer clairement le numéro de la question traitée. Les candidats sont priés de rédiger les différentes parties du problème sur feuilles séparées et clairement repé- rées. Chaque question est identifiée par une police italique et repérées par un numéro. Il leur est rappelé qu’ils doivent utiliser les notations propres au sujet, présenter clairement les calculs et déga- ger ou encadrer tous les résultats. Tout résultat incorrectement exprimé ne sera pas pris en compte. En outre les correcteurs leur sauront gré d’écrire lisiblement et de soigner la qualité de leur copie. Il sera tenu compte de la qualité de rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le correcteur attend des phrases complètes respectant la syntaxe de la langue française. Pour la présentation des applications numériques, il est rappelé que lors du passage d’une forme littérale à son application numérique, il est recommandé aux candidats de procéder comme suit : - après avoir rappelé la relation littérale, chaque grandeur est remplacée par sa valeur numérique en res- pectant la position qu’elle avait dans la relation puis le résultat numérique est donné sans calculs intermé- diaires et sans omettre son unité. Si le texte du sujet, de ses questions ou de ses annexes, vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, il vous est demandé de la (ou les) mentionner explicitement dans votre copie. 199 LAVEUR SUR CHAÎNE DE TRAITEMENT ÉLECTROLYTIQUE SARREL Contexte industriel La société SARREL, située à Marolles-les-Braults (Sarthe), est leader européen en métallisation élec- trolytique sur matières plastiques. Sa capacité de production est de 800 000 m2 par an. Elle emploie 470 personnes. Ces principaux secteurs d’activité sont l’automobile (pièces décoratives ou techniques) et la parfumerie (flacons et bouchons). Description du procédé Le traitement sur matière plastique s’effectue en deux phases : - la première phase est chimique et consiste à effectuer un satinage (attaque de la surface de la pièce pour la rendre rugueuse et adhérente) puis un nickelage ou cuivrage chimique pour obtenir une pièce conductrice. - la seconde phase est électrolytique et consiste à déposer, par électrolyse, différentes pellicules de cuivre, nickel et chrome sur la pièce devenue conductrice. Une chaîne de traitement de surface peut se résumer succinctement à des bains chauffés (attaque acide ou électrolyse) dans lesquels on vient déposer des pièces au moyen de robots manipulateurs. La succession des opérations à réaliser est gérée par un automate, lui-même piloté par un progiciel de trai- tement de surface. Rôle et principe de fonctionnement des laveurs de gaz Les divers bains, chauffés à des températures allant de 25 à 60°C, émettent des vapeurs qui, pour des raisons évidentes d’hygiène du travail (INRS ED651), sont collectées puis traitées (norme environ- nementale ISO 14 001) avant d’être rejetées dans l’atmosphère. Cette opération est réalisée au moyen de laveurs de gaz. Le système de lavage de gaz est constitué de dispositifs de captage au niveau des cuves, d’un venti- lateur extracteur et d’un laveur. La description matérielle du système et son synoptique vous sont donnés à l’annexe 1. Les laveurs de gaz à pulvérisation, permettent de traiter une très grande surface de contact entre le liquide et le gaz (environ 50 000 m2/m3), par le biais d'une pulvérisation très fine. Ceux-ci peuvent être soit verticaux soit horizontaux (choix fonction de l’encombrement). Ces laveurs sont conçus pour traiter des débits jusqu’à 142 000 m3/h. Les polluants sont captés au plus près de leur point d’émission avant qu’ils ne pénètrent dans la zone respiratoire des travailleurs et avant qu’ils ne soient disséminés dans toute l’atmosphère de l’atelier. Le ventilateur aspire les vapeurs polluées au travers du laveur. Celles-ci traversent une pulvérisation très fine qui capture les substances toxiques. L’eau de lavage est en circuit fermé, une pompe de lavage permet d’amener celle-ci au niveau des buses d’aspersion. La neutralité de la solution de lavage est obtenue par ajout d’un réactif. Du point de vue des laveurs de gaz, les bains de traitement sont regroupés par type d’émanations émises, globalement acide ou globalement basique. De ce fait, un laveur dédié à un groupe de bains dont les émanations sont acides, aura un réactif basique (exemple : lessive de soude). 200 Ventilateur Laveur de gaz Contraintes a- Ventilation des bains de traitement La ventilation des bains est à réaliser selon les recommandations INRS ED 651 (tableau 1, annexe 2). Les aspirations au niveau des bains peuvent être unilatérales ou bilatérales. b- Rejet gazeux en sortie Les normes environnementales fixent, par arrêté préfectoral, les valeurs limites d’émission de diffé- rents types de gaz (tableau 2, annexe 2). But de l’étude Le problème qui est présenté traite du procédé de lavage des gaz et de la mise en œuvre de la régu- lation de pH d’un laveur dans son contexte industriel ainsi que de sa transposition didactique. 201 PARTIE A A ÉTUDE DU PROCÉDÉ DE LAVAGE DE GAZ A.1 Dimensionnement du procédé de lavage L’étude porte sur la collecte et le lavage des gaz émis par les bains 52 à 57 de la chaîne de traite- ment électrolytique (figure 1, annexe 2). A.1.1 Détermination de la taille du laveur A.1.1.1 Calculer le débit minimal d’aspiration à mettre en oeuvre pour se conformer aux re- commandations de l’INRS ED 651. A.1.1.2 Déterminer la taille mini du laveur, en vous référant à sa documentation constructeur (annexe 3). A.1.2 Vérification du dimensionnement du ventilateur Les vapeurs des bains 52 à 57 sont collectées par un réseau dont la représentation schématique est donnée en annexe 4. En première approximation, les pertes de charges ∆P de l’ensemble « laveur + réseau » peuvent se mettre sous la forme , où ∆P représente les pertes de charges expri- mées en Pascal (Pa) et Q le débit d’air en m 2 Q P × = ∆ α 3/s. A.1.2.1 En vous référant aux caractéristiques données à l’annexe 4, déterminer les pertes de charges de l’ensemble « laveur + réseau » en considérant un débit nominal de Q = 45 000 m3/h. A.1.2.2 Le ventilateur installé est du type VCP 900 (annexe 3), représenter la caractéristique du réseau sur le document réponse 1 et préciser si le ventilateur choisi permet un fonctionnement correct de l’installation. A.1.2.3 Le ventilateur est entraîné par un moteur à deux vitesses de type Dahlander LS 200 L dont les caractéristiques sont données à l’annexe 5. L’accouplement se fait au moyen d’un dispositif à courroies de rapport de réduction de 0,5 et de rendement 90%. La pe- tite vitesse est utilisée les jours de non production pour des raisons économiques. Eva- luer le gain énergétique sur 24 h. A.2 Étude succincte de la réaction chimique Les vapeurs acides, en traversant les « rideaux » d’eau du laveur, cèdent leur acidité à l’eau de la- vage suivant la relation suivante : − + + → + Cl O H H HCl 3 20 Le d’une solution acide ( ) est relié à la concentration en ions par la formule : pH 7 < pH + O H 3 [ ] + − = O H pH 3 log , où [ ] + O H 3 représente la concentration molaire, c’est à dire le nombre de moles d’ions par litre de solution. + O H 3 Le d’une solution basique ( ) est relié à la concentration en ions par la formule : pH 7 > pH − OH [ ] − + = OH pH log 14 . A titre d’information, on rappelle que la mole est une quantité équivalant à . 23 10 023 , 6 × A.2.1 Étude de la concentration A.2.1.1 Calculer la concentration molaire pour les 3 valeurs de : 4, 5, 6. pH A.2.1.2 Tracer, sur le document réponse 1, la courbe du en fonction de la concentration molaire (On ne fera apparaître que la portion entre pH 4 = pH et ). Conclure quant à la linéarité du système. 6 = pH Pour une régulation aux uploads/Industriel/ sujet-automatique-2005.pdf

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