Documentation technique

ALUMINIUM PECHINEY: PRODUCTION D'ALUMINE
Support
Alimentation d’une pompe
Compétences attendues
-
Définir la puissance nécessaire au procédé et Choisir le moteur
Choisir le variateur de vitesse
Rédiger les schémas électriques
Configurer le régulateur
Contenus
1.2.1 Actionneurs électromécaniques dédiés au déplacement de produit
1.6.1.2 Boucle de régulation
Documentation pédagogique
-
Boucle de régulation
Capteur de pression
Documentation technique
-
Courbes des caractéristiques des pompes SCHABAVER
Détermination des coefficients pour le calcul des pertes en charge
Régulateur 902/904
Capteur de pression SAMSON type media 6
Variateur de vitesse altivar 31
Conditions de réalisation
temps imparti : 4h
1 compte-rendu individuel
Fichier : pechiney 2009.doc
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ALUMINIUM PECHINEY: PRODUCTION D'ALUMINE
PRESENTATION GENERALE
ALUMINIUM PECHINEY GARDANNE produit des alumines métallurgiques nécessaires aux usines de
production d'aluminium et des alumines techniques dont les propriétés isolantes et abrasives les destinent
à être utilisées dans la fabrication de produits aussi différents que les céramiques, la pâte dentifrice, le
verre ... L'alumine produite se présente sous la forme de minuscules billes blanches (quelques dizaines de
microns de diamètre).
Mis au point pour la première fois au monde à GARDANNE en 1893 par un chimiste
autrichien, le procédé BAYER, du nom de son inventeur, est désormais universellement adopté. I1 utilise
comme matière première la bauxite, une roche sédimentaire renfermant naturellement 40 à 60%
d'alumine.
Le procédé BAYER consiste essentiellement à attaquer à haute température (250°C) et
haute pression (50 bars) cette bauxite finement broyée avec de la soude, pour en extraire l'alumine sous
forme hydratée. Cette alumine hydratée subit ensuite une série de transformations telles que le broyage,
ou une calcination par exemple pour donner des alumines métallurgiques ou techniques.
L’alumine métallurgique représente 40% de la production annuelle de l'usine, et sert à la
fabrication de l'aluminium dans les usines à électrolyse du groupe PECHINEY.
Les alumines techniques sont des alumines à fortes valeurs ajoutées et à haute conception
technologique. En pleine expansion, elles représentent 60% de la production annuelle.
PRINCIPE DU PROCEDE BAYER
Les deux opérations essentielles du cycle BAYER sont l'attaque et la décomposition.
L'attaque consiste en une dissolution dans de la soude de l'alumine contenue dans la
bauxite. Cette opération s'effectue à une température de 250°C et une pression de 50 bars.
Après avoir retiré les restes du minerai de l'aluminate de soude par filtration, l'opération
de décomposition consiste à séparer l'alumine et la soude, constituants del'aluminate de soude .
On procède à un refroidissement lent et contrôlé de l'aluminate de soude afin que se
constituent des grains d'alumines de quelques dizaines de microns au sein de cette solution.
On nomme cette opération la nucléation. Cette nucléation, pour une production
industrielle, ne peut s'effectuer que dans une solution contenant déjà une grande quantité de grains
d'alumine appelée amorce.
Il suffit ensuite de séparer la solution contenant des grains d'alumines suffisamment gros à l'aide
d'hydrocyclones puis d'en séparer le lait d' alumine et la soude à l'aide de filtres. Un hydrocyclone est une
buse à double sortie, une sortie pour la solution contenant les 'gros' grains d'alumine, l'autre pour la
solution contenant les 'petits' grains d'alumine.
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ANALYSE DU PROCESS DE DECOMPOSITION (cf. schéma de principe atelier de décomposition)
Le process de décomposition est constitué de 16 décomposeurs. Le pompage, pour alimenter la
batterie d'hydrocyclones, s'effectue depuis le décomposeur DP314 par une pompe immergée.
Le cycle de décomposition comprend:
- Le pompage depuis le décomposeur DP314, afin d'envoyer l'aluminate de soude décomposée en
entrée de la batterie d'hydrocyclones.
- Le contrôle de la pression en entrée d'hydrocyclones pour obtenir une bonne qualité et
un bon rendement de la production. Cette régulation de pression fait intervenir le capteur de pression
112PT242, le système de commande IAS et l'alimentation à vitesse variable du moteur de la pompe.
- La classification, réalisée par les hydrocyclones depuis lesquels les grosses particules
sont dirigées vers le filtre F16 et depuis lesquels les petites particules retombent par gravité dans le
décomposeur DP314.
- La dilution, en sortie d'hydrocyclones, pour faciliter l'écoulement en direction du filtre
F16, est contrôlée par la vanne 112DCV244 et le capteur de densité 112DE244.
- La filtration, réalisée par le filtre F16, et permettant de séparer l'alumine de la soude. La
soude, appelée filtrat, est récupérée dans le bac 113LE303 B et réutilisée dans le cycle par les pompes
lllFE121A, lllFE135A, lllFE132A, lllFE125A.La quantité d'alumine filtrée est contrôlée en agissant
sur le débit en entrée du filtre et sur le niveau de produit dans le filtre.
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- L'évacuation de l'alumine du process de décomposition est réalisée en diluant l'alumine
récoltée en sortie du filtre F16 par de l'eau appelée clair. Cette dilution est contrôlée par la vanne d'eau
113FVC345 et les capteurs de débit 113FE345 et de densité 113DE344. (voir schéma de principe de
l’atelier de décomposition)
Extraits du cahier des charges
- Objectifs de production
La production optimale nécessite de pouvoir fournir à la batterie d'hydrocyclones une solution à une
pression maximale de 1,5 bars et un débit d'entrée d'hydrocyclone maximal, appelé débit total de
suspension, de 350 m3/h.
- Contraintes d'environnement et de sécurité
La soude, présente dans tout le cycle, impose d'utiliser, pour les moteurs, les pompes, et la tuyauterie, des
carcasses en alliage de fer.
La continuité de service impose de doubler les pompes d'alimentation des hydrocyclones. Une pompe
principale sera installée sur le décomposeur DP314 et une pompe de secours sur le décomposeur DP308.
Chacune des pompes est alimentée par son propre variateur de vitesse.
Il est prévu de pouvoir commuter, chacun des deux variateurs sur l'une ou l'autre des pompes.
Cette extension est prévue dans les deux ans.
Le coffret électrique d'alimentation, pour des raisons d'environnement, sera éloigné du moteur, et seul un
coffret contenant un interrupteur sectionneur se trouvera à proximité du moteur de la pompe.
La mise sous et hors tension de l’alimentation de la moto-pompe se fait aux moyens 2 boutonspoussoirs. Un arrêt d’urgence « coup de poing » est installé à proximité de la pompe.
- Alimentation électrique
L'alimentation est du triphasé 3*400V+N+PE. Elle provient du réseau 6KV, produit par les groupes
thermiques de l'usine, ou par la ligne spéciale d'alimentation EDF.
Schéma des liaisons à la terre : Régime IT à neutre distribué
Caractéristiques du circuit de thrihydrate en entrée de cyclone
 densité moyenne = 1,451kg/dm3

pression = 1,5 bar + p atm.
 débit maximum envisagé = 350 m3/h
 longueur de la tuyauterie d'alimentation : l = 30m dont 7 coudes à 90° (R) non filetés
 diamètre du tuyau d'alimentation cyclone : D = 200mm
 dénivelé entre la pompe et l'entrée du cyclone = environ 5m
 dimension des grains d'alumines = quelques dizaines de microns
 rugosité relative = 0,1x10-3 (tuyau en acier)
 Re = 5000 (écoulement turbulent)
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Description fonctionnelle : (30min)
0.
-
Identifier les constituants de la boucle de régulation de pression sur le schéma ci-dessous :
capteur,
moteur,
pompe + circuit hydraulique,
variateur de vitesse,
régulateur.
Pression
consignes
opérateur
Traitement de l’information
Puissance
modulée
énergie
Traitement énergétique
matière d’oeuvre
Partie opérative
CHOIX DU MOTEUR DE LA POMPE DP314 (2 heures)
A partir des caractéristiques spécifiques imposées par le cahier des charges, des documents
Leroy-Sommer, choisir d'un point de vue technique et économique, dans la gamme optimale
d'utilisation, le moteur équipant la pompe du décomposeur DP314.
Rappel du problème posé: Pour un fonctionnement optimal, on doit alimenter la batterie
d'hydrocyclones en entrée, à pression constante. Pour cela on utilise une pompe centrifuge (un seul
sens de rotation) dont on fera varier la vitesse, autour du point de fonctionnement, afin de réguler la
pression en entrée des hydrocyclones.
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Le choix du moteur dépend:
- des caractéristiques couple/vitesse de sa charge, ici une pompe centrifuge,
- des caractéristiques de son alimentation électrique,
- de son environnement.
1. Déterminer la puissance hydraulique nécessaire:
On rappelle que la puissance hydraulique est égale à : Ph = Wh . Q . 
( : densité en kg/m3, Q : débit en m3/s et Wh : énergie hydraulique en j/kg)
De plus d'après le théorème de BERNOUILL I on a:
(p2  p1)
Wh 
 g.(h2 h1) 1 (v22 v12) pc

2
avec:
Rappel :
p2 = pression en sortie de pompe (Pa)
1 bar = 105 Pa
p1 = pression en entrée de pompe (Pa)
 = densité (kg/m3)
h2 = hauteur entre la sortie de la pompe et l’entrée des hydrocyclones
v2 = vitesse de la solution en sortie
h1 = hauteur de la solution en entrée de pompe (considérée nulle)
v1 = vitesse de la solution en entrée (considérée nulle)
pc = pertes en charges dans les tuyauteries
= pertes en charge dans les tuyauteries droites (pc1) + pertes en charge dans les coudes (pc2)
v2
K .v 2
pc  pc1  pc2  f .l.

2.D
2
avec
f : coefficient de frottement- entre le fluide et la
canalisation
v : vitesse du fluide dans les canalisations
D'après les données du cahier des charges, et le document sur les pertes en charge, déterminer la
puissance hydraulique maximale nécessaire.
A l’aide de l’abaque SCHABEVER, déterminer la vitesse et le rendement de la pompe.
2. En déduire la puissance et le couple utile du moteur.
3. En vous rendant sur le site LEROY SOMER , choisir le moteur d'après les données du cahier des
charges. Le moteur à sélectionner est un moteur asynchrone triphasé à cage pour variation de vitesse
avec carter en alliage d’aluminium (série LS MV).
4. Choisir le variateur de vitesse (Altivar 31)
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REDACTION DE SCHEMA (30’)
La mise sous tension du variateur de vitesse se fera par l’intermédiaire d’un contacteur (KM1)
commandé par les boutons poussoirs S1 et S2.
La consigne de pression est fixée au régulateur par action de l’opérateur sur un potentiomètre.
Le variateur de vitesse est commandé par un signal tension 0/10V fourni par le régulateur.
La pression mesurée est transmise au régulateur sous forme d’un signal 4/20mA fourni par le
transmetteur de pression.
5. Rédiger le schéma électrique de l’installation avec les protections nécessaires.
CONFIGURATION DU REGULATEUR (30’)
Problème posé :
6. A l’aide des documentations relatives au capteur de pression et au régulateur EUROTHERM 902903-904, spécifier en la justifiant la configuration matérielle à choisir.
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DOCUMENT REPONSE
L3
L2
L1
N
PE
L
Gnd
Régulateur
L1 L2 L3
A2
A3
LI1 LI2 LI3 LI4 24V
N H2 H4
~
Variateur de vitesse
U V W
+10 AI1 COM AI3 AI2
+
M
3~
C1
C2
C3
Capteur +
de
pression-
-