Durant
les opérations discontinues en batch, il est fréquent d'alterner
chauffage et refroidissement dans un même équipement tel qu'un
réacteur. Pour cela on peut utiliser successivement différents fluides
dédiés au chauffage ou au refroidissement tels que vapeur, eau, saumure. Cependant:
-
Les caractéristiques de ces différents fluides peuvent être si
différentes, que le contrôle précis des conditions opératoires peut
s'avérer difficile.
- Une fraction des fluides chauds et froids seront inévitablement mélangés et cela ne doit pas provoquer d'inconvénient
- Des chocs thermiques peuvent se produire qui peuvent être dramatiques pour des équipements émaillés.
- Le temps nécessaire pour changer de fluide peut être une perte de temps de production.
C'est pourquoi l'utilisation d'un fluide unique dont on peut moduler la température (mono fluide) est une solution souvent préférée.
Arrangements possibles du mono fluide
Chauffage et refroidissement directs
Différents
circuits primaires d'un fluide unique, sont maintenus à différentes
températures
(très chaud, chaud, froid, très froid, ...).Un fluide thermique
identique, constituant un circuit secondaire, circule dans la double
enveloppe ou les demi-coquilles tapissant la paroi du réacteur. Pour
chaque utilisateur, un circuit secondaire avec pompe de circulation
assure un débit constant vers l'équipement. Le système de régulation de
la température du système secondaire ou de l'équipement ajuste les
injections de fluide depuis le circuit primaire approprié dans le
circuit secondaire.
Si
le fluide thermique est l'eau, le fluide primaire très chaud peut être
de la vapeur, injectée dans l'eau à chauffer au moyen d'un injecteur
approprié pour éviter les coups de bélier.
Chauffage indirect et refroidissement direct
Le
chauffage du fluide circulant sur l'appareil est assuré par un échangeur alimenté en vapeur par exemple, tandis que le
refroidissement est assuré par injection de fluide froid.
Cette
configuration assure une réponse rapide en cas de besoin de
refroidissement. L'échangeur de chauffage du fluide en circulation doit
être de capacité suffisante comparée à la capacité de transfert du
réacteur lui-même, pour ne pas être l'élément limitant.
Le circuit du fluide en circulation doit permettre une variation de volume dûe aux variations de température.
L'utilisation
d'un circuit de by-pass de l'échangeur permet maintenir ce dernier en
situation permanente de chauffage maximum (alimentation en vapeur
grande ouverte par exemple), et ainsi réduire le temps de réponse en
cas de besoin de chauffage.
Chauffage et refroidissement indirect
La
température du fluide circulant sur l'équipement est ajustée au moyen
de deux échangeurs dédiés l'un au chauffage et l'autre au
refroidissement.
Le
temps de réponse du système aux changements de température est
amélioré en ménageant des by-pass des échangeurs pour réduire l'effet
de l'inertie thermique des échangeurs. Des vannes trois voies peuvent
par exemple orienter le fluide selon le besoin soit vers l'échangeur
soit vers son by-pass.
La
température interne du réacteur pourra avantageusement commander la
température du fluide thermique, elle-même régulée en agissant en
split-range sur les vannes ajustant le chauffage et le refroidissement.
Les
températures des fluides chauffant et refroidissant doivent être
ajustés aux températures critiques du fluide thermique afin d'éviter sa
cristallisation dans l'échangeur dédié au refroidissement ou son
ébullition ou dégradation dans l'échangeur dédié au chauffage.
La conception du circuit doit permettre l'expansion thermique du fluide.
Choix du fluide thermique
Le choix du fluide sera fait en fonction du niveau de température visé.
Eau et solutions aqueuses
L'eau présente de
nombreux avantages (pas de toxicité, ininflammable, bon transfert
thermique, ...) mais offre une plage de températures assez réduite (0 à
100°C à pression atmosphérique, 0 à 180°C en circuit pressurisé)
L'eau glycolée permet d'étendre la plage des basses température jusque -30°C
Fluides organiques
Les
fluides organiques sont nombreux et sont la propriété du fournisseur.
Ils permettent des plages de température aussi larges que -50°C à 400°C.
Ils
sont souvent inflammables, peuvent être malodorants, et peuvent se
dégrader sous l'effet d'une température excessive et prolongée. Tout
doit être mis en oeuvre pour éviter les fuites (raccordements
surdimensionnés, pompes étanches, ...).
La présence accidentelle
d'eau dans le circuit peut avoir des effets dramatiques (surpressions
et coups de béliers dûs à la formation de poches de vapeur). Une
attention particulière doit être apportée aux opérations de séchage
avant remplissage, et au design des échangeurs de refroidissement à
l'eau.
Sels fondus
Jusqu'à
une température de 500°C des sels fondus peuvent être utilisés pour
assurer le chauffage ou le refroidissement. Le plus courant d'entre eux
est le mélange de nitrate et de nitrite de sodium et potassium, liquide
à partir de 140°C.
Propriétés des fluides caloporteurs
La
base de données et bibliothèque de programmes de calcul de propriétés
physiques CoolProp donne accès à toutes les propriétés physiques utiles
pour un grand nombre de fluides utilisables comme fluide caloporteur.
La documentation est disponible à l'adresse suivante
www.coolprop.org.
Un classeur de feuilles de calcul sur tableur utilisant cette bibliothèque est disponible
ici.