Est nommée
condensation,
l'opération consistant à faire passer une substance de l'état gazeux à
l'état liquide. La condensation peut être totale, partielle,
fractionnée.
On trouve des opérations de condensation de vapeurs en
tête de colonne de distillation, mais aussi au refoulement d'éjecteurs,
de turbines, ou encore sur des effluents gazeux.
Condensation d'un corps pur
La
condensation d'un corps pur se produit à température constante pour une
pression donnée. Cela ne signifie pas que la vapeur passe
instantanément à l'état liquide dès que la température de condensation
est atteinte. Une certaine quantité de chaleur doit être éliminée. Ceci
dépend de l'efficacité de l'échangeur. En cas d'élimination partielle
de cette chaleur, seule une partie de la vapeur sera condensée.
Ceci
est bien représenté sur un diagramme Pression-Enthalpie. On peut y lire
l'enthalpie de la vapeur, du liquide et des mélanges de vapeur et de
liquide. La condensation à pression constante y est représentée par des
lignes parallèles à l'axe des enthalpies. A chaque pression une
température de condensation différente.
La chaleur de condensation
est la variation d'enthalpie entre l'état gazeux et l'état liquide.
Elle n'est pas constante quelle que soit la pression. Elle va en
diminuant quand pression et température augmentent, pour devenir nulle
au point critique. Pour des températures supérieures au point critique,
aucune condensation n'est plus possible quelle que soit la pression.
Condensation d'un mélange
La
condensation à pression constante d'un mélange, ne se produit pas à une
température constante. Il y a une température de début de
condensation (température de rosée) et une température de fin de
condensation (température de bulle car c'est aussi la température de
début d'ébullition).
Une
des plus compréhensibles représentation du comportement d'un mélange de
vapeurs dans le
condenseur est un diagramme de température de bulle et de rosée en
fonction de la composition. Dans le cas d'un mélange de deux composants
(mélange binaire),
se comportant comme un mélange idéal (sans azéotrope), le diagramme
aura l'aspect ci-contre.
L'état du mélange est défini par une
température et une composition. La vapeur alimentant le condenseur est
représentée par un point situé au dessus de la courbe de rosée si elle
est surchauffée, ou sur la courbe si elle est saturée. En se
refroidissant, le point représentant le mélange se déplace vers le bas.
A
chaque température correspond une composition du liquide condensé et
une composition de la vapeur restant à condenser et en équilibre avec
ce liquide.
Condensation totale
Si le
refroidissement est poursuivi jusqu'à disparition de la dernière
bulle de vapeur, la condensation est dite totale.
Si liquide et vapeur
sont maintenus en équilibre dans l'échangeur durant toute l'opération,
la température finale de condensation est fournie par la courbe de
bulle. C'est également la température à laquelle la première bulle de
vapeur apparait quand on chauffe le liquide de même composition. La
composition du liquide obtenu a naturellement la même composition que
la vapeur initiale.
Un tel fonctionnement peut généralement être obtenu en pratique, dans
un échangeur partiellement noyé.
Condensation partielle
Si
le refroidissement est stoppé avant la disparition de la dernière bulle
de vapeur, la condensation est dite partielle.
Les
compositions du liquide et de la vapeur sont différentes. Elles
dépendent de la température atteinte. Le liquide obtenu sera plus riche
que la vapeur en composant le moins volatil, tandis que la vapeur
restante sera plus riche que le liquide en composant le plus volatil.
Une telle situation peut être la conséquence de:
- une température insuffisament froide du fluide de
refroidissement
- une capacité d'échange thermique insuffisante du condenseur
Elle peut être volontaire pour recueillir préférentiellement sous forme
liquide le composant le moins volatil. C'est ce qu'on peut trouver en tête de certaines colonnes de distillation équipées d'un
déflegmateur.
Ce terme vient de la distillation des spiritueux, ou le flegme désigne
de l'eau sans intérêt gustatif, par opposition à l'alcool aromatique.
Le déflegmateur d'une colonne de distillation participe ainsi au reflux
établi dans la colonne.
Condensation fractionnée
Une
condensation fractionnée est une succession de condensations
partielles.
A chaque étape, liquide et vapeur sont séparés, et ne sont
plus en équilibre. La vapeur restant à condenser s'enrichi
progressivement en composant le moins volatil et voit sa température
finale de condensation s'approcher de celle du composant pur.
Ce
comportement peut être recherché dans le but de séparer les composants
pour recueillir le moins volatil sous forme liquide et le plus volatil
sous forme gazeuse.
Par contre si une condensation totale du mélange
est recherchée, ce comportement doit être évité. La température finale
de condensation étant plus basse que dans un comportement idéal sans
fractionnement, elle sera plus difficile à atteindre.
La
condensation fractionnée sera favorisée dans un échangeur horizontal
dans lequel le liquide tombe dans le fond tandis que le gaz chemine
horizontalement, ou mieux dans un échangeur vertical dans lequel les
vapeurs entrent par le bas du même coté que le liquide extrait
gravitairement, tandis que les vapeurs non condensées sont extraites en
tête.
La condensation fractionnée sera évitée dans un échangeur
vertical dans lequel les vapeurs entrent par le haut et le liquide
condensé est extrait par le bas. La condensation peut être opérée à
l'extérieur des tubes, ou mieux à l'intérieur . Dans ce dernier cas, le
fluide refroidissant coté calandre peut cheminer de bas en haut,
optimisant ainsi la différence de température entre fluides chaud et
froid.
Effet des incondensables
La
présence de gaz incondensable mélangé à la vapeur condensable abaisse
sa pression partielle. La température de condensation est donc
abaissée. L'écart avec la température du fluide refroidissant est
réduite, et la capacité de l'échangeur en est limitée. La capacité de
l'échangeur peut être restaurée par l'augmentation de la pression
totale. Ce mécanisme est mis en oeuvre dans la régulation de pression
des opérations impliquant la condensation de vapeurs (colonnes de
distillation par exemple).
Voir
aussi la page consacrée aux méthodes de régulation de
pression des distillations
La proportion de gaz incondensable
augmente dans le mélange avec l'avancement de la condensation qui fait
disparaitre les composants condensables. C'est donc la température
finale de condensation qui est la plus affectée par la présence
d'inertes. Ce type de condensation se rencontre en particulier dans les
opérations sous vide, dans lesquelles le condenseur voit passer l'air
qui pénètre par les fuites.
Pour obtenir une condensation maximum, on peut au choix:
-
refroidir le gaz extrait du condenseur dans un échangeur dédié
éventuellement alimenté par un fluide de refroidissement à plus basse
température que le fluide principal.
- réserver une partie du faisceau tubulaire au sous-refroidissement du gaz et
constituant la première passe du fluide de refroidissement (là ou il
est le plus froid) avant qu'il ne soit échauffé par la condensation
principale.
Chaleur de condensation
La
condensation de vapeurs nécessite de retirer de la chaleur (de
l'enthalpie) au mélange.
En toute rigueur, la quantité de chaleur à
retirer s'apprécie ne faisant la différence des enthalpies de la vapeur
initiale et du liquide final. Ceci permet de tenir compte aisément des
chaleurs de refroidissement des vapeurs et du liquide (aussi nommées
chaleurs sensibles).
Les chaleurs sensibles peuvent aussi être calculées séparément et
ajoutées à la chaleur de condensation. Cependant, la chaleur de
condensation seule étant très supérieure aux chaleurs sensibles, ces
dernières sont souvent négligées en première approximation.
La chaleur de condensation d'une
substance est égale à sa chaleur de vaporisation. Elle est aussi nommée
chaleur latente (L ou Lv).
Les
chaleurs de
vaporisation des composants sont souvent disponibles dans la
littérature. Parfois seule la chaleur de vaporisation à la température
normale d'ébullition est disponible. La relation empirique de Watson
permet raisonnablement de l'extrapoler à d'autres températures.
La chaleur de
vaporisation/condensation des corps purs peut aussi être déduite des
courbes de tension de vapeur en appliquant la relation de
Clausius-Clapeyron. Celle-ci est d'autant plus fiable que les valeurs
de P1 et P2 sont proches.
La chaleur de
vaporisation/condensation d'un mélange dit "idéal", est la somme,
pondérée par la
composition, des chaleurs de transition des composants. Si le mélange
ne peut pas être considéré comme idéal parce qu'une chaleur de mélange
existe, il est indispensable de faire appel à des tables enthalpiques
du mélange.
Courbe de condensation
En pratique la température de condensation est rarement constante. Elle
varie sous l'effet:
- de la perte de charge de l'échangeur dont l'effet est assez
sensible pour les opérations sous pression réduite,
- de la présence d'un mélange de composants dont les
volatilités sont différentes
- de la présence de gaz incondensable
Connaitre
l'évolution de cette température en fonction de quantité de chaleur
échangée est d'une importance capitale pour le dimensionnement des
échangeurs. La réquisition devra donc transmettre une courbe indiquant
la température de condensation en fonction de la chaleur échangée. La
perte de charge de l'échangeur n'étant connu qu'après le
dimensionnement de l'échangeur, la réquisition devra comporter
plusieurs courbes de condensation à différentes pressions, entre
lesquelles les valeurs effectives pourront être extrapolées.
Condensation de vapeurs très diluées
De
nombreuses opérations peuvent générer des flux de gaz incondensable
(air, azote, CO2, ...) entainant par tension de vapeur des composants
condensables (solvants, eau, combustibles, ...). Ces
substances
peuvent être toxiques ou polluantes. La règlementation peut imposer des
teneurs résiduelles limitées dans les effluents gazeux. La condensation
à basse température est souvent une solution pour parvenir au résultat
recherché.
La
température finale à atteindre dépend des substances
présentes. La concentration d'un composant (en fraction volumique),
dans le gaz sera le quotient de sa pression partielle sur la pression
totale du gaz. Si la substance est à saturation dans le gaz, sa
pression partielle sera égale à sa tension de vapeur à la température
de saturation. La température à atteindre sera cette température de
saturation, déterminée en tenant compte de la concentration maximale à
respecter.
Dans la plupart des situations industrielles, les
températures à atteindre sont du domaine de la cryogènie; les
températures accessibles sont -30°C avec un groupe frigorifique à
compression, ou -150°C par évaporation d'azote liquide.
La
température minimum à atteindre doit être soigneusement choisie en
fonction de la composition du gaz à traiter, afin d'éviter la formation
de phase solide (cristaux, hydrates) qui pourraient générer des
difficultés d'exploitation.
Dans ce type d'opération, la chaleur de
condensation des substances à extraire est souvent faible comparée à la
chaleur de refroidissement du gaz lui-même. La courbe de condensation
est alors souvent linéaire, comparable à celle décrivant le
refroidissement d'un gaz.
Débit de condensation
Le
débit de condensation sera le plus souvent limité par l'intensité du
transfert thermique. La surface d'échangeur nécessaire est fonction de:
- la différence de température avec le fluide refroidissant
- un coefficient global de transfert thermique
Ce
dernier varie grandement avec la nature des fluides en présence (état
gazeux, liquide, conductivité thermique, ...) et selon le type de
condensation. Classés par ordre décroissants d'efficacité:
Type de condensation:
- Vapeur pure d'une substance bon conducteur de chaleur (vapeur d'eau)
- Mélange de vapeurs
- Vapeurs diluées par un gaz incondensable
Type de refroidissement:
- Liquide en ébullition
- Liquide circulant bon conducteur thermique
- Liquide circulant conducteur thermique médiocre ou visqueux
- Gaz circulant
Pour
compenser une faible efficacité du transfert thermique, en particulier avec les gaz, la surface
d'échange peut être considérablement augmentée par l'utilisation de
tubes ailettés.
Quelques ordres de grandeur des coefficients globaux de transfert thermique qu'on peut attendre:
Type d'échange thermique |
Coef global de transfert (propre) (W/m²C)
|
condensation d'un corps pur refroidi par un liquide en
ébullition |
500-5000 |
condensation d'un corps pur ou d'un mélange refroidis
par un liquide en circulation |
500-3000 |
condensation d'une vapeur diluée par un gaz
incondensable, refroidi par un liquide |
300-1500 |
condensation d'une vapeur diluée par un gaz
incondensable, refroidi par un gaz |
100 |
condensation d'une vapeur diluée par un gaz
incondensable, refroidi par un gaz avec des tubes ailettés |
400-1000 (se rapporte à la surface de tube lisse) |
Ces coefficients globaux, ne tiennent pas compte d'un éventuel encrassement.
Mouillage de la surface de condensation
Pour se condenser, une vapeur doit céder sa chaleur à la surface froide qu'elle rencontre. Deux situations peuvent se présenter:
- le condensat mouille la surface
de condensation, c'est à dire qu'il forme un film continu de liquide;
par la suite, pour poursuivre la condensation des vapeurs, la chaleur
devra être transmise au travers du film liquide formé; la conductivité
thermique du film liquide est généralement plus faible que celle du
matériau constituant la surface d'échange (souvent un métal); le film
liquide aura donc l'effet d'un isolant thermique, réduisant la capacité
d'échange du condenseur.
- le condensat ne mouille pas la surface
de condensation, c'est à dire qu'il se rassemble en gouttes de liquide
qui se détachent lorsqu'elles deviennent trop grosses; une partie
importante de la surface d'échange reste libre de liquide, permettant
par la suite, aux vapeurs de bénéficier d'un transfert thermique optimum
Le
débit de condensation sur une surface non mouillée par le condensat
peut être plusieurs fois supérieur à ce qu'il sera si le condensat
mouille la surface.
Des traitements de la surface de condensation
peuvent être réalisés pour réduire leur mouillabilité par les
condensats; il convient cependant de vérifier leur résistance dans le
temps et s'ils ne génèrent pas de pollution rédhibitoire du condensat.
Par prudence le dimensionnement des condenseurs se fait en considérant la présence d'un film liquide sur la surface d'échange.