Condensation des vapeurs

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.