Système monofluide

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.