Utilisation d'un diagramme de phase pour les courbes de pression de vapeur

Utilisation d'un diagramme de phases pour les courbes de pression de vapeur

Karim Mahraz, chef de produit Swagelok, instrumentation analytique

Alors que les diagrammes de phase sont principalement utilisés par les chimistes dans des environnements de laboratoire, ces outils peuvent être étonnamment utiles pour les ingénieurs en mécanique et les directeurs d'usine chargés de l'analyse d'échantillons. Dans certains systèmes analytiques, un échantillon liquide doit être converti en gaz par vaporisation avant de pouvoir être analysé. La vaporisation est essentiellement un acte d'équilibre entre les variables de température, de pression et de débit - et les courbes de pression de vapeur d'un diagramme de phase permettent aux ingénieurs d'identifier les changements de phase pour des matériaux et des composés chimiques distincts.

Au fur et à mesure de votre lecture, un mélange gazeux hypothétique de 20 % d'hexane dans du pentane sera appliqué sous forme de diagramme de phase complet (voir le diagramme ci-dessous). Lorsque l'échantillon est au-dessus du point de bulle (ligne bleue), il sera entièrement en phase liquide. Un échantillon doit rester dans son état liquide lorsqu'il entre dans le vaporisateur. Lorsqu'un échantillon est en dessous du point de rosée (ligne d'or), tout est vapeur. L'échantillon doit être entièrement vapeur lorsqu'il quitte le vaporisateur.

Entre les lignes du point de bulle et du point de rosée se trouve la "zone interdite". Cette zone représente la plage d'ébullition de l'échantillon. Ici, le mélange est en deux phases :une partie liquide et une partie vapeur. Une fois qu'un échantillon tombe dans la zone interdite, il est fractionné et ne convient plus à l'analyse. L'objectif de la vaporisation est de régler la température, le débit et la pression de sorte que l'échantillon passe instantanément du côté liquide de la zone interdite au côté vapeur. Avec des échantillons purs et presque purs, il y a peu ou pas de plage d'ébullition ou de zone interdite. Les lignes de point de bulle et de point de rosée sont simplement superposées ou presque.

Les échantillons purs et presque purs se convertiront en vapeur de même composition, que ce soit par évaporation ou vaporisation. Certains échantillons industriels approchent ce niveau de pureté et se convertissent assez facilement. D'autre part, certains échantillons ont une plage d'ébullition ou une zone interdite si large qu'ils ne peuvent pas être vaporisés avec succès. Il n'y a aucun moyen pour ces échantillons de passer du côté liquide de la zone interdite au côté vapeur. Dans ce cas, les variables ne peuvent pas être manipulées pour éviter le fractionnement.

Dans le diagramme ci-dessus, la bande entre le point de bulle et le point de rosée est suffisamment étroite pour qu'avec les réglages appropriés, l'échantillon puisse effectivement passer du côté liquide de la zone interdite au côté vapeur. En même temps, la bande du diagramme est suffisamment large pour qu'on ne puisse pas se permettre d'être négligent.

Réglage de la température, de la pression et du débit

En continuant à travailler avec l'échantillon du diagramme (20 % d'hexane dans du pentane), les entrées doivent être habilement définies pour assurer une vaporisation réussie. En général, une haute pression et une basse température sont nécessaires à l'entrée. A l'inverse, en sortie, haute température et basse pression sont nécessaires. Il existe des limites quant à la valeur élevée et faible de ces paramètres, et toutes les contraintes ne peuvent pas être contrôlées.

1. Déterminez la pression d'entrée de votre vaporisateur

La pression d'entrée, qui est fixe, est la pression du procédé, à condition que le vaporisateur soit situé à proximité du robinet d'échantillonnage. Dans l'exemple de diagramme, cette pression est de 4 bars. Une pression plus élevée est meilleure car elle permet au vaporisateur de maintenir la température plus élevée sans faire bouillir le liquide entrant.

2. Définir la température d'entrée

Lors du réglage de la température d'entrée, il y a deux objectifs. Tout d'abord, la température doit être suffisamment basse pour que, lorsque l'échantillon entre dans le vaporisateur, il soit entièrement liquide. Dans l'exemple de diagramme, le point de bulle à 4 bar est de 88°C. Pour se prémunir du fractionnement, il est préférable de choisir un nombre rond suffisamment éloigné de 88°C pour éviter la zone interdite. Un exemple de température sans danger pourrait être de 80°C.

Le deuxième objectif est de maintenir la température suffisamment élevée pour contribuer au flashage complet de l'échantillon, en veillant à ce que seule la vapeur quitte le vaporisateur. Lors de la vaporisation d'un échantillon, la température chute conformément aux lois de la conservation de l'énergie. La température de l'échantillon doit être suffisamment élevée au départ pour qu'après la chute de pression l'échantillon ne tombe pas dans la zone interdite. Dans l'exemple de diagramme, la température de la vapeur après la chute de pression est de 60 °C, juste du côté vapeur de la ligne du point de rosée.

3. Définir la pression de sortie

Lors du réglage de la pression de sortie, l'objectif est de faire chuter la pression en dessous de la ligne de point de rosée. Dans l'exemple de diagramme, la pression de sortie est réglée sur 1,5 bar. Si la pression de sortie était plus élevée, l'échantillon ne se vaporiserait pas entièrement et se fractionnerait.

4. Définir le flux

Le débit est réglé en aval au niveau d'une vanne et d'un rotamètre, pas au niveau du vaporisateur. Dans un système d'échantillonnage, un débit de vapeur élevé est souhaitable car il déplace l'échantillon vers l'analyseur plus rapidement. Cependant, un débit élevé peut être problématique car il faut plus de chaleur pour vaporiser l'échantillon. En d'autres termes, un débit élevé entraîne une baisse de température plus importante au moment de la vaporisation. Dans l'exemple de diagramme, la ligne violette illustre la chute de température. Lorsque le débit augmente, la température baisse fortement.

Une autre variable influençant la chute de température est la capacité de transfert de chaleur du vaporisateur. Certains vaporisateurs sont construits de manière à ce que la chaleur soit transférée plus efficacement à l'échantillon. Lorsque l'échantillon liquide se transforme en vapeur et que sa température baisse, il tire la chaleur de l'acier inoxydable qui l'entoure. La question cruciale est de savoir avec quelle efficacité le vaporisateur peut remplacer la chaleur et la maintenir dans l'échantillon. Plus l'échantillon peut tirer de chaleur, moins sa température chute pendant la vaporisation. Dans certains cas, il est possible que le vaporisateur soit chaud au toucher à l'extérieur mais froid à l'intérieur. C'est parce que l'échantillon vaporisé tire une grande quantité de chaleur et que le vaporisateur ne peut pas transférer suffisamment d'énergie pour suivre le rythme. La meilleure solution est de réduire le débit.

En somme, la chute de température visualisée dans le diagramme est un produit du débit et de la capacité de transfert de chaleur du vaporisateur. Avec un vaporisateur de bonne qualité et un faible débit, la ligne du diagramme deviendra plus verticale. Malheureusement, il n'existe aucun moyen simple de calculer l'emplacement précis de la chute de température dans un diagramme de phase, et il ne peut être généré par aucun programme logiciel connu. En conséquence, la vaporisation implique une certaine approximation. En règle générale, maintenez le débit aussi bas que possible sans causer de retard inacceptable dans le temps de trajet de l'échantillon vers l'analyseur. Il est préférable de commencer avec un faible débit et d'expérimenter en l'augmentant plutôt que de commencer avec un débit initialement plus élevé.

Pour obtenir de l'aide supplémentaire sur les meilleures pratiques en matière d'instrumentation d'analyse et de système d'échantillonnage à l'aide de courbes de pression de vapeur à diagramme de phase, veuillez contacter votre centre de vente et de service Swagelok local.