Exploiter les diagrammes de phases pour prédire avec précision les courbes de pression de vapeur

Utiliser un diagramme de phases pour les courbes de pression de vapeur

Karim Mahraz, Chef de produit Swagelok, Instrumentation analytique

Bien que les diagrammes de phases soient principalement utilisés par les chimistes en laboratoire, ces outils sont étonnamment utiles pour les ingénieurs mécaniciens et responsables d'usine chargés de l'analyse d'échantillons. Dans certains systèmes analytiques, un échantillon liquide doit être converti en gaz par vaporisation avant analyse. La vaporisation est un équilibre délicat entre température, pression et débit – et les courbes de pression de vapeur d'un diagramme de phases permettent d'identifier les changements de phase pour des matériaux et composés chimiques distincts.

Nous appliquerons un mélange gazeux hypothétique de 20 % d'hexane dans du pentane comme diagramme de phases complet (voir diagramme ci-dessous). Lorsque l'échantillon se trouve au-dessus du point de bulle (ligne bleue), il est entièrement liquide. L'échantillon doit rester liquide à l'entrée du vaporiseur. Lorsqu'il est en dessous du point de rosée (ligne dorée), il est entièrement vapeur. L'échantillon doit être entièrement vapeur à la sortie du vaporiseur.

Entre les lignes du point de bulle et du point de rosée se trouve la « zone interdite ». Cette zone représente l'intervalle d'ébullition de l'échantillon. Ici, le mélange est en deux phases : partie liquide, partie vapeur. Une fois que l'échantillon tombe dans cette zone, il est fractionné et n'est plus propre à l'analyse. L'objectif de la vaporisation est de régler température, débit et pression pour que l'échantillon passe instantanément du côté liquide de la zone interdite au côté vapeur. Avec des échantillons purs ou quasi purs, il y a peu ou pas d'intervalle d'ébullition. Les lignes de point de bulle et de point de rosée se superposent simplement.

Les échantillons purs se convertissent en vapeur de même composition, que ce soit par évaporation ou vaporisation. Certains échantillons industriels approchent ce niveau de pureté et se convertissent facilement. D'autres ont un intervalle d'ébullition si large qu'ils ne peuvent pas être vaporisés avec succès. Il n'y a aucun moyen de passer du côté liquide au côté vapeur de la zone interdite sans fractionnement.

Dans le diagramme ci-dessus, la bande entre point de bulle et point de rosée est assez étroite pour qu'avec les bons réglages, l'échantillon passe efficacement du côté liquide au côté vapeur. En même temps, elle est assez large pour qu'on ne puisse pas être négligent.

Régler température, pression et débit

Continuons avec l'échantillon du diagramme (20 % d'hexane dans le pentane). Les entrées doivent être habilement réglées pour assurer une vaporisation réussie. En général, une haute pression et une basse température sont nécessaires à l'entrée. Inversement, à la sortie, une haute température et une basse pression sont nécessaires. Il y a des limites à ces paramètres, et toutes les contraintes ne sont pas contrôlables.

1. Déterminer la pression d'entrée au vaporiseur

La pression d'entrée, qui est fixe, est la pression de processus – à condition que le vaporiseur soit situé près du point de prélèvement. Dans l'exemple, cette pression est de 4 bar. Une pression plus élevée est meilleure car elle permet au vaporiseur de maintenir une température plus élevée sans faire bouillir le liquide entrant.

2. Régler la température d'entrée

Deux objectifs pour la température d'entrée. Premièrement, elle doit être assez basse pour que l'échantillon soit entièrement liquide à l'entrée du vaporiseur. Dans l'exemple, le point de bulle à 4 bar est 88 °C. Pour éviter la zone interdite, choisissez une température arrondie suffisamment éloignée, par exemple 80 °C.

Le second objectif est de maintenir une température assez haute pour contribuer à l'instantanéité de la vaporisation – assurant que seule de la vapeur quitte le vaporiseur. Lors de la vaporisation, la température chute selon les lois de conservation de l'énergie. La température initiale doit être assez élevée pour qu'après la chute de pression, l'échantillon ne tombe pas dans la zone interdite. Dans l'exemple, la température de vapeur après la chute de pression est de 60 °C – juste du côté vapeur de la ligne de point de rosée.

3. Régler la pression de sortie

L'objectif est de faire chuter la pression sous la ligne de point de rosée. Dans l'exemple, la pression de sortie est fixée à 1,5 bar. Si elle était plus élevée, l'échantillon ne se vaporiserait pas entièrement et se fractionnerait.

4. Régler le débit

Le débit est réglé en aval par un robinet et un rotamètre, pas au vaporiseur. Dans un système d'échantillonnage, un débit de vapeur élevé est souhaitable car il amène l'échantillon à l'analyseur plus vite. Cependant, un débit élevé est problématique car plus de chaleur est nécessaire pour vaporiser. En d'autres termes, un débit élevé entraîne une plus grande chute de température lors de la vaporisation. Dans l'exemple, la ligne violette illustre cette chute. Plus le débit augmente, plus la température chute brutalement.

Un autre facteur influençant la chute de température est la capacité de transfert thermique du vaporiseur. Certains sont conçus pour transférer la chaleur plus efficacement. Lorsque l'échantillon liquide se convertit en vapeur et que sa température chute, il puise la chaleur dans l'acier inoxydable environnant. La question cruciale : avec quelle efficacité le vaporiseur peut-il remplacer cette chaleur ? Plus l'échantillon peut puiser de chaleur, moins sa température chute. Dans certains cas, le vaporiseur peut être chaud à l'extérieur mais froid à l'intérieur – parce que l'échantillon vaporisé puise beaucoup de chaleur et le vaporiseur ne suit pas. La meilleure solution est de réduire le débit.

En résumé, la chute de température visualisée est le produit du débit et de la capacité de transfert thermique du vaporiseur. Avec un vaporiseur de qualité et un faible débit, la ligne du diagramme devient plus verticale. Malheureusement, il n'existe pas de moyen simple de calculer l'emplacement précis de la chute de température dans un diagramme de phases, ni de logiciel pour la générer. La vaporisation implique donc une part d'approximation. Comme règle empirique, maintenez le débit aussi bas que possible sans causer un délai inacceptable dans le temps de trajet vers l'analyseur. Mieux vaut commencer avec un faible débit et l'augmenter progressivement que partir d'un débit initialement élevé.

Pour une aide supplémentaire sur l'instrumentation analytique et les bonnes pratiques des systèmes d'échantillonnage utilisant les courbes de pression de vapeur des diagrammes de phases, contactez votre centre de vente et service Swagelok local.