Utilisation des courbes de pression de vapeur d'un diagramme de phases

Utilisation des courbes de pression de vapeur d'un diagramme de phases

Bien que les diagrammes de phases soient principalement utilisés par les chimistes en laboratoire, ces outils peuvent être étonnamment utiles à des ingénieurs ou à des directeurs d'installation chargés d’analyser des échantillons. Dans certains systèmes d'analyse, un échantillon liquide doit impérativement être transformé en gaz par vaporisation avant qu'il ne puisse être analysé. Le phénomène de vaporisation nécessite un équilibre entre les variables de température, de pression et de débit. Or, les courbes de pression de vapeur d'un diagramme de phases renseignent sur les changements d’état de divers matériaux et composés chimiques.

Pour la suite, nous pendrons comme exemple le diagramme de phases d’un mélange gazeux d’hexane et de pentane contenant 20 % d’hexane (voir le schéma ci-dessous). Lorsque l'échantillon se trouve au-dessus de la courbe de bulle (ligne bleue), il se trouve entièrement à l’état liquide. Un échantillon doit être dans cet état à son entrée dans le vaporiseur. Lorsque l’échantillon se situe au-dessous de la courbe de rosée (ligne orange), il se trouve entièrement à l’état gazeux. Un échantillon doit être dans cet état à sa sortie du vaporiseur.

Entre les courbes de bulle et de rosée se trouve la « zone interdite ». Cette zone correspond au domaine d'ébullition de l'échantillon. Ici, deux phases cohabitent, le mélange étant partiellement à l'état liquide et partiellement à l'état gazeux. Si l'échantillon reste dans la zone interdite, il se fractionne et ne plus être utilisé pour une analyse. L'objectif est de régler la température, le débit et la pression, de sorte que l'échantillon passe immédiatement du côté liquide au côté vapeur de la zone interdite. Avec des échantillons purs ou presque purs, le domaine d'ébullition ou zone interdite est réduit, voire inexistant. Les courbes de bulle et de rosée sont simplement superposées ou presque.

Les échantillons liquides purs ou presque purs se transforment en un gaz ayant la même composition, que ce soit par évaporation ou par vaporisation. Certains échantillons industriels approchent ce niveau de pureté et se transforment relativement facilement en vapeur. Par contre, certains échantillons ont un domaine d'ébullition tellement étendu qu'il est impossible de les vaporiser correctement. Pour de tels échantillons, il n'existe pas de moyen pour passer de la phase liquide à la phase vapeur en évitant la zone interdite. Dans ce cas, il est impossible de jouer sur les variables pour éviter le fractionnement. 

Sur le diagramme représenté ci-dessous, la bande située entre les courbes de bulle et de rosée est assez étroite pour que l'échantillon puisse, avec des réglages appropriés, passer effectivement du côté liquide au côté vapeur sans passer par la zone interdite. Cela dit, cette même bande est suffisamment large pour que l’on se dispense de prendre certaines précautions. 

Réglage de la température, de la pression et du débit

En prenant toujours le même exemple (20 % d'hexane et 80 % de pentane), il faudra régler ces variables avec soin pour assurer une vaporisation totale de l’échantillon. D'une manière générale, une pression élevée et une température basse sont nécessaires à l'entrée du vaporiseur. À l'inverse, une température élevée et une pression basse sont nécessaires à la sortie. Ces paramètres doivent toutefois rester dans certaines limites et il n’est pas possible de maîtriser toutes les contraintes.

1. Déterminer la pression à l'entrée du vaporiseur

La pression à l'entrée du vaporiseur, qui est fixe, est celle du process, à condition que le vaporiseur soit proche de la vanne de prélèvement. Sur le diagramme donné en exemple, cette pression est de 4 bar. Une pression élevée est préférable car elle permet au vaporiseur de maintenir une température élevée sans pour autant que le liquide entrant ne se mette à bouillir.

2. Régler la température à l'entrée du vaporiseur

La température à l'entrée du vaporiseur doit être réglée en poursuivant deux objectifs. Tout d'abord, la température doit être assez basse pour que l'échantillon soit entièrement liquide lorsqu'il pénètre dans le vaporiseur. Sur le diagramme donné en exemple, la température d’ébullition à 4 bar est de 88°C. Pour empêcher le fractionnement de l’échantillon, il est préférable de choisir un nombre entier relativement éloigné de 88° afin d’éviter la zone interdite. On pourra raisonnablement opter pour une température de 80°C.

Ensuite, la température doit rester suffisamment élevée pour entraîner la vaporisation instantanée et complète de l'échantillon, et garantir ainsi que seule de la vapeur sort du vaporiseur. Lors de la vaporisation, la température de l’échantillon chute, conformément à la loi de conservation de l'énergie. La température de l'échantillon doit être assez élevée au début pour que l'échantillon ne se retrouve pas dans la zone interdite après la chute de pression. Sur le diagramme donné en exemple, la température de la vapeur après la chute de pression est de 60°C, juste au-delà de la courbe de rosée, coté vapeur.

3. Régler la pression à la sortie du vaporiseur

Lorsque l’on veut régler la pression à la sortie du vaporiseur, l’objectif est d’abaisser la pression en dessous de la courbe de rosée. Dans le diagramme donné en exemple, la pression de sortie est réglée à 1,5 bar. Si la pression de sortie était à peine supérieure, l'échantillon ne se vaporiserait pas entièrement et se fractionnerait.

4. Régler le débit

Le débit est réglé en aval à l'aide d'une vanne et d'un rotamètre, et non pas au niveau du vaporiseur. Dans un système d'échantillonnage, il est souhaitable d'avoir un débit de vapeur élevé, car cela permet un déplacement plus rapide de l'échantillon vers l'analyseur. Cependant, un débit élevé peut également être un problème car la vaporisation de l'échantillon nécessite alors plus de chaleur. Autrement dit, un débit élevé entraîne une chute de température plus importante au moment de la vaporisation. Sur le diagramme donné en exemple, la flèche violette représente la chute de température. Lorsque le débit augmente, la température chute fortement. 

Une autre variable qui influence la chute de température est la capacité du vaporiseur à transférer la chaleur. Certains vaporiseurs sont fabriqués de telle façon que les transferts de chaleur à l'échantillon se font plus efficacement. Lorsque l'échantillon liquide se transforme en vapeur et que sa température chute, il tire de la chaleur de l'acier inoxydable qui l'entoure. La question essentielle est de savoir jusqu'à quel point le vaporiseur peut remplacer la chaleur et continuer à la transférer à l'échantillon. Plus l'échantillon parvient à absorber de la chaleur, moins sa température chute pendant la vaporisation. Dans certains cas, il est possible que le vaporiseur soit chaud au toucher à l'extérieur tout en étant froid à l'intérieur. L'échantillon vaporisé absorbant de grandes quantités de chaleur, le vaporiseur ne parvient alors plus à transférer suffisamment d’énergie pour faire face à cette absorption. La meilleure solution consiste à diminuer le débit.

En somme, la chute de température visualisée sur le diagramme dépend du débit de l’échantillon et de la capacité du vaporiseur à transférer la chaleur. Avec un vaporiseur de bonne qualité et un débit faible, la flèche tendra vers la verticale. Malheureusement, il n'existe pas de moyen simple pour calculer l'emplacement précis de la flèche violette (chute de température) sur un diagramme de phases et aucun logiciel connu ne permet de la générer. Par conséquent, la vaporisation implique une certaine approximation. En règle générale, maintenez le débit à un niveau aussi faible que possible, sans entraîner un retard inacceptable dans l'acheminement de l'échantillon vers l'analyseur. Il est préférable de commencer avec un débit faible en essayant de l'augmenter, plutôt que de commencer d'emblée avec un débit élevé.

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