Les analyses de gaz sur base humide et sur base sèche ne peuvent pas être utilisées de manière interchangeable dans un bilan matière. La composition sur base humide inclut la vapeur d'eau dans le gaz total, tandis que l'analyse Orsat sur base sèche exclut l'eau après condensation ou absorption. Étant donné que l'élimination de l'eau modifie le dénominateur de chaque fraction molaire restante, les ingénieurs doivent convertir à la fois la composition du gaz et le débit sur une base commune avant de calculer les performances de combustion, la conversion, les émissions ou les bilans énergétiques.

Point clé : Un résultat Orsat sec décrit la composition du gaz sans humidité, mais un débit de cheminée représente généralement le gaz humide total. La teneur en eau doit donc être mesurée ou calculée séparément et utilisée pour réconcilier la composition analytique avec le bilan matière réel.

Pourquoi les deux bases d'analyse diffèrent

La composition sur base humide inclut la vapeur d'eau

Pour un flux de gaz humide, les fractions molaires satisfont :

[ \sum_i y_{i,\text{humide}} + y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}} = 1 ]

L'eau peut provenir de l'oxydation de l'hydrogène du combustible, de l'évaporation de l'humidité de l'alimentation, de l'humidification ou du contact avec un flux de procédé aqueux.

La composition sur base sèche exclut l'eau

Un analyseur Orsat élimine normalement l'eau condensable avant de mesurer des composants tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et le monoxyde de carbone. Sa composition rapportée satisfait :

[ \sum_i y_{i,\text{sec}} = 1 ]

Le résultat sec est donc normalisé par rapport aux gaz restants. Cela n'indique pas que l'eau était absente du gaz de cheminée d'origine.

La condensation modifie les concentrations apparentes

Supposons que le gaz humide contienne 10 % mol d'eau et 9 % mol de dioxyde de carbone. Sur une base sèche, la concentration en dioxyde de carbone devient :

[ y_{\mathrm{CO_2},\text{sec}}

\frac{0,09}{1-0,10}

0,10 ]

La quantité de dioxyde de carbone n'a pas augmenté. Son pourcentage rapporté a augmenté parce que l'eau a été supprimée du dénominateur.

Comment convertir les compositions de gaz

Conversion de la base humide vers la base sèche

Si la fraction molaire d'eau sur base humide est connue, chaque composant non aqueux est converti en utilisant :

[ y_{i,\text{sec}}

\frac{y_{i,\text{humide}}}{1-y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}}} ]

Par exemple, si un gaz de combustion humide contient 8 % mol d'oxygène et 12 % mol d'eau :

[ y_{\mathrm{O_2},\text{sec}}

\frac{0,08}{1-0,12}

0,0909 ]

La concentration d'oxygène sec correspondante est d'environ 9,09 % mol.

Conversion de la base sèche vers la base humide

Si la composition sèche et la fraction d'eau sur base humide sont connues :

[ y_{i,\text{humide}}

y_{i,\text{sec}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}}\right) ]

Si le rapport molaire eau/gaz sec est connu, (r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{sec}}), alors :

[ y_{i,\text{humide}}

\frac{y_{i,\text{sec}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{sec}}} ]

La fraction d'eau elle-même est :

[ y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}}

\frac{r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{sec}}} {1+r_{\mathrm{H_2O}/\mathrm{sec}}} ]

Mesure de la teneur en eau

La teneur en eau peut être obtenue par une mesure d'humidité, une détermination du point de rosée, un calcul psychrométrique ou une mesure directe du condensat. La méthode doit correspondre au même point d'échantillonnage et aux mêmes conditions opératoires que l'analyse de gaz.

Comment la distinction modifie les bilans matières

Le débit molaire total doit utiliser le bon dénominateur

Soit (F_{\text{humide}}) le débit molaire total du gaz humide et (F_{\text{sec}}) le débit sans humidité. Alors :

[ F_{\text{sec}}

F_{\text{humide}} \left(1-y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}}\right) ]

et :

[ F_{\text{humide}}

\frac{F_{\text{sec}}} {1-y_{\mathrm{H_2O},\text{humide}}} ]

Une composition Orsat sèche multipliée directement par un débit de cheminée humide donne des débits de composants incorrects. Le résultat peut surestimer ou sous-estimer les quantités réelles selon la base utilisée pour le débit et la composition.

Les débits des composants nécessitent une base correspondante

Pour le composant (i) :

[ \dot n_i

F_{\text{sec}}y_{i,\text{sec}}

F_{\text{humide}}y_{i,\text{humide}} ]

Les deux expressions ne sont équivalentes que lorsque la composition et le débit total sont exprimés sur des bases correspondantes.

Ceci est particulièrement important pour le dioxyde de carbone, l'oxygène, l'azote et le monoxyde de carbone, qui sont souvent utilisés pour déduire la stoechiométrie de combustion et la performance du procédé.

Les bilans massiques nécessitent l'eau comme composant explicite

Dans un bilan de combustion, l'hydrogène dans le combustible génère de l'eau, tandis que l'humidité peut également entrer avec le combustible ou l'air de combustion. Le débit d'eau en sortie doit donc être calculé explicitement :

[ \dot n_{\mathrm{H_2O,sortie}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,formée}} + \dot n_{\mathrm{H_2O,entrée}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,condensée}} ]

Une analyse Orsat sèche ne mesure pas directement cette eau en sortie. L'omettre peut produire un bilan apparemment fermé uniquement en forçant des erreurs sur d'autres composants ou sur les débits d'air et de combustible déduits.

Les débits basés sur le volume sont également affectés

À température et pression identiques, le volume de gaz est proportionnel au débit molaire total. Par conséquent, un volume de cheminée humide et un volume standard sec ne représentent pas la même quantité de gaz.

La conversion doit tenir compte à la fois de l'élimination de l'humidité et des conditions de référence spécifiées. Rapporter une concentration de polluant sèche avec un débit volumétrique humide, par exemple, crée une inadéquation de base dans le taux d'émission massique calculé.

Effets sur la combustion et l'évaluation des usines pilotes

Calculs de l'excès d'air

La concentration d'oxygène est couramment utilisée pour estimer l'excès d'air. L'oxygène Orsat sec convient à un calcul de combustion sur base sèche, mais il doit être combiné avec des données de dioxyde de carbone, d'azote et de monoxyde de carbone sèches et un bilan de gaz sec approprié.

L'utilisation d'oxygène humide avec de l'azote sec ou du dioxyde de carbone sec produit un calcul intrinsèquement incohérent.

Prédiction de l'air théorique et des gaz de combustion

Les besoins en air théorique sont déterminés à partir de la composition du combustible et de la stoechiométrie, et non du fait que l'analyseur rapporte des gaz humides ou secs. Cependant, les concentrations mesurées des gaz de combustion doivent être converties sur la base sélectionnée avant d'être comparées aux prédictions théoriques.

L'humidité affecte les concentrations apparentes d'oxygène et de dioxyde de carbone et peut donc fausser les fuites d'air déduites, la conversion du combustible ou la complétude de la combustion.

Émissions de polluants

Les concentrations de polluants peuvent être rapportées sur base humide, base sèche ou base d'oxygène de référence corrigée. La base de rapport doit être indiquée car la concentration numérique change lorsque l'eau est éliminée.

Pour une comparaison significative entre les essais pilotes ou avec les limites réglementaires, utilisez la même correction d'humidité, correction d'oxygène, température, pression et référence de débit pour chaque résultat.

Bilans énergétiques et enthalpiques

L'eau a un effet substantiel sur l'enthalpie du flux de gaz car elle peut être présente sous forme de vapeur, de condensat liquide, ou les deux. Une composition sèche seule est insuffisante pour calculer l'enthalpie réelle du gaz humide.

Le bilan énergétique doit inclure le débit d'eau et son état thermodynamique, y compris les effets de chaleur sensible et, le cas échéant, latente.

Choisir une base de calcul cohérente

Établir d'abord la base du procédé

Pour une usine pilote en continu, une base telle qu'une heure de fonctionnement est généralement pratique. Pour une opération en discontinu, la base peut être une charge ou un lot complet.

La base doit être définie avant de convertir les données analytiques afin que tous les flux d'entrée, de sortie, condensés et réagis soient comptabilisés de manière cohérente.

Utiliser les bilans d'éléments pour les systèmes réactifs

La combustion est une opération réactive, donc un simple bilan molaire total n'est généralement pas suffisant. Les bilans de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote, associés à la stoechiométrie de réaction et à la conversion mesurée, fournissent le cadre correct.

La conversion humide/sec fournit des compositions de flux cohérentes ; elle ne remplace pas le bilan de réaction.

Traiter la condensation comme un flux séparé si nécessaire

Si l'eau condense dans un refroidisseur, une ligne d'échantillonnage, un échangeur de chaleur ou un laveur en aval, le condensat doit être inclus comme flux de sortie. Un résultat d'analyseur sec peut refléter le gaz après condensation plutôt que la composition du gaz à la sortie du procédé.

Cette distinction est importante lorsque la limite du bilan matière inclut l'équipement d'échantillonnage ou de refroidissement.

Comprendre les compromis

L'analyse sèche est plus facile à comparer

L'analyse sur base sèche est utile car elle élimine un composant hautement variable. Les analyseurs de gaz fonctionnant à travers de l'eau ou des solutions aqueuses ont également tendance à produire des mesures qui sont effectivement sans humidité.

Cela rend les données sèches pratiques pour comparer les conditions de combustion, à condition que la teneur en eau soit conservée séparément.

L'analyse sèche ne décrit pas le flux complet de la cheminée

Un résultat Orsat sec ne peut pas déterminer à lui seul le débit total de gaz humide, le rejet d'eau, l'enthalpie du gaz humide ou le bilan complet de l'hydrogène. Ces quantités nécessitent une mesure d'humidité indépendante ou un calcul de procédé justifié.

Traiter le résultat sec comme une analyse complète de cheminée est une source courante d'erreur de bilan matière.

Les mesures d'humidité introduisent de l'incertitude

La fraction d'eau peut varier avec la température, la pression, les fuites d'air, l'humidité de l'alimentation et la condensation dans les lignes d'échantillonnage. Des mesures d'humidité inexactes ou mal situées peuvent donc créer une incertitude significative dans les débits et les émissions convertis.

Les systèmes d'échantillonnage doivent empêcher la condensation involontaire lorsque l'objectif est de caractériser le gaz de procédé, ou en tenir compte explicitement lorsque l'objectif est de caractériser le gaz atteignant l'analyseur.

Les erreurs de base peuvent ressembler à des changements de procédé

Un changement dans l'oxygène ou le dioxyde de carbone rapporté peut résulter d'un changement de teneur en humidité plutôt que d'un changement des conditions de combustion. Comparer un résultat humide d'un essai avec un résultat sec d'un autre peut suggérer à tort des changements dans l'excès d'air, la conversion ou la performance du réacteur.

La base, les conditions de référence, le point d'échantillonnage et la correction d'humidité doivent accompagner chaque composition de gaz rapportée.

Comment appliquer cela à votre usine pilote

La procédure la plus fiable consiste à sélectionner une base, à y convertir chaque mesure de gaz, puis à effectuer les bilans matières et énergétiques.

Si votre objectif principal est la fermeture du bilan matière : Calculez les débits des composants à partir de bases de débit total et de composition correspondantes, et incluez la vapeur d'eau et tout condensat comme flux explicites.
Si votre objectif principal est l'efficacité de la combustion : Utilisez les données Orsat sèches avec un bilan stoechiométrique de gaz sec, tout en appliquant la teneur en humidité mesurée séparément pour récupérer les débits humides et le bilan d'hydrogène.
Si votre objectif principal est la surveillance des polluants : Indiquez si les concentrations sont humides ou sèches et standardisez les corrections d'humidité, d'oxygène, de température, de pression et de débit volumétrique.
Si votre objectif principal est la performance énergétique : Convertissez l'analyse sèche en un flux de gaz humide complet et incluez la vapeur d'eau ou le condensat dans le calcul de l'enthalpie.
Si votre objectif principal est de comparer des essais pilotes : Gardez la base analytique et les conditions de référence constantes, ou convertissez tous les essais sur la même base avant de tirer des conclusions.

Une conversion de base humide/sec n'est pas un ajustement cosmétique de rapport ; c'est l'étape qui rend l'analyse de gaz compatible avec un bilan d'usine pilote physiquement correct.

Tableau récapitulatif :

Domaine clé	Approche requise	Risque d'inadéquation de base
Composition du gaz	Convertir les fractions molaires humides et sèches sur une base commune	Pourcentages de composants incorrects
Débit	Faire correspondre le débit total humide ou sec avec la composition correspondante	Débits de composants erronés
Bilan hydrique	Inclure la formation de vapeur, l'humidité d'entrée et le condensat	Bilan d'hydrogène incomplet
Analyse de combustion	Utiliser les données Orsat sèches avec un bilan stoechiométrique de gaz sec cohérent	Résultats d'excès d'air faussés
Émissions	Standardiser les références d'humidité, d'oxygène, de température, de pression et de débit	Comparaisons d'émissions trompeuses
Bilan énergétique	Tenir compte de la vapeur d'eau, du condensat, de la chaleur sensible et latente	Calculs d'enthalpie inexacts

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