La condensation de vapeur en amont modifie l'alimentation de l'absorbeur avant même que l'absorption ne commence. Lorsqu'un mélange gazeux chaud est refroidi dans un échangeur thermique en amont, la vapeur condensable devient liquide et quitte la phase gazeuse. L'absorbeur reçoit donc un débit de gaz total plus faible, un poids moléculaire moyen différent et des concentrations de soluté révisées ; par conséquent, son bilan matière, son rapport gaz/liquide, son efficacité d'élimination et ses calculs de dimensionnement doivent tous être mis à jour.

Le bilan de l'absorbeur doit être basé sur le gaz restant après condensation, et non sur l'alimentation initiale en gaz chaud. Calculez la quantité condensée aux conditions de sortie de l'échangeur thermique, retirez-la du flux en phase gazeuse, puis convertissez le débit de gaz restant à la température et à la pression de fonctionnement de l'absorbeur.

Pourquoi la condensation modifie l'alimentation de l'absorbeur

La condensation élimine de la matière de la phase gazeuse

À la température et à la pression de sortie de l'échangeur thermique, un composant condensable peut dépasser sa pression de vapeur d'équilibre. L'excès quitte la phase gazeuse sous forme liquide.

Pour un calcul simple, la quantité condensée est déterminée à partir de la quantité de vapeur à l'entrée et de la vapeur restante aux conditions d'équilibre à la sortie :

[ n_{\text{condensé}} = n_{\text{vapeur,entrée}} - n_{\text{vapeur,sortie}} ]

La quantité de vapeur en sortie doit être basée sur la température et la pression de sortie de l'échangeur thermique, plutôt que sur la seule composition à l'entrée.

Le débit molaire total de gaz diminue

Le débit de gaz après refroidissement est :

[ n_{\text{gaz,sortie}} = n_{\text{gaz,entrée}} - n_{\text{condensé}} ]

Ce débit réduit constitue l'alimentation réelle en gaz de l'absorbeur, en supposant que le liquide condensé soit éliminé avant d'entrer dans la colonne.

Le changement peut être substantiel lorsque le gaz d'origine contient une grande quantité de vapeur d'eau ou un autre composant porteur condensable.

La composition du gaz est renormalisée

L'élimination du liquide d'un composant modifie sa fraction molaire en phase gazeuse et change la concentration relative de chaque composant restant dans le gaz.

Pour le composant (i) :

[ y_{i,\text{absorbeur}} = \frac{n_{i,\text{gaz,sortie}}} {n_{\text{gaz,sortie}}} ]

Cela signifie que la composition de l'alimentation de l'absorbeur ne peut pas être obtenue en reportant simplement les fractions molaires d'entrée d'origine en aval.

Comment effectuer le bilan séquentiel

Commencez par l'entrée de gaz chaud

Définissez le flux d'entrée sur une base cohérente, telle que des kilomoles par heure :

[ n_{\text{entrée}} = n_{\text{condensable,entrée}} + n_{\text{soluté-absorbeur,entrée}} + n_{\text{inerte,entrée}} ]

Le soluté de l'absorbeur peut être de l'ammoniac, un gaz acide ou une autre espèce chimiquement réactive. Les gaz inertes et les composants non condensables restent généralement en phase gazeuse lors d'un refroidissement en amont ordinaire.

Déterminez la vapeur restante après refroidissement

Utilisez la température et la pression de sortie de l'échangeur thermique pour déterminer quelle quantité de vapeur condensable peut rester en équilibre avec la phase liquide.

Pour l'eau, par exemple, la pression partielle de la vapeur en sortie ne peut pas dépasser la pression de saturation à la température de sortie lorsque de l'eau liquide est présente :

[ p_{\text{eau}} = y_{\text{eau}}P ]

Si la pression partielle calculée dépasse la pression de saturation, la condensation se produit jusqu'à ce que la condition d'équilibre soit satisfaite.

Dans une conception plus rigoureuse, le calcul peut nécessiter des données d'équilibre liquide-vapeur pour le mélange gazeux complet, surtout lorsque de l'ammoniac, des gaz acides ou d'autres espèces solubles sont présents.

Éliminez le liquide condensé

La quantité condensée est retirée du flux de gaz :

[ n_{\text{liquide}} = n_{\text{condensé}} ]

Les quantités restantes des composants en phase gazeuse sont ensuite utilisées comme entrée de l'absorbeur. Le débit du produit liquide peut également être converti en débit massique :

[ \dot{m}{\text{liquide}} = n{\text{liquide}}MW_{\text{liquide}} ]

Ce liquide peut être riche en eau, mais il peut aussi contenir du soluté d'absorbeur dissous ou entraîné.

Recalculez le poids moléculaire moyen

Le poids moléculaire moyen du gaz change après la condensation :

[ \overline{MW}_{\text{gaz}} = \sum_i y_iMW_i ]

Cela affecte la conversion du débit massique, la densité du gaz, la vitesse superficielle et les calculs d'équipement.

Un calcul qui conserve le poids moléculaire moyen d'origine après avoir éliminé un composant vapeur majeur peut produire des débits massiques et volumétriques incohérents.

Convertissez le débit de gaz aux conditions de l'absorbeur

Le débit de gaz entrant dans l'absorbeur doit être ajusté de la base de sortie de l'échangeur thermique aux conditions de fonctionnement de l'absorbeur :

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]

Pour les gaz non idéaux, incluez la correction du facteur de compressibilité :

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) \left(\frac{Z_{2}}{Z_{1}}\right) ]

Les températures doivent être absolues et les pressions doivent utiliser une base absolue cohérente.

Comment le bilan de l'absorbeur est affecté

Le bilan matière côté gaz commence à une nouvelle condition d'alimentation

Pour un soluté transféré du gaz vers le liquide :

[ n_{\text{soluté,entrée}}

n_{\text{soluté,sortie}} + n_{\text{soluté,absorbé}} ]

Le terme d'entrée doit représenter le flux de soluté après la condensation en amont. Si le soluté lui-même reste gazeux, son débit molaire absolu peut être approximativement inchangé, mais sa fraction molaire augmente lorsqu'une plus grande quantité de vapeur porteuse a été éliminée.

Le rapport gaz/liquide change

Le rapport gaz/liquide de l'absorbeur est basé sur le débit de gaz révisé et le débit d'absorbant réel :

[ \frac{G}{L}

\frac{\text{débit de gaz entrant dans l'absorbeur}} {\text{débit d'absorbant liquide}} ]

La condensation abaisse généralement (G), à moins que le condensat ne soit intentionnellement combiné avec le liquide de l'absorbeur. Cela modifie la ligne opératoire et peut affecter le taux de circulation de solvant requis.

La concentration en soluté peut augmenter ou diminuer

Si seule une vapeur porteuse telle que l'eau se condense, le gaz restant contient une fraction molaire plus élevée de soluté non condensable. Cela peut augmenter la charge apparente de soluté entrant dans l'absorbeur, même si le débit molaire absolu de soluté n'a pas changé.

Si le soluté se condense également, se dissout dans le condensat ou est éliminé par entraînement, son débit molaire en phase gazeuse diminue. Le bilan de l'absorbeur doit alors inclure explicitement cette élimination en amont.

Le dimensionnement de l'absorbeur peut changer

Le débit de gaz affecte le diamètre de la colonne par la vitesse superficielle du gaz et les limites d'engorgement. Un volume de gaz plus faible réduit généralement la surface transversale requise, mais la concentration révisée en soluté et la force motrice thermodynamique peuvent modifier la hauteur du garnissage, les besoins en plateaux, la circulation du solvant ou les besoins d'élimination de la chaleur.

La base de dimensionnement correcte est donc le débit et la composition du gaz à l'entrée de l'absorbeur, et non la condition initiale de gaz chaud.

Interaction avec la performance de l'échangeur thermique

La condensation contribue à la charge thermique

Lorsque la vapeur se condense, l'échangeur thermique élimine à la fois la chaleur sensible et la chaleur latente :

[ Q = Q_{\text{sensible}} + Q_{\text{latente}} ]

La contribution latente est approximativement :

[ Q_{\text{latente}} = n_{\text{condensé}}\Delta H_{\text{vap}} ]

Ignorer ce terme peut sous-estimer la charge de refroidissement requise et fausser la température de sortie réalisable.

La sortie liquide doit être prise en compte

L'échangeur thermique peut produire deux phases de sortie : un gaz refroidi et un condensat. Un séparateur en aval, un ballon de purge ou un drain correctement conçu est nécessaire si le condensat n'est pas destiné à entrer dans l'absorbeur.

Si un entraînement de liquide se produit, l'alimentation de l'absorbeur n'est pas un flux de gaz sec. Le bilan doit inclure le liquide entrant dans la colonne et tout soluté dissous qu'il contient.

La condensation affecte les mesures en usine pilote

Les débitmètres peuvent rapporter des débits à des conditions de référence différentes, tandis que les mesures de gaz humide et de gaz sec peuvent utiliser des bases différentes. La condensation entre les points de mesure peut créer des écarts apparents, sauf si chaque flux est placé sur la même base de température, de pression et d'humidité.

Pour le travail pilote, enregistrez la température de sortie de l'échangeur thermique, la pression, le taux de condensat, la base du débit de gaz et si le gaz mesuré est humide ou sec.

Comprendre les compromis

Supposer que toute la vapeur condensable est éliminée

Refroidir en dessous de la température de saturation d'un composant ne signifie pas nécessairement une élimination complète. Le gaz de sortie conserve la quantité de vapeur d'équilibre à moins qu'un condenseur, un séparateur ou une étape de séchage supplémentaire ne l'élimine.

Utilisez la condition d'équilibre de sortie pour calculer la vapeur résiduelle.

Traiter le condensat comme un solvant pur

Le condensat peut contenir de l'ammoniac absorbé, du gaz acide, des sels dissous ou des gouttelettes entraînées. Le traiter comme de l'eau pure peut surestimer le flux de soluté atteignant l'absorbeur et sous-estimer la concentration du produit liquide.

Analysez ou estimez la composition du condensat lorsque le soluté est hautement soluble ou réactif.

Utiliser une composition volumétrique sans base cohérente

Les fractions molaires sur base humide, les fractions molaires sur base sèche, le débit volumétrique réel et le débit volumétrique standard ne sont pas interchangeables. Mélanger ces bases peut invalider les bilans de l'échangeur thermique et de l'absorbeur.

Effectuez d'abord le bilan matière en unités molaires, puis convertissez en masse ou en volume aux conditions requises.

Supposer que la condensation améliore toujours les performances de l'absorbeur

Un débit de gaz plus faible peut réduire la taille de la colonne et la demande en solvant, mais une concentration plus élevée en soluté peut augmenter la charge locale et altérer la force motrice de l'absorption. La condensation peut également créer des problèmes de colmatage, de corrosion, d'engorgement ou de distribution de liquide si le liquide n'est pas correctement séparé et géré.

L'équipement en aval doit être évalué en utilisant à la fois le débit révisé et la composition révisée.

Ignorer les effets de la température de l'absorbeur

L'absorbeur peut fonctionner à une température différente de celle de la sortie de l'échangeur thermique. La solubilité, l'équilibre de réaction, la pression de vapeur et le volume de gaz peuvent tous changer entre ces emplacements.

Le bilan de l'absorbeur doit donc commencer par les conditions réelles d'entrée de l'absorbeur, y compris tout réchauffage, refroidissement supplémentaire, évaporation ou ajout de liquide entre les unités.

Comment appliquer cela à votre usine pilote

Utilisez un calcul séquentiel qui suit le chemin physique du flux de l'échangeur thermique vers l'absorbeur.

Si votre objectif principal est la charge de l'échangeur thermique : Calculez la vapeur condensée à partir de la condition d'équilibre de sortie et incluez sa chaleur latente dans le bilan de charge de refroidissement.
Si votre objectif principal est le dimensionnement de l'absorbeur : Retirez le condensat, recalculez le débit molaire et volumétrique du gaz aux conditions de l'absorbeur, et utilisez ce débit révisé pour la conception hydraulique.
Si votre objectif principal est l'élimination du soluté : Suivez le soluté dans le gaz, le condensat et le liquide de l'absorbeur séparément afin que la dissolution ou la condensation en amont ne soit pas incorrectement attribuée à l'absorbeur.
Si votre objectif principal est la réconciliation des données de l'usine pilote : Exprimez chaque mesure sur une base molaire, de température, de pression et humide/sèche cohérente avant de comparer les flux.
Si votre objectif principal est la récupération du produit liquide : Mesurez ou estimez la composition du condensat et incluez tout soluté d'absorbeur dissous dans le bilan du produit liquide.

Une conception d'absorbeur fiable commence par le flux qui atteint réellement l'absorbeur après la condensation en amont, et non par l'alimentation initiale en gaz chaud.

Tableau récapitulatif :

Domaine	Effet de la condensation en amont	Action requise
Débit de gaz	Le débit molaire total de gaz diminue	Retirer la vapeur condensée avant de calculer l'alimentation de l'absorbeur
Composition du gaz	Les fractions molaires de soluté restant peuvent augmenter	Recalculer la composition de la phase gazeuse
Poids moléculaire	Le poids moléculaire moyen du gaz change	Mettre à jour le débit massique, la densité et la vitesse
Rapport gaz/liquide	Le débit de gaz et la demande en solvant peuvent changer	Recalculer la ligne opératoire et le taux de solvant
Dimensionnement de l'absorbeur	Le diamètre, la hauteur de garnissage ou les besoins en plateaux peuvent changer	Utiliser le débit et la composition aux conditions d'entrée de l'absorbeur
Charge de l'échangeur thermique	La condensation ajoute une charge de chaleur latente	Inclure la chaleur sensible et latente dans le bilan
Gestion des liquides	Le condensat peut contenir du soluté dissous ou des gouttelettes entraînées	Utiliser un séparateur et suivre la composition du condensat
Mesures pilotes	Les différences humide/sec et de conditions de référence peuvent fausser les résultats	Réconcilier tous les flux sur une base molaire cohérente

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