Quelle pompe à vide peut-on utiliser pour le traitement des vapeurs ?
Lorsque des vapeurs doivent être pompées, outre les facteurs de pression de service et de vitesse de pompage, un troisième facteur déterminant doit être pris en compte, à savoir la pression partielle de vapeur, qui peut varier considérablement au cours d'un procédé. Ce facteur est déterminant pour choisir le dispositif de pompage à installer. A cet égard, les condenseurs constituent des compléments très importants pour les pompes volumétriques rotatives. Ils présentent une vitesse de pompage particulièrement élevée lors du pompage de la vapeur. Cette page aborde le pompage de la vapeur d'eau (le cas le plus fréquent). Les considérations s'appliquent de la même manière aux autres vapeurs non agressives.
Pompage de la vapeur d'eau
La vapeur d'eau est souvent éliminée par des pompes qui fonctionnent avec de l'eau ou de la vapeur en tant que fluide de pompe, par exemple les pompes à anneau liquide ou à éjecteur de vapeur. Cela dépend toutefois beaucoup des circonstances, car les économies réalisées grâce aux pompes à éjecteur de vapeur à basse pression sont généralement bien inférieures à celles réalisées grâce aux pompes mécaniques. Pour pomper un mélange vapeur-gaz dans lequel la partie vapeur est importante mais la partie air est faible, la vapeur peut être pompée par des condenseurs et les gaz permanents, par des pompes mécaniques relativement petites fonctionnant avec un lest d'air.
En comparaison, un ensemble de pompes composé d'une pompe Roots, d'un condenseur et d'une pompe primaire, qui peut transporter 100 kg/h (220 lbs/h) de vapeur et 18 kg/h (39 lbs/h) d'air à une pression d'entrée de 50 mbar, nécessite une puissance comprise entre 4 et 10 kW (en fonction de la quantité d'air impliquée). Une pompe à éjecteur de vapeur de même performance nécessite environ 60 kW sans modifier la quantité d'air impliquée. Pour le pompage de la vapeur d'eau, les pompes à lest d'air et les combinaisons de pompes à lest d'air, de pompes Roots et de condenseurs sont particulièrement bien adaptées.
Pompage de la vapeur d'eau avec des pompes à lest d'air
Le rapport entre la pression partielle de vapeur pv et la pression partielle d'air pp est déterminant pour évaluer la disposition correcte des pompes à lest d'air, comme l'ont précédemment montré les équations 2.2 et 2.3. Par conséquent, si la tolérance à la vapeur d'eau de la pompe à lest d'air est connue, il est possible d'obtenir des graphiques indiquant clairement comment utiliser correctement les pompes à lest d'air pour le pompage de la vapeur d'eau (voir Fig. 2.73). Les grosses pompes à palettes rotatives mono-étagées présentent en général une température de fonctionnement d'environ 60 à 80 °C et donc une tolérance à la vapeur d'eau d'environ 40 à 60 mbar. Cette valeur est utilisée pour déterminer les différentes zones de fonctionnement de la Fig. 2.73. En outre, on suppose que la pression au niveau de l'orifice de sortie de refoulement de la pompe à lest d'air peut augmenter jusqu'à un maximum de 1 330 mbar, jusqu'à l'ouverture de la vanne de sortie de refoulement.
Fig. 2.73 Domaines d'application des pompes à lest d'air et des condenseurs pompant de la vapeur d'eau (sans GB = sans lest d'air)
Zone A : pompes à palettes rotatives mono-étagées sans entrée de lest d'air.
Pour une pression de vapeur de saturation pS de 419 mbar à 77 °C (170 °F), selon l'équation 2.2, la condition est que pv < 0,46 pp, où
pv est la pression partielle de vapeur d'eau
pp est la pression partielle d'air
pv + pp = pression totale ptot
Cette exigence est valable dans toute la zone de fonctionnement de la pompe à palettes rotatives mono-étagée, c'est-à-dire à des pressions totales comprises entre 10-1 et 1013 mbar
Zone B : pompes à palettes rotatives mono-étagées avec lest d'air et condenseur d'entrée.
Dans cette zone, la pression de vapeur d'eau dépasse la pression partielle admissible à l'entrée. Par conséquent, la pompe à lest d'air doit être équipée d'un condenseur inséré à l'entrée, dont les dimensions sont telles que la pression partielle de vapeur d'eau au niveau de l'orifice d'entrée de la pompe à palettes rotatives ne dépasse pas la valeur admissible. Les dimensions correctes du condenseur sont choisies en fonction de la quantité de vapeur d'eau impliquée. Pour une tolérance à la vapeur d'eau de 60 mbar, la limite inférieure de cette zone est de
pv > 60 + 0,46 pp mbar
Zone C : pompes à palettes rotatives mono-étagées avec lest d'air
La limite inférieure de la zone C est caractérisée par la limite inférieure de la zone de fonctionnement de cette pompe. Elle se situe donc à environ ptot = 1 mbar. Si d'importantes quantités de vapeur apparaissent dans cette zone, il est souvent plus économique d'insérer un condenseur : 20 kg (44 lbs) de vapeur à 28 mbar donne un volume d'environ 1 000 m3. Il n'est pas judicieux de pomper ce volume avec une pompe primaire. En règle générale :
Un condenseur doit toujours être inséré à l'entrée de la pompe si de la vapeur d'eau saturée apparaît pendant une longue période.
Par mesure de précaution, une pompe Roots doit donc toujours être insérée en amont du condenseur à de faibles pressions d'entrée afin d'améliorer la capacité de condensation. La capacité de condensation ne dépend pas seulement de la pression de vapeur, mais également de la température du réfrigérant. Ainsi, à de faibles pressions de vapeur, il n'est possible d'obtenir une condensation efficace que si la température du réfrigérant est proportionnellement basse. A des pressions de vapeur inférieures à 6,5 mbar, par exemple, l'insertion d'un condenseur n'est judicieuse que si la température du réfrigérant est inférieure à 0 °C (32 °F). Souvent, à basse pression, un mélange gaz-vapeur avec de la vapeur d'eau non saturée est pompé (pour obtenir plus de détails, consultez la page dédiée aux condenseurs. En général, on peut donc se passer du condenseur.
Zone D : pompes à palettes rotatives bi-étagées, pompes Roots et pompes à éjecteur de vapeur, toujours en fonction de la pression totale concernée dans le procédé
Il convient à nouveau de noter que la tolérance à la vapeur d'eau des pompes à lest d'air bi-étagées est souvent inférieure à celle des pompes équivalentes mono-étagées.
Pompage de la vapeur d'eau avec des pompes Roots
Normalement, les pompes Roots ne sont pas aussi économiques que les pompes à lest d'air en cas de fonctionnement continu à des pressions supérieures à 40 mbar. En faisant fonctionner la pompe Roots avec un convertisseur de fréquence, on limite la vitesse de la pompe à une pression plus élevée, mais la consommation d'énergie spécifique est effectivement plus favorable. Si les pompes Roots sont installées pour pomper des vapeurs, comme dans le cas des pompes à lest d'air, un tableau incluant tous les cas possibles peut être fourni (voir Fig. 2.74).
Fig. 2.74 Domaines d'application des pompes Roots et des condenseurs pompant de la vapeur d'eau (sans GB = sans lest d'air)
Zone A : une pompe Roots avec une pompe à palettes rotatives mono-étagée sans lest d'air.
Comme il n'y a qu'une compression entre la pompe Roots et la pompe à palettes rotatives, ce qui suit s'applique ici aussi :
pv < 0,46 pp
Cette exigence est valable pour toute la zone de fonctionnement de la combinaison de pompes et, par conséquent, pour des pressions totales comprises entre 10-2 et 40 mbar (ou 1013 mbar pour les pompes Roots comportant une conduite de dérivation ou un entraînement par convertisseur de fréquence).
Zone B : un condenseur principal, une pompe Roots comportant une conduite de dérivation ou un convertisseur de fréquence, un condenseur intermédiaire et une pompe à lest d'air.
Cette combinaison n'est économique que si de grandes quantités de vapeur d'eau doivent être pompées en continu à des pressions d'entrée supérieures à environ 40 mbar. La taille du condenseur principal dépend de la quantité de vapeur impliquée. Le condenseur intermédiaire doit faire chuter la pression partielle de vapeur sous 60 mbar. Par conséquent, la pompe à lest d'air doit être juste assez grande pour empêcher la pression partielle d'air derrière le condenseur intermédiaire de dépasser une certaine valeur. Par exemple, si la pression totale derrière la pompe Roots (qui est toujours égale à la pression totale derrière le condenseur intermédiaire) est de 133 mbar, la pompe à lest d'air doit pomper la quantité d'air qui est amenée jusqu'à elle par la pompe Roots à une pression partielle d'air d'au moins 73 mbar. Dans le cas contraire, elle doit absorber plus de vapeur d'eau qu'elle ne peut en tolérer. Il s'agit là d'une exigence fondamentale : l'utilisation de pompes à lest d'air n'est judicieuse que si l'air est également pompé !
Dans le cas d'un réservoir parfaitement étanche, la pompe à lest d'air doit être isolée une fois la pression de service requise atteinte et le pompage doit continuer uniquement avec le condenseur. La page dédiée aux condenseurs explique la meilleure combinaison possible de pompes et de condenseurs
Zone C : une pompe Roots, un condenseur intermédiaire et une pompe à lest d'air.
La limite inférieure de la pression partielle de vapeur d'eau est déterminée par le rapport de compression de la pompe Roots à la pression de refoulement, qui est déterminée par la pression de vapeur de saturation de l'eau condensée. En outre, dans cette zone, le condenseur intermédiaire doit être capable de faire baisser la pression partielle de vapeur à au moins 60 mbar. La disposition indiquée convient, lors du refroidissement du condenseur avec de l'eau à 15 °C (59 °F), à des pressions de vapeur d'eau comprises entre environ 4 et 40 mbar.
Zone D : une pompe Roots et une pompe à lest d'air.
Dans cette zone D, les limites dépendent aussi essentiellement des étages et des rapports de tailles des pompes. Toutefois, cette combinaison peut généralement toujours être utilisée entre les limites mentionnées précédemment, donc entre 10-2 et 4 mbar.
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Tableau XII Données importantes (chiffres caractéristiques) pour les solvants courants.
Fig. 9.19 Diagramme de phase de l'eau
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