Échangeurs de chaleurs

Qu’il s’agisse d’apporter ou d’éliminer de la chaleur, les modes d’utilisation restent les mêmes : on utilise soit la capacité calorifique (chaleur sensible), soit la chaleur de vaporisation-condensation (chaleur latente) d’un fluide en circulation dans un échangeur de chaleur. Parmi les fluides chauds les plus utilisés dans le domaine des réactions chimiques, on peut citer :

• la vapeur d’eau (chaleur latente) ;

• le mélange eutectique : 73,5 % de diphényloxyde et 26,5 % de diphényle (chaleur sensible ou chaleur latente) ;

• les huiles minérales à tendance fortement aromatique (chaleur sensible) ;

• les sels fondus (chaleur sensible).

Les fluides froids les plus utilisés dans le domaine qui nous intéresse sont :

• l’air (chaleur sensible) ;

• l’eau (chaleur sensible et éventuellement chaleur latente) ;

• les saumures (chaleur sensible) ;

• les fluides réfrigérants du type hydrocarbure fluoré et chloré (chaleur latente).

On remarque incidemment que le sens du transfert (apport ou élimination de calories) ne constitue pas un critère de classement ; ainsi, l’eau liquide pourra être utilisée indifféremment pour refroidir, qu’il y ait ou non vaporisation au cours de cette opération, ou pour chauffer en conditions douces.

Chaque fois que cela sera possible, on utilisera de préférence l’eau, sous forme liquide ou vapeur, à cause de sa commodité d’emploi et de ses propriétés remarquables ; capacité calorifique élevée, chaleur de vaporisation-condensation élevée. L’inconvénient majeur de l’eau est dû à sa tension de vapeur élevée, ce qui interdit pratiquement son utilisation au-delà de 250°C.

Par ailleurs, l’eau gèle à 0°C, ce qui n’est pas sans inconvénient. Le domaine pratique d’utilisation de l’eau est donc limité à la fourchette 20-200°C. Lorsqu’on utilise l’eau comme moyen de refroidissement, celle-ci provient, dans la très grande majorité des cas industriels, d’une installation en circuit fermé comportant une tour de refroidissement à l’air.

Dans ces conditions, il est rare que l’on puisse disposer d’eau à température plus basse que 25°C. Par ailleurs, on admet en général un échauffement de cette eau de l’ordre de 10 à 15°C lors de son passage dans l’échangeur. Ces limites fixent le débit d’eau de refroidissement à assurer pour un service donné.

Lorsque l’eau est rare, on préfère utiliser des aéroréfrigérants, c’est-à-dire, des échangeurs refroidis par un courant d’air produit par un ventilateur. Dans ces conditions et suivant les lieux d’utilisation, on ne peut guère espérer refroidir un effluent en dessous de 50°C.

Le mélange eutectique diphényloxyde-diphényle (Dowtherm « A » de Dow, Thermex de ICI, Diphil de Bayer, Gilotherm de Rhône-Poulenc) a fait de nombreux adeptes. On peut l’utiliser entre 12 et 400°C, de préférence entre 100 et 370°C et en phase de vapeur de 250°C à 370°C. Outre son prix, les principaux inconvénients de ce mélange sont : une tendance à la décomposition avec altération des propriétés lors d’un service continu à plus de 360°C, une odeur pénétrante pouvant incommoder à la longue, des difficultés pour assurer une étanchéité totale des circuits, surtout en phase vapeur.

Les huiles minérales ont tendance à remplacer le mélange eutectique DO-D (Mobiltherm, Santotherm, etc.). Elles peuvent être utilisées, uniquement en phase liquide, jusqu’à 320°C, certaines jusqu’à 400°C (huiles riches en composés terphényles).

Au-delà de 350°C, il y avantage à s’orienter vers les sels fondus. À ce titre, le mélange constitué par 40% de nitrite de sodium, 7 % de nitrate de sodium et 53 % de nitrate de potassium peut être utilisé jusqu’à 450°C et même 600°C, si l’on accepte une légère décomposition. L’inconvénient majeur des sels fondus réside dans leur haut point de solidification (150°C), ce qui implique des précautions spéciales lors des démarrages et des arrêts.

Au-delà de 500°C, et si l’on accepte les métaux alcalins fondus utilisés essentiellement dans l’industrie nucléaire, on utilise un chauffage par flamme directe, par gaz (fumées de combustion) ou électrique. Dans cette même gamme de température, le refroidissement est assuré le plus souvent par échange charge-effluent ou par injection directe de gaz ou de liquide de trempe.

Vers les basses températures, lorsque l’eau ne peut plus être utilisée, on a recours à des unités de production de froid. Celles-ci sont basées le plus souvent sur des cycles compressionliquéfaction-détente-vaporisation de fluides réfrigérants du type hydrocarbures chlorés et fluorés. Depuis la signature du protocole de Montréal visant à éliminer les substances qui appauvrissent la couche d’ozone, les classiques CFC et HCFC sont désormais remplacés par des mélanges azéotropiques, sans effets sur la couche d’ozone et de faible niveau de toxicité. .On retiendra ici le R410 A, pour des températures supérieures à 0°C ou le R404A qui peut être utilisé jusqu’à -60°C.

Lorsque l’on parle de température d’utilisation d’un réfrigérant, il s’agit de la température régnant au ballon d’évaporation et non de la température disponible pour le refroidissement de l’enceinte réactionnelle. En effet, il est relativement rare que l’on évapore directement du fluide réfrigérant dans l’échangeur de chaleur associé au réacteur chimique ou dans le réacteur chimique lui-même. Il est plus habituel et plus commode d’utiliser un fluide intermédiaire constitué par une saumure (eau additionnée de NaCl et/ou de CaCl2 ou d’autres sels).

Dans d’autre cas on se contentera d’eau additionnée de méthanol, d’éthylèneglycol, de glycérol ou d’éthers de glycol ou de glycérol.

Dans des cas plus difficiles, on aura recours à des saumures plus sophistiquées telles que la saumure au LiCl, utilisable jusqu’à –80°C.