Technologie des appareils
D'ordinaire, les condenseurs fonctionnent de façon horizontale. Les chicanes sont alors disposées verticalement et leur écartement est adapté de façon, d’une part à permettre une vitesse de circulation correcte et, d’autre part à limiter la perte de charge. On peut utiliser un système de siphon adapté sur la bride d’évacuation pour refroidir le condensat au dessous de sa température de bulle (voir figure 2), mais on préfère le plus souvent monter alors le condenseur de façon verticale. Cette dernière disposition permet un réglage facile des surfaces de tubes travaillant à la condensation et des surfaces noyées travaillant au refroidissement (cf. encore figure 2).
Pour les condenseurs de surfaces élevées, on cherche généralement à limiter la perte de charge dans la calandre (côté de la vapeur à condenser) en adoptant certaines configurations classiques :
- courant divisé (divided flow) figure 3a,
- courant divisé et regroupé (split flow) figure 3b,
- double courant divisé (double split) figure 3c.
2.1. Condenseur sous vide
Des vapeurs sont fréquemment générées sous vide, de façon à limiter les températures des produits thermosensibles, ou à limiter aussi la quantité de chaleur à fournir pour évaporer un produit. De nombreuses opérations de condensation sont alors effectuées sous vide, la plupart du temps sur des condenseurs horizontaux.
Une des difficultés dans le fonctionnement de condenseur sous vide concerne la sortie des condensats. On trouve principalement deux méthodes, le soutirage par pompe ou par jambe barométrique, qui sont brièvement décrites ci-après.
2.1.1. Soutirage par pompe
Un récipient reçoit les condensats par gravité. Ce récipient est en équilibre avec le condenseur et une pompe permet d’extraire les condensats et de les envoyer pour l’utilisation suivante. L’inconvénient est ici d’avoir une pompe travaillant avec une aspiration sous vide, et avec un liquide bouillant. Il faudra bien choisir la garniture mécanique pour l’étanchéité de la pompe et veiller à son implantation pour respecter le NPSH.
2.1.2. Soutirage par jambe barométrique
C’est le type de montage présenté figure 4, page suivante.
Dans ce cas, le condensat s’écoule par gravité dans la tuyauterie de descente formant la jambe barométrique vers le pot de réception. Au départ de la descente la tuyauterie sera élargi sur une distance de 600 mm afin de permettre le dégazage du liquide sortant. La descente se fait avec une pente de 45° en général, de façon à éviter l’entrainement de gaz avec le liquide, qui pourraient compromettre son écoulement.
La tuyauterie arrive dans le pot de réception par un plongeur, de manière à éviter une entrée d'air, le pot restant à pression atmosphérique. Le liquide remplit donc la descente dont la hauteur est fonction de la pression dans le condenseur. Il ne faut pas noyer le condenseur, donc le niveau de liquide doit être maintenu dans la jambe.
Si le niveau devient trop bas dans le pot, la garde de la jambe barométrique n'est plus assurée : L'air s'introduira et le vide sera cassé. Pour éviter ce dysfonctionnement, on peut effectuer le soutirage des condensats sur le côté du pot a un niveau tel qu'il soit physiquement impossible de casser le vide. Un piquage avec une vanne est prévu sur le fond pour pouvoir vidanger le pot en cas d'arrêt.
2.2. Condenseur vertical
La condensation peut aussi se faire dans un condenseur installé verticalement. On utilise cette disposition pour la condensation avec sous refroidissement, lorsque l’emplacement disponible est réduit ou pour des condensations en tête de colonne. Ces dernier cas sont détaillés ci-après, le premier ayant été présenté en début de chapitre.
2.2.1. Condensation en tête de colonne
Dans ce cas, le condenseur est monté verticalement et il est intégré en tête de la colonne à distiller. Il peut travailler soit à pression atmosphérique, soit sous vide. Le condenseur est donc monté sur une bride de diamètre égal au diamètre de la calandre située sur le sommet de la colonne.
Avec cette implantation on peut alimenter le reflux de la colonne, et soutirer les légers sans pompe. Ce montage est intéressant pour des colonnes sous vide quand le diamètre de la colonne est important par rapport au diamètre de la calandre du condenseur. On évite ainsi la liaison colonne condenseur en tuyauterie de gros diamètre minimisant les pertes de charge. On peut de même assurer la jambe barométrique pour soutirer le distillat.
On utilise généralement un fluide à un niveau thermique, mais dans le cas où il est nécessaire d’utiliser deux fluides de refroidissement (présence d’inertes, vapeur complexe, sous refroidissement important du distillat), on utilise alors deux faisceaux tubulaires en U dans la même calandre. C’est le cas du schéma présenté figure 5.
Sur le schéma présenté figure 5, les vapeurs arrivent directement dans la calandre du condenseur en provenance de la colonne. Elles montent à travers le premier faisceau tubulaire (celui de droite) et se condensent. Le condensat tombe à contre courant dans le fût de la colonne. Les vapeurs arrivant au sommet du faisceau passent dans le deuxième compartiment (celui de gauche) par une fenêtre. Elles rencontrent le deuxième faisceau et continuent à se condenser sur les tubes qui sont à une température inférieure.
Les condensats coulent par gravité du premier faisceau sur le plateau situé en tête de la colonne. Les condensats provenant du deuxième faisceau sont recueillis dans le fond du compartiment et s’écoulent par une tuyauterie pour rejoindre le même plateau. Les condensats des deux échangeurs pouvant avoir des compositions différentes (condensation de mélange), il peut être intéressant d’effectuer le soutirage sur la tuyauterie de sortie du deuxième condenseur.
Enfin, les gaz sortant du condenseur contiennent des inertes et du produit entraîné par tension de vapeur. Ils sortent du deuxième compartiment juste au dessus de la sortie des condensats
2.2.2. Faible emplacement disponible
Le choix du type d’appareil doit se faire en tenant compte des contraintes d’implantation. Dans certain cas on sera amené à installer le condenseur verticalement si les contraintes d’espace dans le plan horizontal sont importantes. Il ne faut pas oublier que la place prise par un échangeur est souvent le double de la longueur de la calandre : Il faut soit démonter le faisceau soit pouvoir nettoyer les tubes…
2.3. Conclusion
Plus que les caractéristiques technologiques des condenseurs, qui sont les mêmes que celles des échangeurs tubes et calandre, cette partie a présenté les principaux modes d’implantation et d’utilisation des condenseurs dans l’industrie. On retiendra l’utilisation de la jambe barométrique et le fonctionnement d’un condenseur en tête de colonne.
Cette description ne saurait être complète sans mentionner l’utilisation de condenseurs en graphite pour la condensation de vapeurs très corrosives. Ces derniers appareils sont souvent installés verticalement.