Générer de la vapeur

Au quotidien, nous sommes entourés de vapeur. Nous la respirons, et nous pouvons percevoir sa présence à la vue ou au toucher. Un exemple significatif est la vapeur d'eau faisant partie de l'air qui nous entoure dans nos maisons. Celle-ci devient perceptible si l'air rencontre une surface plus froide, comme une fenêtre. La vapeur d'eau contenue se condense alors sur la vitre et devient visible et tangible sous forme liquide.

Dans les procédés industriels et les laboratoires, les vapeurs jouent également un rôle. Décrivons à présent ce qu'elles sont, où elles sont utilisées, et comment elles peuvent être acheminées de manière contrôlée vers ces procédés.

En savoir plus sur la génération de vapeur

Qu'est-ce que l'état de vapeur ?
Comment générer de la vapeur ?
Pourquoi utiliser de la vapeur ?
Méthode conventionnelle pour générer de la vapeur à l'aide de bulleurs
Générer de la vapeur à l'aide du système d'évaporation et de mélange contrôlés (CEM)
Dans les applications avec un fluide en phase vapeur : évitez la condensation
Exemples d'applications de débit de vapeur

Systèmes pour générer de la vapeur

Qu'est-ce que l'état de vapeur ?

Une vapeur est très similaire à un gaz, qui est un état fondamental de la matière, tout comme les solides et les liquides. Les gaz et les vapeurs sont constitués de molécules distinctes qui se déplacent comme des particules libres. Cependant, il y a une différence essentielle entre un gaz et une vapeur. Si un composé est liquide à la température ambiante (environ 20 °C) et à la pression normale (1 atmosphère), alors nous appelons la forme « gazeuse » de ce composé une vapeur. C'est pourquoi nous appelons la forme « gazeuse » de l'eau une vapeur, alors que la forme « gazeuse » de l'oxygène est un gaz, car l'oxygène reste gazeux dans des conditions ambiantes.

Comment générer une vapeur ?

En augmentant la température ou en réduisant la pression, un liquide peut s'évaporer et passer en phase vapeur. À l'échelle moléculaire, à n'importe quelle température à la surface du liquide, il y a toujours des molécules qui s’échappe du liquide. Ainsi, au-dessus d'un liquide, il y a toujours une vapeur du même liquide. L'évaporation se produit à n'importe quelle température, et pas seulement à la température d'ébullition du liquide. Cette température d'ébullition n'est qu'une définition : c'est un point où la pression de vapeur du liquide égale la pression ambiante.

Jouer avec la température et la pression est un moyen de contrôler la pression de vapeur et, par conséquent, la quantité de vapeur ou, dans une situation dynamique, le débit de vapeur. Un autre moyen de contrôler la pression de vapeur - en la réduisant effectivement - est de diluer la vapeur, par exemple en ajoutant un gaz inerte tel que l'azote à la vapeur.

Pourquoi utiliser de la vapeur ?

Il existe des circonstances dans lesquelles vous voudrez peut-être ajouter de la vapeur à un procédé de manière contrôlée. Par exemple, pensez aux piles à combustible - PEMFC - dont les électrolytes doivent être dans un état hydraté (humidifié) pour maintenir une conductivité élevée et, par conséquent, une performance optimale. Pour en savoir plus, lisez l’exemple d’utilisation de l’un de nos clients.

Alternativement, vous pourriez vouloir fournir des concentrations précises de vapeur d'eau pour l'étalonnage et la certification de capteurs d'humidité, afin que ces dispositifs affichent les valeurs d'humidité correctes. Un autre usage de la vapeur est dans l’apport contrôlé de fluides métallo-organiques vaporisés dans un réacteur. Ces composés de vapeur agissent comme des précurseurs dans une réaction de dépôt chimique en phase vapeur pour déposer une fine couche sur un substrat par exemple pour déposer des films minces semi-conducteurs. Un apport précis en vapeur est nécessaire ici, pour contrôler précisément la croissance de la couche - même sur des objets de forme complexe - et éviter de gaspiller des précurseurs métallo-organiques coûteux.

Méthode conventionnelle pour générer de la vapeur à l'aide de bulleurs

Une façon traditionnelle de délivrer une vapeur à un procédé est d'utiliser un système de bulleur. Ici, un débit de gaz est diffusé à travers un récipient chauffé rempli d'un composé liquide. Ce débit de gaz porteur devient entièrement ou partiellement saturé de la vapeur du composé, et ce flux de vapeur est ensuite guidé par le gaz porteur vers le procédé de l’utilisateur.

Bien que cela soit un montage assez simple qui peut être utilisé de manière polyvalente, il présente quelques inconvénients. De petits changements dans les conditions du procédé peuvent entraîner d'importantes variations dans le débit de vapeur, des imprécisions sur les quantités délivrées avec une stabilité à long terme médiocre. Étant donné que la pression de vapeur dépend largement de la température du récipient, une légère variation de température entraînera une déviation plutôt importante de la pression de vapeur et donc du débit de vapeur.
De plus, la pression totale et le débit de gaz porteur doivent être stables pour obtenir un débit de vapeur stable. Cette solution de débit de vapeur dépend fortement de la température et de la pression et la pression de vapeur saturante est difficilement maitrisée et le système possède une importante inertie.

Gaz porteur à travers un liquide

Solution pour générer de la vapeur

Générer de la vapeur à l’aide du système d'évaporation et de mélange contrôlés (CEM)

Une façon de surmonter les obstacles mentionnés ci-dessus est d'utiliser un évaporateur CEM (Controlled evaporator mixer) pour délivrer de la vapeur en continu. Dans ce système d’évaporation, un régulateur de débit massique pour le gaz (tel qu'un modèle EL-FLOW Select) fournit un débit de gaz porteur précisément contrôlé, tandis qu'un débitmètre pour liquide avec boucle de régulation PID embarquée (tel qu'un mini CORI-FLOW ou LIQUI-FLOW) mesure et régule le débit du liquide à évaporer, par exemple tiré d'un récipient de liquide pressurisé à température ambiante.

La vanne de régulation du liquide est également un actionneur 3 voies et a pour rôle de mélanger les minuscules gouttelettes de liquide au gaz porteur. L’ensemble pénètre ensuite dans une chambre d'évaporation chauffée et contrôlée en température où le liquide s'évapore instantanément. On obtient en sortie un mélange gaz et liquide homogène. Un système CEM complet peut se piloter via un module externe ou via un PC avec des logiciels comme Bronkhorst Flowsuite, y compris une alimentation électrique, pour le fonctionnement des composants du système CEM.

Le système d’évaporation CEM est un équipement qui surpasse le bulleur pour plusieurs raisons. Le procédé est indépendant de la pression et la température car les débits de gaz et de liquide sont contrôlés avec des régulateurs de débit massique, le ratio molaire est ainsi maitrisé grâce à la précision et la répétabilité du débitmètre massique. Cette régulation de débit massique de précision apporte une grande stabilité de vapeur en sortie d’évaporateur. L’injection directe du débit de liquide dans le flux de gaz vecteur permet de mieux diffuser les molécules de liquide dans le gaz et réduit drastiquement le temps de réponse.

La chambre d’évaporation possède une forme géométrique interne générant de la turbulence, favorisant ainsi l’homogénéité du mélange gaz et liquide. Elle a également pour rôle de chauffer la fine gouttelette de liquide introduite dans le flux de gaz amenant à son évaporation. La quantité massique de débit de liquide peut être déterminée aisément en utilisant l’application en ligne Fluidat on the net. Egalement le taux d’humidité relative (% HR-) ainsi que la concentration molaire peuvent également être calculés, facilitant ainsi l’utilisation du système d’évaporation CEM de Bronkhorst.

Dans les applications avec un fluide en phase vapeur : évitez la condensation

Une vapeur peut facilement revenir en phase liquide à la suite d’une augmentation de la pression ou lors d’une diminution de la température – évènement qui n’apparaitrait pas avec un gaz sec. Le défi lorsque l’on utilise un fluide en phase vapeur est d'éviter la condensation, car elle peut entraîner la formation de gouttelettes qui peuvent perturber ou nuire au procédé.

Ainsi, sans modifier la pression du système, maintenez toujours la consigne de température du CEM à une valeur plus élevée que la température de point de rosée. Ou inversement, sans changer la température, maintenez toujours la pression en sortie du CEM plus basse que la pression à l'intérieur du CEM.

Exemples d'applications de débit de vapeur

L’utilisation de fluide en phase vapeur à l'aide de systèmes CEM se produit généralement dans des applications tels que le traitement de surface, celles dans l'industrie agro-alimentaire, les applications pharmaceutiques, ou dans l’étude et les tests de matériaux, et la recherche environnementale.

À titre d'exemple, un système CEM a été utilisé dans un procédé de stérilisation pour des emballages aseptiques. Lisez l’exemple d’utilisation du client.
De plus, le CEM est utilisé pour fournir une atmosphère avec une humidité relative contrôlée pour les bancs d'essai de piles à combustible dans l'industrie automobile. Lisez la note d’application pour en savoir plus.