2-1/b équilibre liquide-vapeur équilibre liquide

BA ELV - 02150_A_F - Rév. 3 18/05/2006
I - DOMAINE D’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES ......... 1
1 - Vaporisation et condensation à pression constante..................................................................... 1
2 - Interprétation ................................................................................................................................ 2
3 - Domaine d’équilibre liquide-vapeur ............................................................................................. 3
II - ÉTUDE DU FLASH D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES .................................................. 4
1 - Mise en œuvre du flash................................................................................................................ 4
2 - Étude des compositions des phases liquide et vapeur d’un flash ................................................ 5
III - TENSION DE VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES ......................................... 10
1 - Signification................................................................................................................................ 10
2 - Expression de la tension de vapeur d’un mélange d’hydrocarbures.......................................... 12
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ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR
ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DES MÉLANGES
Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques
 2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training
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Ingénieurs en
Sécurité Industrielle

02150_A_F
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I - DOMAINE D’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR D’UN MÉLANGE D’HYDROCARBURES
1 - VAPORISATION ET CONDENSATION À PRESSION CONSTANTE
L'expérience de vaporisation peut, comme pour un corps pur, être réalisée dans un cylindre muni d'un
piston étanche que l'on peut déplacer pour maintenir la pression à la valeur fixée P1.
La température de départ t1 est telle que le mélange est à l'état liquide. On a représenté et numéroté
les différentes phases de l'expérience sur le schéma ci-dessous.
Liquide Liquide + vapeur Vapeur
APPORT DE CHALEUR
trt6
D TH 010 K
t4 t3 tb t1
Pression (atm)
Température (°C)
en 1 Le mélange est entièrement à l'état liquide. Il est éloigné de ses conditions de
vaporisation, on dit qu'il est sous refroidi.
en 2 La température du mélange s'élève par apport de chaleur sensible et à la
température tb apparaît une première bulle de vapeur. Cette température de début
de vaporisation est appelée température de bulle du mélange sous la pression P1.
On dit aussi que le mélange est à son point de bulle.
en 3 et 4La vaporisation se poursuit progressivement par apport de chaleur latente de
vaporisation. Mais contrairement à ce que l'on a observé pour les corps purs la
température continue à croître pendant la vaporisation.
en 5 Le mélange a atteint la température de fin de vaporisation. Cette température est
appelée température de rosée du mélange sous la pression P1. Le mélange est à
l'état de vapeur saturée, on dit aussi qu'il est à son point de rosée.
en 6 L'apport de chaleur provoque une augmentation de la température de la vapeur qui
passe donc à l'état de vapeur surchauffée.
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La condensation du mélange pris à l'état de vapeur surchauffée amène des observations similaires,
mais ordonnées dans le sens inverse :
-désurchauffe de la vapeur de t6 à tr,
-début de condensation à la température de rosée du mélange,
-condensation à température décroissante avec libération de la chaleur latente de
condensation,
-fin de la condensation à la température de bulle du mélange : tb,
-sous refroidissement du liquide de tb à t1.
2 - INTERPRÉTATION
Le comportement d'un mélange d'alcanes lors de la vaporisation (ou de la condensation) à pression
constante se traduit donc par l'apparition d'un intervalle de température où il y a coexistence du
liquide et de la vapeur, comme le montre le schéma suivant :
LIQUIDE + VAPEUR VAPEURLIQUIDE
t1t3t4t6
D TH 212 A
tr tb
Température de bulle Température de rosée
TEMPÉRATURE
Mélange vapeur
surchauffée
Mélange liquide
sous-refroidi Coexistence de deux phases
t2t5
- En dessous de sa température de bulle le mélange est à l'état liquide sous refroidi.
- Au dessus de sa température de rosée il est vapeur surchauffée.
- Entre les températures de bulle et de rosée, il se présente sous la forme d'un mélange de liquide et
de vapeur. La proportion de liquide dans le mélange décroît quand on passe du point de bulle au
point de rosée.
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3 - DOMAINE D'ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR
L'expérience précédente peut être répétée à différentes pressions. Comme pour les températures
d'ébullition des corps purs on observe alors que les températures de bulle et de rosée s'élèvent quand
la pression augmente. L'ensemble de ces températures reporté dans un diagramme pression-
température permet de tracer deux courbes :
-une courbe de bulle reliant l'ensemble des points de bulle,
-une courbe de rosée reliant l'ensemble des points de rosée.
Ces deux courbes font apparaître trois domaines comme cela est représenté sur le schéma ci-après :
C
o
u
r
b
e
d
e
b
u
l
l
e
5
0
%
v
a
p
o
r
i
s
é
e
n
m
o
l
e
C
o
u
r
b
e
d
e
r
o
s
é
e
Pression
Température
— VAPEUR —
— LIQUIDE —
— L + V —
D TH 077 D
1
2
3
% vaporisé du mélange
croissant
-domaine 1 à gauche de la courbe de bulle : le mélange est liquide,
-domaine 2 entre les courbes de bulle et de rosée : le mélange est partiellement
vaporisé, il y a équilibre liquide-vapeur,
-domaine 3 à droite de la courbe de rosée : le mélange est gazeux.
Les phénomènes de distillation peuvent être mis en évidence quand on réalise une séparation liquide-
vapeur d'un mélange. Cela suppose que l'on se situe dans la zone 2 du schéma ci-dessus.
L'opération de séparation liquide-vapeur correspondante est souvent appelée flash. Elle permet de
faire apparaître les différences de comportement des constituants du mélange en fonction de leur
volatilité.
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II - ÉTUDE DU FLASH D'UN MÉLANGE D'HYDROCARBURES
1 - MISE EN OEUVRE DU FLASH
Réaliser un flash consiste par exemple, à vaporiser partiellement un mélange de départ appelé
charge, grâce à un chauffage approprié ; puis à séparer en continu les deux phases liquide et vapeur
à l'aide d'un ballon , dit "ballon de flash". La même situation peut aussi être réalisée après
condensation partielle d'un mélange à l'état vapeur.
L'appareillage utilisé est représenté ci-dessous :
Vapeur
Liquide
D PCD 031 C
LRC
PRC
Pompe
Échangeur
de chaleur
Mélange
d'alimentation
Ballon
séparateur
FRC
TRC
P
T
Les différentes boucles de régulation représentées sur le schéma permettent d'assurer :
- un débit constant de charge (FRC au refoulement de la pompe)
- des conditions de température et de pression constantes dans le ballon (TRC et PRC)
- un niveau constant (LRC sur le niveau du ballon)
Les conditions de pression et de température du ballon déterminent l’état de vaporisation de la
charge :
- à une pression plus faible correspond un mélange plus vaporisé
- à une température plus forte correspond aussi un mélange contenant plus de vapeur
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