Gaz comprimés : risques de compression des mélanges CO2 et H2O
Dans le domaine de l'ingénierie, la compression des mélanges de gaz est un processus commun mais complexe qui nécessite une compréhension approfondie des propriétés et des comportements des gaz utilisés. Aujourd'hui, nous allons examiner les spécificités de la compression du dioxyde de carbone (CO2) lorsqu'il est mélangé à de l'eau (H2O), un scénario qui présente des défis et des risques uniques.
La nature du CO2
Le CO2 est un gaz inodore et invisible, plus lourd que l'air ambiant.
A température (20 °C) et pression (1 bara) ambiantes, il existe en tant que gaz, mais son comportement change lorsqu'il est combiné avec de l'eau. Si la concentration en H2O est supérieure à 2,33 % du volume, l'eau commence à se condenser et à former des gouttelettes liquides.
La condensation de H2O gazeux se produit également, par exemple, lorsqu'un mélange de gaz chauds et saturés est refroidi par un refroidisseur intermédiaire ou un refroidisseur final après la compression.
En présence de H2O liquide, le mélange forme de l'acide carbonique (H2CO3), qui est un équilibre entre le CO2, le H2O liquide et les ions HCO3-. Cet équilibre est influencé par la pression partielle du CO2, qui détermine la quantité de CO2 qui reste sous forme de gaz ou qui se transforme en ions HCO3 dans le condensat.
Plus les ions HCO3 sont dissous, plus les condensats deviennent acides.
Les risques acides associés
Le principal risque de compression d'un mélange CO2 et H2O réside dans la formation d'acides. Lorsque le CO2 entre en contact avec l'eau, il forme de l'acide carbonique, qui peut avoir des effets corrosifs sur les matériaux utilisés dans la chambre de compression ou tout endroit où de la condensation peut se produire.
C'est pourquoi l'utilisation d'acier inoxydable dans la construction des compresseurs et des composants associés est essentielle. L'acier inoxydable offre une résistance à la nature corrosive des acides formés pendant la compression et le refroidissement, garantissant ainsi la longévité et la fiabilité des machines.
Acier inoxydable
L'acier inoxydable est réputé pour sa résistance à la corrosion, qui est principalement due à la présence de chrome. Par définition, les aciers inoxydables doivent avoir une teneur minimale en chrome de 10,5 % en poids. La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable peut être davantage améliorée par l'ajout d'autres éléments d'alliage tels que le nickel, le molybdène, l'azote et le titane.
Par exemple, l'acier inoxydable AISI 304L, qui contient 18,111 % de chrome et 8,074 % de nickel, offre une bonne résistance à la corrosion et de bonnes propriétés mécaniques, avec une limite d'élasticité de 351 N/mm² et une résistance à la traction de 619 N/mm². Il se distingue également par sa faible teneur en carbone, qui permet d'éviter la corrosion intergranulaire après soudage.
Ces propriétés font de l'acier inoxydable un matériau idéal pour de nombreuses applications, y compris dans les industries médicales, agroalimentaires et de construction, où la durabilité et l'hygiène sont primordiales.
Les risques liés aux liquides associés
Un deuxième risque, tout aussi important, à prendre en compte dans le cas de mélanges de gaz comprenant du H2O, est lié à la formation de gouttelettes liquides avant la compression. Ces gouttelettes liquides sont beaucoup moins compressibles qu'un gaz. Lorsqu'elles pénètrent dans la chambre de compression d'un compresseur volumétrique, les forces nécessaires pour les comprimer peuvent être bien supérieures à celles pour lesquelles le compresseur à gaz est conçu.
Cela pourrait entraîner des défaillances du vilebrequin, des dommages sur la bielle de piston ou d'autres pannes mécaniques.
Pour atténuer les risques associés à la compression du CO2 humide, et en particulier du CO2 saturé, il est obligatoire d'utiliser
un séparateur d'entrée.
- Ce dispositif empêche l'eau liquide de pénétrer dans la chambre de compression, protégeant ainsi les cylindres, les soupapes et les pistons de tout dommage.
- Il garantit également le fonctionnement fiable du compresseur de gaz dans les applications exigeantes.
Les risques thermiques associés
Un autre aspect à prendre en compte est la chaleur spécifique du mélange de gaz. La chaleur spécifique indique la quantité d'énergie nécessaire pour modifier la température du gaz. La compression de la même quantité d'air ambiant ou de CO2 pur se traduira par une température différente du gaz à la même pression de sortie.
Une bonne compréhension de cette propriété est essentielle pour affiner le processus de compression et les exigences de refroidissement associées afin d'éviter tout risque associé aux variations de température.
Un refroidisseur intermédiaire et un refroidisseur final correctement dimensionnés permettent de faire fonctionner un compresseur de la manière la plus efficace possible et de réduire les coûts d'exploitation au minimum.
En résumé
La compression des mélanges CO2 et H2O est une tâche qui exige le respect des propriétés des gaz concernés.
En utilisant les bons matériaux, tels que l'acier inoxydable, et en intégrant des mesures de sécurité telles que les séparateurs d'entrée, les ingénieurs peuvent gérer efficacement les risques et garantir des opérations sûres et efficaces.