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Vapeur d’eau L40/WV

Mesures de la vapeur d’eau dans l’analyse thermique

Différence entre la vapeur d’eau et l’humidité relative dans l’analyse thermique

Lorsque l’eau est chauffée à son point d’ébullition ou à un point supérieur, l’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux. Elle existe alors sous forme de vapeur d’eau (steam). Si cette vapeur est introduite dans une chambre de réaction ou un instrument quelconque, on parle d’application de vapeur d’eau.

En revanche, tout gaz peut transporter et contenir une certaine quantité d’eau à une température donnée. C’est ce qu’on appelle l’humidité. Si l’on prend l’exemple de l’air, il y a toujours une quantité d’eau contenue dans l’air, même en dessous du point d’ébullition de l’eau, qui est définie comme degré d’humidité ou humidité relative.

State of matter

Contrairement à l’humidité relative, au-dessus du point d’ébullition dépendant de la pression, qui est de 100°C au niveau de la mer, l’eau n’existe que dans sa phase gazeuse, sous forme de vapeur d’eau. En mélangeant la vapeur d’eau, produite dans un générateur de vapeur d’eau, avec un gaz porteur tel que l’air, l’azote ou l’hélium, la concentration variable (en Vol.-%, wt.% ou ppm) de la vapeur d’eau dans le gaz échantillon peut être ajustée dans nos analyseurs.

En outre, selon l’application, l’atmosphère gazeuse à l’intérieur de l’appareil peut être statique ou dynamique. Les études typiques pour les atmosphères dynamiques de vapeur d’eau comprennent le chauffage isotherme d’un échantillon et le dosage ultérieur d’une concentration définie de vapeur d’eau pour induire une réaction. Il peut s’agir par exemple de mesures d’adsorption, de désorption, de réduction, d’oxydation ou de transformation.

Dans l’analyse thermique, les générateurs de vapeur d’eau sont généralement utilisés en combinaison avec des thermobalances comme la TGA et la STA (à des pressions élevées) ainsi que des dilatomètres.

Mesures en fonction de la pression dans des atmosphères de vapeur d’eau

En plus de la concentration et de la température, le niveau de pression de l’atmosphère peut être contrôlé, car il a une grande influence sur l’expérience. Un niveau de pression élevé est particulièrement intéressant pour le déplacement des conditions d’équilibre des réactions, par exemple pour la gazéification du charbon ou de la biomasse, qui peut être étudiée à l’aide de nos analyseurs STA à haute pression.

Néanmoins, avec l’augmentation du niveau de pression, de nouvelles conditions limites doivent être prises en compte. Par exemple, une augmentation du niveau de pression déplace le point d’ébullition vers des températures plus élevées, jusqu’à ce qu’il atteigne le point dit critique.

D’autre part, le niveau de pression maximal de l’eau gazeuse est défini par la courbe de pression de vapeur saturante. Si la pression devient trop élevée, l’eau se condense. Pour des températures ou des pressions plus élevées, au-delà du point critique, la densité de l’eau liquide est aussi importante que celle de l’eau gazeuse, de sorte qu’elle ne peut plus se condenser. C’est ce qu’on appelle un état supercritique, par exemple de la vapeur d’eau surchauffée.

Afin de produire une atmosphère H2O dans le four à des températures supérieures à 100 °C, un générateur de vapeur d’eau doit être utilisé en combinaison avec nos systèmes. Le générateur évapore l’eau sans nécessairement mélanger la vapeur d’eau résiduelle avec les autres gaz de purge, ce qui permet d’obtenir une atmosphère H2O à 100% au niveau de l’échantillon. Néanmoins, elle peut aussi être diluée en ajoutant des gaz secs à l’aide de MFCs. Le mélange est donné comme une concentration variable (en Vol.-%, wt.% ou ppm) de la vapeur d’eau dans un gaz porteur sec.

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Applications

Les expériences de gazéification du charbon et de la biomasse constituent un exemple typique d’applications de la vapeur d’eau à des températures et des niveaux de pression élevés.

L’exemple donné montre une expérience typique de gazéification du charbon de bois. L’échantillon de charbon a été chauffé jusqu’à un plateau isotherme sous atmosphère d’azote à une pression de 50 bars (TGA haute pression – Thermo balance). Le signal de masse montre la perte de composants volatils entre 20 et 40 min. Après l’ajout de vapeur d’eau, le charbon a été gazéifié et presque complètement consommé après 150min, conduisant à H2, CO, CH3OH et autres gaz réactifs utiles, comme le montre la courbe rouge de perte de masse. L’ensemble du processus peut être décrit comme suit : Le carbone réagit avec la vapeur d’eau pour donner un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Le monoxyde de carbone obtenu peut réagir avec une deuxième molécule d’eau pour donner du dioxyde de carbone et de l’hydrogène supplémentaire. Enfin, l’hydrogène résultant peut former du méthane et d’autres hydrocarbures à partir du monoxyde de carbone.

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