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Comment utiliser un détendeur pour réduire le temps de réponse d’un système d’instrumentation analytique

détendeurs

Comment utiliser un détendeur pour réduire le temps de réponse d’un système d’analyse

3 avril 2019 | Jon Kestner, responsable produit

Contrairement aux mesures effectuées sur les process qui sont instantanées, les mesures fournies par un analyseur ne sont jamais immédiates. Le transfert du fluide du point de prélèvement jusqu'à l’analyseur prend toujours un certain temps. Malheureusement, ce temps de réponse est souvent sous-estimé ou mal compris.

Dans un système d’échantillonnage, le temps de réponse correspond à la durée nécessaire pour qu’un nouvel échantillon atteigne l’analyseur. Un moyen de contrôler ce temps de réponse consiste à utiliser un détendeur. Les détendeurs contrôlent la pression et il existe une étroite relation entre le temps et la pression dans les systèmes d’analyse. Dans le cas de circuits de gaz au débit contrôlé, plus la pression est basse, plus le temps de réponse est court.

Toutes les parties essentielles d’un système d’instrumentation analytique – ligne de process, vanne et sonde de prélèvement, station de mesure, ligne de transport, système de conditionnement des échantillons, système de commutation des lignes, analyseur – peuvent contribuer à rallonger le temps de réponse. Le schéma ci-dessous représente les éléments de base du système d’échantillonnage d’un analyseur de process.

station de mesureTLe temps de réponse est cumulatif. Il est égal à la durée totale du trajet parcouru par le fluide depuis la ligne de process contrôlée jusqu’à l’analyseur. Dans un premier temps, nous allons nous concentrer sur la station de mesure et sur le rôle important d’un détendeur dans le raccourcissement du temps de réponse.

Avant la station de mesure

La réduction du temps de réponse commence avec un placement correct de la vanne de prélèvement. Il est préférable de placer la vanne le plus près possible de l’analyseur, mais en amont des sources de retard que sont les cuves, les réservoirs, les bras morts, les lignes mortes et les équipements redondants ou obsolètes.

Lors de l’échantillonnage d’un liquide, la pression au niveau de la vanne doit être suffisante pour que l’échantillon puisse être acheminé par les lignes de transport ou la boucle rapide sans l’aide d'une pompe, composant onéreux qui introduit des variables de rendement.

Dans de nombreux cas, vous ne pourrez pas imposer l’emplacement de la vanne de prélèvement. Il est possible que vous deviez, d’une part, vous contenter d’un emplacement existant, et d’autre part, faire avec un abri déjà en place pour l’analyseur. Si la vanne se trouve loin de l’analyseur, il est recommandé d’installer une boucle rapide de manière à pouvoir acheminer rapidement le fluide vers l’analyseur et à pouvoir renvoyer la partie non utilisée dans la ligne de process.

Dans la plupart des systèmes d’instrumentation analytique, la sonde constitue une autre source de retard. Plus la sonde est volumineuse, plus le retard occasionné est important. Ce volume est fonction de la longueur et de la largeur de la sonde. Si vous cherchez à réduire au maximum le temps de réponse, choisissez une sonde de faible volume.

Au niveau de la station de mesure

Dans les cas où l’analyseur requiert l’utilisation d’un échantillon liquide, il n’est pas nécessaire de recourir à un détendeur dans la station de mesure. Il est préférable de maintenir les liquides à des pressions élevées afin d’éviter la formation de bulles. Dans le cas d’un échantillon gazeux, une station de mesure est utilisée pour réduire la pression dans les lignes de transport.

Le temps de réponse est proportionnel à la pression absolue. Une diminution de moitié de la pression absolue entraîne la même diminution du temps de réponse. La station de mesure doit être placée au plus près de la vanne de prélèvement. Il est préférable de faire baisser la pression le plus rapidement possible. Examinons trois utilisations possibles d'un détendeur dans une station de mesure. Pour chaque application, la configuration du détendeur diffère légèrement.

Application nº 1

Dans la première application, l’objectif est de réduire la pression d’un gaz. La chute de pression ne doit pas entraîner de condensation. Par conséquent, un détendeur simple peut être utilisé. Un détendeur de pression maintient une pression de sortie constante. Un élément détecteur, généralement une membrane ou un piston, se déplace en fonction de la pression exercée en aval, ce qui permet à l'élément régulateur, le plus souvent un clapet en forme de cône, de modifier la section du passage emprunté par le gaz. Lorsque l’élément détecteur est poussé vers le haut sous l’effet d’une pression plus élevée, l’élément régulateur se rapproche du siège du détendeur et la section du passage diminue. Lorsque l’élément détecteur redescend du fait d’une pression moindre, la section du passage augmente. La plupart des détendeurs utilisés dans un système d’analyse possèdent une poignée permettant à l’opérateur de régler la pression de sortie en comprimant ou en détendant un ressort de tarage qui va mettre en mouvement l’élément détecteur en fonction de la pression de sortie.

Un détendeur à membrane métallique est idéal pour les applications dans lesquelles la pression d’entrée ne présente pas de brusques variations ou lorsque la compatibilité chimique a son importance. En revanche, pour les applications dans lesquelles la pression d’entrée est instable ou sujette à des pics, un détendeur à piston est plus approprié.

Application nº 2

Dans notre deuxième application, la chute de pression peut entraîner une condensation. Presque tous les gaz perdent de l’énergie lorsqu’ils se détendent – un phénomène connu sous le nom d’effet Joule-Thomson – ce qui fait baisser leur température. Si le gaz est proche de son point de rosée, ce refroidissement peut entraîner une condensation. Dans certains cas, la diminution de température est suffisamment importante pour causer une condensation capable de bloquer le détendeur. À cause de l’effet Joule-Thomson, il peut être nécessaire d’utiliser un détendeur chauffant, afin de maintenir le gaz au-dessus de son point de rosée. Dans ce type de détendeur, le fluide du système traverse un élément chauffant, ce qui nécessite l’utilisation d’une cartouche chauffante.

Il est possible de calculer la puissance de chauffage nécessaire de manière à pouvoir spécifier une plage de puissance appropriée. Chaque gaz a un coefficient de Joule-Thomson, lequel est pris en compte, avec la chute de pression et le débit, dans une formule de calcul de la puissance de chauffage nécessaire.

Application nº 3

Dans notre troisième application, un liquide doit se transformer en gaz avant d'être analysé par un chromatographe en phase gazeuse ou par un autre analyseur. Dans ce cas, on a recours à un vapodétendeur. Le choix d’un vapodétendeur peut se révéler compliqué mais ces dispositifs constituent une bonne solution pour préparer un échantillon liquide s’ils sont dimensionnés et montés correctement. Le rôle d’un vapodétendeur est de vaporiser instantanément l’échantillon entier afin de s’assurer que l’échantillon gazeux obtenu sera représentatif du liquide du process.

Avec les vapodétendeurs, il convient toutefois d'être très attentif à la température et au débit de vapeur. Si celui-ci est trop élevé, l'échantillon ne sera que partiellement vaporisé et du liquide traversera le détendeur en direction de l’analyseur. Si la température du vapodétendeur est trop élevée, le liquide sera vaporisé en amont.

boucle rapideEnfin, assurez-vous que le vapodétendeur est correctement réglé afin d’éviter un allongement considérable du temps de réponse. Lorsque le fluide passe de l’état liquide à l’état gazeux, son volume augmente fortement. Cet augmentation de volume dépend de la masse moléculaire du liquide. En général, le débit de gaz mesuré à la sortie du détendeur sera plus de 300 fois supérieur à celui du liquide entrant dans le vapodétendeur. Par exemple, pour un débit de gaz de 500 cm3/min, le débit de liquide pourra être inférieur à 2 cm3/min. Dans ce cas, il faudra 25 minutes au liquide pour parcourir 3 mètres (environ 10 pieds) dans un tube de diamètre 6 mm (1/4 po). Pour réduire cette durée, il faut réduire le volume du tube situé en amont du détendeur. Par exemple, avec un tube de 30,5 cm (1 pied) de longueur et de 3 mm (1/8 pouce) de diamètre, il ne faut que 30 secondes au liquide pour atteindre le détendeur. Il faut toutefois ajouter à ce temps le retard occasionné par la sonde. Plus celle-ci est étroite, plus le temps de réponse est court.

Un autre moyen d’obtenir un temps de réponse plus court consiste à rapprocher le vapodétendeur de l’analyseur à l’aide d'une boucle rapide. Sur le schéma ci-dessous, le détendeur est situé après le filtre de la boucle rapide, une seconde boucle de dérivation lente assurant un débit correct de liquide jusqu’au vapodétendeur. Le but du dispositif est d’éviter qu’un volume important de liquide se déplaçant lentement atteigne le vapodétendeur.

Un détendeur est un outil essentiel pour régler les problèmes de temps de réponse dans les systèmes d’analyse. Plus la pression est basse dans un circuit de gaz, plus le temps de réponse est court. En général, il est préférable d’abaisser la pression le plus tôt possible dans un système. Lorsqu’un liquide est vaporisé, envisagez l’installation d’une boucle rapide pour maintenir le liquide en mouvement jusqu’au vapodétendeur. Dans un système d’instrumentation analytique complexe, la station de mesure est l’endroit où il est possible de réduire considérablement le temps de réponse, ce qui n’empêche pas que le problème doit toujours être traité dans sa globalité. La réduction du temps de réponse impose d’examiner attentivement toutes les causes possibles de retard.

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