Réduire les délais dans l'instrumentation analytique grâce aux détendeurs

Comment utiliser un détendeur pour réduire le délai temporel dans un système analytique

Mike Strobel, Superviseur Ingénierie Terrain

Les mesures de processus sont instantanées, mais les réponses des analyseurs ne le sont jamais. Du robinet à l'analyseur, il y a toujours un délai temporel. Malheureusement, ce délai est souvent sous-estimé ou mal compris.

Dans les systèmes d'échantillonnage analytique, le délai temporel est défini comme le temps qu'il faut pour qu'un nouvel échantillon atteigne l'analyseur. Un article distinct explique comment fonctionne le délai temporel et des astuces pour le minimiser à haut niveau, mais ici, nous nous concentrerons sur comment contrôler le délai temporel avec un détendeur. Les détendeurs contrôlent la pression, et la pression dans un système analytique est étroitement liée au temps. Dans le cas de systèmes gaz à débit contrôlé, plus la pression est basse, plus le délai est court.

Le délai peut survenir dans n'importe quelle partie majeure d'un système d'instrumentation analytique, y compris la ligne de processus, le robinet et la sonde, la station de terrain, la ligne de transport, le système de conditionnement, le système de commutation de flux, et l'analyseur. Le diagramme ci-dessous est un exemple de système d'échantillonnage d'analyseur de processus typique.

Le délai temporel est cumulatif. Il consiste en la quantité totale de temps qu'il faut au fluide pour voyager du processus surveillé à l'analyseur. Vous pouvez en apprendre plus sur la mesure du délai temporel ici. Pour l'instant, nous nous concentrerons sur la station de terrain et le rôle important qu'un détendeur joue dans la réduction du délai là-bas.

Avant la station de terrain

Minimiser le délai commence par l'emplacement du robinet. Il est préférable de localiser le robinet aussi près que possible de l'analyseur, mais aussi en amont des sources de délai de processus, telles que fûts, réservoirs, jambes mortes, lignes stagnantes, et équipements redondants ou obsolètes.

Lors de l'échantillonnage d'un liquide, la pression au robinet doit être suffisante pour livrer l'échantillon à travers les lignes de transport ou la boucle rapide sans pompe — un composant coûteux qui introduit des variables de performance additionnelles.

Dans de nombreux cas, vous ne pourrez pas dicter l'emplacement du robinet. Vous devrez peut-être composer avec un emplacement existant, et souvent un emplacement d'abri d'analyseur existant aussi. Si le robinet est loin de l'analyseur, une boucle rapide est recommandée pour livrer rapidement le fluide à l'analyseur et retourner la portion inutilisée au processus.

Dans la plupart des systèmes d'instrumentation analytique, une autre source de délai est la sonde. Plus le volume de la sonde est grand, plus le délai est grand. Le volume sera affecté à la fois par la longueur et la largeur de la sonde. Pour minimiser le délai, choisissez une sonde à faible volume.

À la station de terrain

Dans les cas où l'analyseur nécessite un échantillon liquide, un détendeur dans la station de terrain n'est pas utilisé. Il est préférable de maintenir les liquides à haute pression pour éviter la formation de bulles. Dans le cas d'un échantillon gaz, une station de terrain est utilisée pour réduire la pression dans les lignes de transport.

Le délai diminue en proportion directe de la pression absolue. À moitié la pression, vous obtenez la moitié du délai. La station de terrain est située aussi près que possible du robinet. Plus tôt la pression est réduite, mieux c'est. Examinons trois applications possibles pour un détendeur dans une station de terrain. Dans chacune, le détendeur est configuré différemment.

Application de détendeur #1

Dans la première application, l'objectif est de réduire la pression du gaz. La chute de pression n'est pas censée produire de condensation. Par conséquent, un simple détendeur de réduction de pression peut être utilisé. Un détendeur de réduction maintient une pression constante à la sortie. Un élément de détection, généralement un diaphragme ou piston, se déplace en réponse à la pression en aval, permettant à l'élément de contrôle, le plus souvent un pointeau conique, de changer la zone de passage de l'orifice par où passe le gaz. Comme l'élément de détection est poussé vers le haut en réponse à une pression plus haute, l'élément de contrôle se rapproche du siège et la zone de l'orifice devient plus petite. Comme l'élément se déplace vers le bas avec une pression plus basse, l'orifice devient plus grand. Dans la plupart des détendeurs analytiques, une poignée permet à l'opérateur de régler la pression de sortie en compressant ou relâchant un ressort de consigne qui entraîne les mouvements de l'élément de détection contre la pression de sortie.

Un diaphragme métallique est idéal dans les applications où la pression d'entrée ne varie pas brusquement ou où la compatibilité chimique est importante. Cependant, dans les applications où la pression peut être instable ou avoir des pics, un détendeur à piston peut être plus approprié.

Application de détendeur #2

Dans notre seconde application, la chute de pression devrait causer de la condensation. Avec une baisse de pression, presque tous les gaz perdent de l'énergie, connu sous le nom d'effet Joule-Thomson — résultant en un refroidissement. Si le gaz est proche de son point de rosée, ce refroidissement pourrait causer de la condensation. Dans certains cas, la perte de chaleur peut être suffisante pour causer la condensation, gelant potentiellement le détendeur. À cause de l'effet Joule-Thomson, un détendeur chauffé peut être requis pour maintenir la température du gaz au-dessus du point de rosée. Un détendeur chauffé est un détendeur de réduction dans lequel le fluide système passe sur un élément chauffant. Une cartouche chauffante est requise.

Vous pouvez calculer la quantité d'énergie (ou puissance) requise de la cartouche pour en spécifier une dans la bonne plage. Chaque gaz a un coefficient Joule-Thomson, qui est inséré dans une formule avec la chute de pression et le débit pour produire le nombre de watts requis.

Application de détendeur #3

Dans notre troisième application, un liquide doit devenir gaz avant d'être analysé par un chromatographe en phase gazeuse ou autre analyseur. Dans ce cas, un détendeur vaporisant est utilisé. Les détendeurs vaporisants peuvent être difficiles à sélectionner mais peuvent être un moyen fiable de préparer un échantillon liquide s'ils sont correctement dimensionnés et installés. L'objectif est de faire flasher instantanément tout l'échantillon en gaz pour garantir que l'échantillon vaporisé est représentatif du processus liquide.

Avec les détendeurs vaporisants, il faut prêter une attention particulière à la température et au débit de vapeur. Si le débit est trop grand, l'échantillon ne sera que partiellement vaporisé, et des liquides traverseront le détendeur vers l'analyseur. Si la température du vaporiseur est trop haute, l'échantillon liquide en amont sera vaporisé. En savoir plus sur la gestion de la vaporisation dans les systèmes d'échantillonnage ici.

Enfin, assurez-vous de configurer correctement votre détendeur vaporisant pour éviter de créer un délai considérable. Alors que le fluide passe de liquide à gaz, le volume augmente dramatiquement. L'augmentation dépendra du poids moléculaire du liquide. Typiquement, le débit de vapeur mesuré après le détendeur sera >300 fois le débit liquide avant le détendeur vaporisant.

Par exemple, avec un débit de vapeur de 600 cm³/min, le débit liquide peut être inférieur à 2 cm³/min. Dans ce cas, le liquide mettra 25 minutes pour traverser 3 mètres (environ 10 pieds) de tubage 6 mm (1/4 pouce). Pour réduire ce temps, nous devons réduire le volume du tubage précédant le détendeur. Par exemple, avec seulement 30,5 cm (1 pied) de tubage 3,2 mm (1/8 pouce), il ne faudrait que 30 secondes pour que le liquide atteigne le détendeur. À ce temps, cependant, nous devons ajouter le délai dans la sonde. Plus la sonde est étroite, plus la réponse est rapide.

Un autre moyen d'obtenir une réponse plus rapide est de déplacer le vaporiseur plus près de l'analyseur avec l'aide d'une boucle rapide liquide. Dans le diagramme ci-dessous, le détendeur est situé après le filtre de boucle rapide avec une seconde boucle lente de bypass liquide assurant que le bon débit liquide continue jusqu'au détendeur vaporisant. L'objectif est de minimiser le volume de liquide lent allant vers le détendeur vaporisant.

Faire les bons choix de détendeurs pour diminuer le délai

Un détendeur est un outil critique pour adresser le délai temporel dans un système analytique. Plus la pression est basse dans un système gaz, plus le temps de réponse est rapide. En général, plus tôt la pression peut être réduite dans un système gaz, mieux c'est. Dans les cas où un liquide est vaporisé, considérez une boucle rapide liquide pour maintenir le liquide en mouvement jusqu'au détendeur vaporisant. La station de terrain est un endroit dans un système d'instrumentation analytique complexe où le délai peut être significativement réduit, mais l'approche du délai doit toujours être complète. Pour réduire le délai, toutes les causes potentielles dans le système doivent être scrutées.

Si vous luttez avec le délai dans vos systèmes analytiques, au-delà des conseils ci-dessus sur la sélection du détendeur, il y a plusieurs autres ressources. Nous offrons plusieurs cours de formation sur les systèmes d'échantillonnage enseignés par des experts, des sous-systèmes analytiques pré-conçus selon les meilleures pratiques, et notre équipe d'ingénierie terrain peut venir sur site pour identifier et dépanner les problèmes. Pour en savoir plus ou entamer une conversation sur la réduction du délai, cliquez ci-dessous.