Guide d'expert pour le positionnement optimal des buses dans les systèmes d'échantillonnage liquide et gaz naturel

Comment positionner les buses dans votre système d'échantillonnage liquide et gaz naturel

Karim Mahraz

Dans un système d'échantillonnage liquide ou gazeux, une buse est utilisée au point de prélèvement pour fournir l'échantillon à l'analyseur. Le placement, la position et l'orientation appropriés de cette buse sont cruciaux pour garantir des mesures analytiques opportunes et précises, donc vous devez le faire correctement. Un mauvais placement de buse peut entraîner des retards d'analyse, une contamination de l'échantillon et des résultats inexacts.

Idéalement, un ingénieur de système d'échantillonnage dictera les schémas de tuyauterie et même la conception des vessels de process pour s'assurer que la buse est correctement située. Cependant, souvent un ingénieur doit travailler avec des schémas existants — même si la buse n'est pas située ou orientée correctement. Ci-dessous, nous passerons en revue les considérations importantes pour les ingénieurs chargés de localiser et de construire des buses pour les systèmes d'échantillonnage liquide et gazeux. De plus, nous recommandons d'impliquer des ingénieurs d'analyseurs qualifiés, des ingénieurs de process et des chimistes, et des fournisseurs de composants à divers stades de la conception pour s'assurer que chaque variable est considérée.

Choisir l'emplacement de la buse

Les buses sont généralement courtes, avec un diamètre plus petit que la ligne de process principale dont elles se ramifient. Elles abritent souvent une sonde, qui dans sa forme la plus simple est un proboscis en métal, verre ou céramique qui saillit dans le fluide de process et retire un écoulement continu de liquide ou de gaz pour analyse.

Lors de la détermination de l'endroit où positionner la buse dans une conduite ou un vessel, sélectionnez un emplacement où le fluide de process a été soigneusement mélangé, pour que votre échantillon reflète fidèlement les conditions de process. Si possible, installez un mélangeur statique en ligne dans la ligne de process. Si ce n'est pas une option, localisez le point de prélèvement en aval d'un point de turbulence induite tel qu'un refoulement de pompe, un orifice de débit ou un coude de tuyauterie. La turbulence aidera à mélanger le fluide de process avant l'échantillonnage.

Placer un point de prélèvement d'échantillonnage immédiatement après une source de turbulence n'est pas une bonne pratique. La turbulence causera des fluctuations de pression et des courants tourbillonnaires — l'un ou l'autre pouvant affecter les mesures analytiques.

Échantillonnage de gaz

Vous êtes mieux servi en plaçant le point de prélèvement d'au moins deux diamètres de tuyau en aval de la dernière perturbation d'écoulement. L'Agence de Protection de l'Environnement des États-Unis (EPA) recommande cette pratique. Elle permet deux emplacements pour l'échantillonnage manuel de gaz de cheminée :

1. D'au moins huit diamètres de cheminée ou de conduit en aval et deux diamètres en amont de toute perturbation d'écoulement ; ou
2. D'au moins deux diamètres de cheminée ou de conduit en aval et un demi-diamètre en amont de toute perturbation d'écoulement.

L'EPA considère le premier emplacement comme idéal. Si la première règle ne peut pas être respectée, les directives de l'EPA exigent des points d'échantillonnage supplémentaires pour se prémunir contre la possibilité de stratification.

Échantillonnage de fluide

Pour l'échantillonnage en conduite, localisez votre point de prélèvement d'au moins deux diamètres de tuyau en aval de la dernière perturbation d'écoulement — n'importe où cela n'interfère pas avec un élément de mesure de débit. Cependant, si le fluide de process est un liquide proche de son point de bulle, il est sage d'être plus conservateur. Pour éviter d'avoir des bulles dans votre échantillon, localisez le point de prélèvement où il y a au moins cinq diamètres de tuyau de conduite droite et dégagée en amont et deux diamètres en aval.

Échantillonnage de vapeur

Lorsque le flux échantillonné est une vapeur à ou près de sa température de point de rosée, l'emplacement du point de prélèvement devient plus critique. Une certaine condensation peut se produire aux points de pression près des perturbations d'écoulement ; vous ne voulez pas que votre échantillon de gaz contienne du condensat liquide. Pour minimiser ce potentiel, une norme européenne (ISO 10715 1997, 13) pour la mesure de gaz naturel exige que le point de prélèvement d'échantillonnage soit d'au moins 20 diamètres de tuyau en aval de la dernière perturbation d'écoulement ; la norme américaine pertinente (API MPMS 14.1 2006, 15) exige au moins cinq diamètres de tuyau. Si le tuyau contient une autre sonde, comme un thermocouple, la sonde d'échantillonnage devrait être localisée à au moins cinq diamètres de thermocouple du thermocouple.

Une séparation encore plus grande est nécessaire pour l'échantillonnage isocinétique, qui exige que la vitesse dans la sonde corresponde à celle dans la ligne de process. Par exemple, pour la vapeur saturée, la norme américaine pertinente (ASTM D1066) recommande que le point de prélèvement d'échantillonnage soit d'au moins 35 diamètres de tuyau en aval et quatre diamètres de tuyau en amont d'une perturbation d'écoulement. Parce que cette séparation peut être difficile à atteindre, ASTM suggère que les emplacements non conformes maintiennent un ratio de 9:1 des distances amont à aval.

Construire une buse

À mesure que vous passez à l'étape de conception, vous remarquerez que la conception de la buse, y compris l'orientation, dépend fortement des besoins de la sonde. L'emplacement et l'orientation de la buse, et donc de la sonde, peuvent influencer la façon dont les particules dans un flux de process affectent l'analyse. Le bon placement de la buse et de la sonde peut minimiser le potentiel pour les particules d'entrer dans la sonde où elles peuvent contaminer l'échantillon ou s'accumuler et éventuellement bloquer la sonde.

La façon la plus simple de construire une buse est de souder un bossage fileté femelle sur une conduite et de le percer. D'abord, soudez une plaque de renforcement sur la conduite, sauf si sa paroi est suffisamment épaisse. Ensuite, sélectionnez une taille de bossage pour accommoder la sonde filetée ou la vanne utilisée. Une autre approche est de souder un nipple de tuyau fileté mâle sur la ligne.

Bien sûr, aucune de ces méthodes simples ne satisfera une spécification de tuyauterie de process qui interdit les joints filetés à l'enveloppe de process. Face à ces contraintes, vous pouvez souder une vanne sur le nipple ou utiliser une buse de tuyau à bride à la place.

 

Prélèvement sur un flux de gaz

Chaque fois que possible, choisissez une conduite horizontale pour l'échantillonnage de gaz de process. L'orientation horizontale permet à la buse d'être verticale. C'est aussi plus facile de trouver un long parcours droit. Localisez la buse sur le dessus de la ligne pour que toute saleté ou liquide retombe dans le tuyau de process. Si le gaz de process est propre et sec, vous pourriez localiser une buse de gaz sur le côté d'une conduite horizontale. Cependant, évitez une telle orientation de sonde horizontale pour les échantillons sales car l'écoulement de gaz dans la sonde peut ne pas être turbulent ; des particules solides pourraient tomber et bloquer la sonde.

La même préoccupation de blocage s'applique à une buse horizontale sur une conduite de gaz verticale. Les buses inclinées permettent à tout liquide ou solide entraîné de retomber dans le process. Cette caractéristique fonctionne bien pour l'élimination des liquides mais peut ne pas fonctionner pour les solides, qui peuvent coller dans la sonde.

Pour les cheminées verticales, la buse devrait être horizontale ou légèrement inclinée et beaucoup plus grande — dimensionnée pour accommoder des sondes spéciales. Ici, l'emplacement de la buse est basé sur la température du gaz : pas trop chaud (pour que les coûts de matériaux soient raisonnables) mais au-dessus de la température du point de rosée acide (pour que l'acide sulfurique ne condense pas dans la sonde). Pour la surveillance de gaz de cheminée, la température optimale du gaz à la buse est un peu plus de 600°C (1 112°F) pour assurer une combustion complète.

Lors de l'échantillonnage depuis un flux de vapeur de process qui peut contenir des gouttelettes de condensat, comme un système de vapeur saturée, l'emplacement de prélèvement préféré est une longue conduite de process à écoulement descendant. Cependant, vérifiez toujours la pression de la ligne. Une ligne descendante se connecte souvent au côté aspiration d'une pompe de process et peut fonctionner à basse pression. Une source à basse pression est bonne pour un échantillon de gaz qui sera évacué vers une torche mais pas pour celui que vous voulez retourner au process via une boucle rapide. Avec une boucle rapide, vous voulez probablement échantillonner depuis le refoulement de la pompe de process et retourner le gaz du côté aspiration.

Prélèvement sur un flux liquide

Une conduite verticale s'écoulant vers le haut est souvent le meilleur emplacement pour une buse d'échantillonnage liquide car vous pouvez être sûr que la conduite est pleine. Pour cette configuration, optez pour une buse horizontale car elle permet une sonde plus courte qui est moins susceptible de vibrer. Une buse horizontale est bonne pour un échantillon liquide car l'écoulement dans la sonde est sûr d'être turbulent, prévenant la sédimentation de solides dans la sonde.

La charge de liquide dans la tuyauterie au-dessus du point de prélèvement fournira une pression supplémentaire, ce qui peut assurer que le liquide de process au point de prélèvement est au-dessus de son point de bulle. La pression supplémentaire aide aussi au transport de l'échantillon. Évitez d'échantillonner un liquide depuis une conduite verticale de process s'écoulant vers le bas — il n'y a aucune garantie que la ligne est pleine.

L'échantillonnage d'un flux liquide depuis une ligne horizontale est risqué car le tuyau de process peut ne pas être plein, résultant en un échantillon biphasique. Si le tuyau de process tourne vers le haut après le parcours horizontal, vous pouvez être sûr que la ligne est pleine ; s'il tourne vers le bas, la section horizontale pourrait abriter une couche statique de gaz piégée au-dessus de la couche liquide en écoulement.

La sagesse conventionnelle dit que les points de prélèvement liquides devraient toujours être sur le côté d'une ligne de process horizontale ; c'est un bon conseil lors de l'échantillonnage sans sonde. L'échantillonnage depuis une buse sur le côté de la ligne réduit le risque d'extraire de la vapeur entraînée au sommet du tuyau ou de la boue au fond.

En pratique, il est généralement préférable d'utiliser une sonde pour atteindre le centre de la ligne. Lors de l'utilisation d'une sonde, l'orientation est moins importante. Habituellement, une buse verticale sur le dessus de la ligne est préférée car elle permet aux solides lourds de retomber dans le tuyau de process. Généralement, la buse ne devrait pas être au fond d'un tuyau horizontal car les solides y tomberont et augmenteront la difficulté du conditionnement d'échantillon. Si vous devez utiliser une buse de fond existante, installez une sonde qui atteint le tiers central du diamètre du tuyau.

Avant de finaliser l'emplacement du point de prélèvement

Avant de fixer votre emplacement final de point de prélèvement, rappelez-vous que votre choix de sonde déterminera l'orientation et le diamètre de la buse et de ses raccords d'extrémité. Une fois que vous avez sélectionné une sonde, revisitez votre emplacement choisi pour vérifier l'espace physique disponible pour l'installation et le travail de maintenance. Vérifiez qu'il y a suffisamment de dégagement pour la fabrication de la buse, la maintenance de la vanne d'isolement de process et le retrait de la sonde. Considérez également l'accessibilité et l'éclairage. Un simple point de prélèvement et une sonde de tuyau pourraient ne nécessiter qu'une petite plateforme et une échelle, mais une station terrain aura besoin d'une plateforme complète et d'éclairage.

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