Chapitre I : Etat de l’art général
II.2 Boucle de circulation associée au réacteur agité
La boucle expérimentale est constituée d'éléments tubulaires en acier inoxydable de diamètre intérieur de 7,74 mm et de diamètre extérieur de 9,52 mm. La connexion avec le réacteur se fait par un système de vannes trois voies, ce qui permet l'utilisation indépendante de la boucle ou du réacteur mais aussi de faire fonctionner les deux ensemble. Une description plus détaillée de ces vannes est donnée en annexe 3. Le fluide circule grâce à une pompe 220-type Axflow Micro Pump (pression différentielle 0,4 MPa, pression statique 10 MPa) à vitesse réglable, équipée d'un variateur de fréquence. Deux débitmètres sont également présents : un de type Coriolis et un de type électromagnétique placés respectivement après et avant le réacteur de formation. Cela permet ainsi d’avoir une vérification du débit par une double mesure. Le débitmètre Coriolis (massique) est plus précis mais le débitmètre électromagnétique (volumique) est plus résistant aux changements de phase et permet ainsi vérifier la valeur donnée par le débitmètre Coriolis. Le débit maximum (pour l'eau) est de 203 l.h-1 ce qui correspond à une vitesse d'écoulement de 1,2 m.s-1, soit un Remax ~ 7383 pour de l’eau à 10 °C. Ainsi des études en régime laminaire et turbulent peuvent être réalisées au sein de cette boucle.
La boucle comporte un tube chauffant nécessaire à la détermination des coefficients d’échange, un capteur de pression différentielle nécessaire à la mesure des pertes charge pour l’étude rhéologique et un échangeur de chaleur utilisé pour dissocier les hydrates et quantifier l’énergie relâchée lors de cette dissociation (cf. II.2.1).
Enfin, comme c’est le cas pour le réacteur, la boucle expérimentale est isolée thermiquement par un isolant de type Armaflex. Afin d’avoir un suivi en température et en pression de l’ensemble du système, 18 PT100 et thermocouples ainsi que 4 capteurs de pression sont répartis sur l’ensemble du montage comme montré sur la Figure 11.
Chapitre II : Montage expérimental
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Figure 11: Schéma du montage expérimental
Figure 12: Photo du montage expérimental
La photo ci-dessus représente l’ensemble des éléments constitutifs du dispositif expérimental à l’exception de l’échangeur de chaleur qui n’est pas visible sur cette photo.
II.2.1 Eléments associés à la boucle
II.2.1.1 Capteur de pression différentielle
Le capteur de pression différentielle est un instrument permettant de mesurer les pertes de charge sur une section droite de la boucle entre deux points. Cette différence de pression représente les frottements du fluide le long de la boucle.
Figure 13: Photo du capteur de pression différentielle
Ce capteur est doté d’une membrane oscillante vibrant en fonction du débit de fluide qui la traverse et le déplacement de la membrane engendré par cette vibration est ensuite converti en force de pression. Ainsi, plus le fluide circule rapidement, plus les frottements sont importants et plus la perte de charge sera élevée entre les deux points de la boucle. Par ailleurs le débitmètre Coriolis associé au capteur de pression différentielle permet de réaliser l’étude rhéologique et forment ce que l’on appelle un viscosimètre d’Ostwald (cf. 0).
II.2.1.2 Tube chauffant
Il s'agit d'un dispositif inséré sur la boucle de circulation constitué d’un tube en acier inoxydable de 620 mm de long. Il permet de mesurer les coefficients de transfert de chaleur. La méthodologie mise en œuvre pour estimer ces coefficients d'échange s’appuie sur les travaux de la littérature (Ionescu et al., 2007; Wenji et al., 2009). Ces travaux ont ainsi pu montrer qu'il était possible de déterminer les coefficients d'échange locaux et moyens sur un tube chauffé par effet Joule (Ma et al., 2013; Mameli et al., 2014). Le principe consiste à faire circuler un courant électrique dans un tube de manière à chauffer ce dernier. L’échauffement génère une différence de température entre le tube et le coulis d'hydrates qui est mesurée en différents points répartis sur la surface extérieure du tube chauffant. Cela permet de caractériser les coefficients d'échange en ces différents points le long du tube et de déterminer
Chapitre II : Montage expérimental
_________________________________________________________________________ ainsi la zone d'établissement thermique. En déterminant cette zone d’établissement, il est alors possible de caractériser les valeurs de coefficients d’échange locaux, c’est-à-dire les valeurs stabilisées, indépendantes de la position sur le tube. Dans la présente étude, le tube est équipé de sept thermocouples soudés de type T (avec une précision de ±0,3 K étalonnés entre 273 et 293 K) situés à 0,02 m, 0,08 m, 0,29 m, 0,42 m and 0,56 m de l’entrée du tube.
Figure 14: Schéma du tube chauffant II.2.1.3 Echangeur de chaleur
L’échangeur de chaleur (Figure 15) est constitué d’un serpentin en cuivre d’une longueur de 10 m plongé dans une cuve cylindrique en acier inoxydable d’une hauteur de 60 cm et d’un diamètre de 25 cm. Le coulis d’hydrates circule à l’intérieur du serpentin avec des dimensions équivalentes à celles de la boucle. La cuve dans laquelle est plongé le serpentin contient de l’eau en circulation chauffée à l’aide d’un groupe chaud (nommé vulcatherm) afin de simuler un apport de chaleur contrôlé permettant la dissociation des hydrates. Un cylindre de guidage est également présent au centre de la cuve et a pour but de canaliser l’eau de manière à favoriser l’écoulement et les transferts thermiques autour des spires du serpentin. Le détail de fonctionnement de cet échangeur est fourni dans la section IV.2.2.1.
L’échangeur est relié à la boucle par une vanne quatre voies afin d’avoir la possibilité de le court-circuiter ou non si besoin (voir annexe pour l’explication de la vanne). La circulation de l’eau chaude est assurée par une pompe dont le débit est réglable. Elle possède un débit maximum de 70 m3.h-1. Deux PT100 sont placées à l’entrée et à la sortie du serpentin ainsi que deux thermocouples au niveau de l’arrivée et la sortie de la cuve. Un débitmètre électromagnétique est également présent pour mesurer le débit d’eau chaude circulant dans la
cuve. L’étude réalisée pour le dimensionnement du système ainsi que le calcul des pertes de charge engendrées par cet équipement est plus amplement détaillée dans la suite de ce rapport.
Figure 15: Schéma de l'échangeur
II.2.2 Instrumentation
Le dispositif expérimental complet est équipé d’un ensemble de capteurs de température et de pression.
En ce qui concerne la pression, 4 capteurs de pression de type transmetteur de pression E910 possédant une erreur relative de 0,2 % et une gamme de mesure allant de 0 à 600 bar permettent de mesurer les variations de pression au sein du montage. 2 sont situés sur le réacteur dans la phase gazeuse et la phase liquide, 2 autres sont sur la boucle situés en amont et en aval de l’échangeur.
En ce qui concerne la température, le dispositif expérimental est équipé de 18 capteurs de température : 9 PT100 et 9 thermocouples. Les thermocouples sont de type T avec une précision de 0,3 K étalonnés entre 273 et 293 K et sont situés principalement sur la surface du tube chauffant (au nombre de 7) ainsi qu’à l’entrée et la sortie du fluide chaud de l’échangeur et de la double enveloppe. Les PT100 sont réparties sur l’ensemble de la boucle en entrée et sortie de chaque composant du système, mais également dans le réacteur à différentes hauteur
Chapitre II : Montage expérimental
_________________________________________________________________________ au sein de la cuve afin d’avoir un suivi précis de l’évolution en température du coulis lors du refroidissement et de la formation des hydrates.
Tous ces capteurs, ainsi que les débits mètres et le capteur de pression différentielle sont reliés à une centrale d’acquisition.