II. Matériels et méthodes
II.2. Description de l’installation
La Figure II.2 est une représentation schématique du dispositif expérimental principal. L’installation est adaptée à l’étude des conditions d’équilibres thermodynamiques des hydrates et à l’étude de leur cinétique de formation. Les paragraphes suivants exposent en détail les éléments du montage expérimental qui sont numérotés de 1 à 14.
1 Réacteur 2 Hublot 3 Sonde FBRM® 4 Bain thermostaté 5 Sonde T PT100 6 Sonde p 7 Affichage p, T 8 Agitation 9 Pompe liquide 10 Échantillonnage 11 Gaz 12 Vanne Rolsi 13 Gaz vecteur 14 Chromatographie Phase gazeuse
Figure II.2 Schéma simplifié du dispositif expérimental principal
Le dispositif expérimental principal comprend un réacteur Autoclave (1) en acier 316 L équipé de deux hublots (2) en polycarbonate (12 x 2 cm) qui permettent de visualiser l’apparition des cristaux, leur formation, leur dissociation ou bien leur flottaison. Selon les données du constructeur, la pression d’épreuve hydraulique du réacteur est de 26,8 MPa à 293,15 K. Mais en présence d’hublots, la pression maximale d’utilisation est de 13 MPa à 373,15 K. Un disque de rupture permet de protéger l’installation et se rompt à 13,4 MPa et 293,15 K. L’étanchéité est assurée par un joint torique Viton® qui se déforme sous l’action de deux
contraintes : le serrage initial et la pression à l’intérieur de l’enceinte.
Pour les besoins de notre étude, une cuve cylindrique en Pyrex est insérée dans l’autoclave mais son utilisation n’est pas systématique. Le volume total de la cuve est de 1,6 dm3. Le volume
total disponible dans le réacteur varie selon la configuration expérimentale adoptée (en présence ou non de la cuve, ou de la sonde FBRM) (Figure II.11) et sera discuté dans le paragraphe II.4.
Le réacteur est équipé d’une double enveloppe alimentée par un bain thermostaté externe (4) fourni par LAUDA de type Ecoline® pourvu d’un régulateur RE 307 possédant une précision de
T P, T T Ordinateur 1 CPG P A tm V ide F Ordinateur 2 M
0,1 K. Le liquide caloporteur est un mélange d’eau et d’éthanol avec un ratio volumique éthanol/eau de 50 % environ. En pratique, il existe un écart de 1 à 2 K entre la température de consigne du bain thermostaté et celle du réacteur en raison du calorifugeage extérieur du réacteur peu efficace.
Deux sondes de température Pt100 (5) (Prosensor instrument, avec une précision de 0,1 K) et une sonde de pression (6) mesurent les températures de la phase liquide et de la phase gazeuse ainsi que la pression au sein du réacteur. Deux sondes de pression ont été utilisées dans le cadre de cette thèse en fonction de la précision de mesure désirée. La première sonde (Keller instrument, type PA/33X, précision de 0,01 MPa) couvre l’intervalle de pression entre 0 et 10 MPa. La seconde sonde (Keller instrument, type PA/21S, précision de 0,001 MPa) est utilisée à basse pression dans l’intervalle de pression entre 0 et 2 MPa. Le capteur est changé selon l’étude expérimentale et ce changement sera notifié dans la présentation des résultats (chapitres III, IV, V). Les trois capteurs (pression et température) sont reliés à des boitiers d’affichage (7) (WEST 8010+) où les températures sont affichées en degré Celsius et la pression en bar relatif. L’acquisition de ces grandeurs au cours du temps est effectuée par un programme sous Labview® installé sur un ordinateur dédié au dispositif expérimental.
Le mélange est assuré par un agitateur à entraînement magnétique fourni par l’entreprise Autoclave et dont l’étanchéité est assurée par un joint torique en téflon. Le moteur électrique à courant alternatif possède un couple dynamique allant de 0,9 à 1,8 N.m et permet de monter à une vitesse maximale de 3000 tr.min-1. L’arbre d’agitation de type Dispersimax® est équipé de
deux turbines Rushton à 4 pales amovibles (8). La première turbine assure le mélange de la phase gazeuse et est située à 2 cm du couvercle du réacteur. La seconde turbine agite la partie liquide et est immergé à une distance de 1/3 du fond liquide. Les phases gaz et liquide sont ainsi mixées individuellement et considérées comme des régions homogènes au regard de toutes les variables d'état intensives.
L’émulsion est chargée dans le réacteur et est échantillonnée durant l’expérience par l’intermédiaire d’une vanne trois voies qui permet d’orienter le flux de liquide. Si la vanne est tournée sur la position « Remplissage liquide », l’émulsion est injectée dans le réacteur à l’aide de la pompe haute pression PU-1587 (9) de la société JASCO avec un débit maximal de 50 cm3.min-1. Si la vanne est orientée sur la position « échantillon », un échantillon de liquide (10)
Chapitre II. Matériels et Méthodes
77 Chaque gaz (11) est alimenté dans le réacteur par l’intermédiaire du tableau de gaz (Figure II.3). Une ligne d’alimentation est dédiée à l’azote tandis que le dioxyde de carbone et le méthane partagent la même ligne. Sur la Figure II.3, le circuit emprunté par le gaz lors de son chargement est indiqué par les flèches bleues tandis que le circuit utilisé par le gaz lors de la vidange du réacteur est montré par les flèches rouges. Le débit est contrôlé manuellement par la vanne pointeau V7.
Figure II.3 Tableau de gaz
Une pompe à vide de marque Alcatel de type Elnor permet de réaliser une purge du réacteur, du tableau de gaz et des lignes d’alimentation de façon simultanée ou séparée. Durant une grande partie de la thèse, la purge a été assurée par l’intermédiaire d’un venturi : celui-ci a été par la suite remplacé par une pompe à vide pour les besoins d’un autre système expérimental (réacteur nommé SECHOYA) qui partage le même réseau de gaz. Au final, la qualité du vide n’a pas été modifiée puisque, quel que soit le système de purge, un gaz pur a été obtenu au sein du réacteur (Figure.II.4). L’utilisation de la pompe à vide ou du venturi est précisée dans les protocoles expérimentaux.
Un échantillon de la phase gazeuse peut être directement prélevé in situ et lorsque le réacteur est sous pression. Le ROLSI® (Rapid On-line Sampler-Injector) (12) est une vanne conçue pour
l’échantillonnage ou l’injection d’un échantillon de gaz en faible quantité ajustable à l’aide d’un capillaire de 0,1 mm de diamètre intérieur. Le système est en position normalement fermée et son ouverture est actionnée par un électroaimant commandé par un boitier (Figure II.5). Le prélèvement du ROLSI est envoyé dans une chambre balayée par le gaz vecteur (13) du chromatographe (14). Le volume de gaz prélevé est de l’ordre de 1 à 5 μdm3 : il est considéré
comme négligeable comparé au volume libre de gaz présent au sein de la phase gazeuse. La composition de l’échantillon est analysée par chromatographie en phase gazeuse : le descriptif de l’appareil est réalisé dans le paragraphe II.3.1.
Circuit vide
N2
Vanne boisseau sphérique Vanne pointeau
Vanne trois voies
V1bi V 2 V3 V V9 V4 V5 V11 V10 V1 V7 CO2/ CH4 Réacteur ACCACIA Chargement Vidange Autre réacteur
Figure.II.4 Chromatogramme d’un gaz pur
Figure II.5 Schéma du Rolsi