4.2.1
Saturateur
Le saturateur est un autoclave en acier inoxydable 316L commercialis´e par EQUILABO et fabriqu´e par PARR Instruments Co. pour r´esister `a des pressions de 345 bars, sur une gamme de temp´eratures allant de -30°C `a +350°C. Sa contenance est ´egale `a 1,2 litre. Les diam`etres int´erieur et ext´erieur sont ´egaux `a 82,55 mm et 114,4 mm respectivement. La section int´erieure est donc 5,352×10−3 m2. La hauteur int´erieure utile
est de 248,9 mm et l’´epaisseur du fond est ´egale `a 41 mm. La fermeture se fait avec deux demi-coquilles. L’autoclave est pourvu de deux connexions d´edi´ees `a l’instrumentation et de trois connexions d´edi´ees au process :
– Un piquage 1/8” situ´e sur la tˆete : d´edi´e `a la sonde de temp´erature – Un piquage 1/8” situ´e sur la tˆete : d´edi´e aux mesures de pression
– Un piquage 1/8” situ´e sur la tˆete : d´edi´e au process. Il est ´equip´e d’un tube plongeur – Un piquage 1/4” situ´e sur la tˆete : d´edi´e au process.
– Un piquage 1/4” situ´e sur la tˆete : d´edi´e `a la purge, `a un manom`etre Bourdon et aux soupapes de s´ecurit´e
– Un piquage 3/8” situ´e au fond : d´edi´e au process. Il est ´equip´e d’une r´eduction 3/8-1/8.
Le piquage d´edi´e aux mesures de pression est ´equip´e d’un capteur de pression absolue KELLER PA-33 et d’un capteur diff´erentiel de pression ROSEMOUNT 3051-CD2. Une des deux chambres de ce capteur est `a l’atmosph`ere (se reporter `a la section 4.2.5 pour plus de d´etails). De cette mani`ere, les variations de pression sont mesur´ees avec une pr´ecision de l’ordre du millibar alors que la pression absolue peut ˆetre de 100 bars ou plus.
Le contrˆole en temp´erature est r´ealis´e par une double-enveloppe ext´erieure connect´ee `a un cryothermostat. Un serpentin en 1/8” plac´e `a l’int´erieur de l’enceinte peut ´eventuellement servir d’appoint pour apporter ou ´evacuer des calories. Il n’a pas ´et´e utilis´e dans les exp´eriences d´ecrites ci-apr`es.
Le saturateur est pourvu d’un agitateur `a entraˆınement magn´etique constitu´e d’un arbre et de deux h´elices `a six pales inclin´ees. Le moteur ´electrique anti-d´eflagrant d´eveloppe une puissance de 1/8 ch, soit environ 92 W, et est connect´e `a un variateur de vitesse command´e par potentiom`etre. La vitesse peut varier entre 0 et 800 tr.min−1 et le couple d’agitation est de 0,18 N·m.
L’agitateur et la double-enveloppe ne sont pas utilis´es dans les exp´eriences concernant la glace.
4.2.2
Pompe
Pour mettre en mouvement le fluide depuis le saturateur vers le r´eacteur `a piston, nous utilisons une pompe HPLC PU-1587, bas´ee sur le principe de deux pistons se d´epla¸cant en opposition de phase. Fabriqu´ee et commercialis´e par JASCO, elle peut op´erer `a pression de refoulement constante ou bien `a d´ebit constant. La consigne de d´ebit peut varier entre 0,001 et 50 ml.min−1 et le d´ebit r´eel ne s’´eloigne pas de plus de 2% de cette consigne ou de 0,1 ml.min−1, selon laquelle des deux valeurs est la plus grande. La pression au
refoulement maximale est de 150 bars.
4.2.3
R´eacteur `a piston
Le r´eacteur `a piston a ´et´e con¸cu en collaboration avec AUTOCLAVE France qui s’est charg´e de sa fabrication. Ses parois en acier inoxydable 316Ti ´epaisses de 5 cm et les seize vis de 3 cm de diam`etre maintenant les couvercles inf´erieur et sup´erieur lui permettent de r´esister `a 280 bars `a 150°C. D’un volume total de 9 litres, son diam`etre interne est de 150 mm et sa hauteur de 510 mm. Ainsi que l’illustre la figure 4.2, le r´eacteur est essentiellement constitu´e de deux chambres ´etanches s´epar´ees par un piston mobile qui exerce une contrainte m´ecanique sur l’´echantillon poreux plac´e dans la chambre inf´erieure.
Fig. 4.2 – Sch´ema de principe du r´eacteur `a piston
La chambre sup´erieure, dite chambre de compression, est ´equip´ee d’un serpentin de refroidissement en 1/4” et est remplie par un m´elange eau+´ethanol dont la composition est telle qu’il reste liquide dans la gamme de temp´erature qui nous int´eresse. Le serpentin est reli´e `a un cryothermostat LAUDA d´ecrit dans la section 4.2.4 et le m´elange liquide est homog´en´eis´e grˆace `a un agitateur `a entraˆınement magn´etique ´equip´e d’une turbine type Marine pouvant op´erer `a 2000 tr.min−1 avec un couple maximal de 0,2 N·m. La chambre de
compression est connect´ee `a un r´eservoir de gaz en acier peint par la ligne B (Cf. sch´ema 4.2). Commercialis´e par AUTOCLAVE France, ce dernier a une contenance de deux litres et r´esiste `a 300 bars `a 50°C. Du point de vue de l’instrumentation, une sonde Pt100 et un capteur KELLER PA-33 mesurent la temp´erature et la pression absolue r´egnant dans la chambre sup´erieure. Les caract´eristiques de ces instruments sont d´etaill´ees dans la section 4.2.5.
La chambre inf´erieure, dite chambre de Hassler ou de confinement, est ´equip´ee d’un serpentin de refroi- dissement en 1/8” et a une hauteur maximale utile de 250 mm. Via la ligne A, cette chambre est connect´ee `a un r´eservoir de gaz du mˆeme type que la chambre de compression et pourvu d’un capteur de pression absolue KELLER PA-33. La partie inf´erieure du r´eacteur, constitu´ee du couvercle inf´erieure et de la partie basse de la chambre de Hassler est immerg´ee dans un bain d’eau et d’´ethanol dont la temp´erature, mesur´ee par une sonde Pt100, est contrˆol´ee par un cryothermostat LAUDA.
Le milieu poreux se trouve dans la chambre inf´erieure. Lorsque le milieu est consolid´e, il est entour´e d’un manchon en viton 85 sh d’une ´epaisseur de 5 mm moul´e par BECAP-STARVIA. En mode op´erationnel standard, la pression de la chambre de Hassler est sup´erieure `a la pression interstitielle de quinze `a vingt bars environ. Ainsi, la membrane est plaqu´ee contre la surface de l’´echantillon et peut remplir ses deux fonctions : isoler le contenu de l’espace poreux (eau, gaz dissous, hydrates) et obliger le fluide interstitiel `a s’´ecouler de mani`ere homog`ene dans la section de l’´echantillon plutˆot qu’`a sa p´eriph´erie. Lorsque le milieu n’est pas consolid´e, comme un empilement de billes de verre par exemple, la membrane en viton est remplac´ee par un cylindre en acier inoxydable de 18 mm d’´epaisseur muni de joints pour ´eviter que le fluide de confinement ne p´en`etre dans le milieu poreux par les extr´emit´es de l’´echantillon. Lorsque le fluide de confinement est un gaz, il diffuse dans l’´epaisseur de la membrane et la d´epressurisation qui pr´ec`ede l’ouverture du r´eacteur doit ˆetre r´ealis´ee suffisamment lentement pour ´eviter l’apparition de bulles qui endommageraient la membrane irr´em´ediablement. Cette situation est comparable `a celle que rencontrent les hommes-grenouilles qui effec- tuent des paliers de d´ecompression lors de leur remont´ee vers la surface, de mani`ere `a ce que le gaz en exc`es dissous dans leur sang puisse s’´evacuer sans que des bulles n’apparaissent. Dans notre cas, cette contrainte de lenteur est incompatible avec la c´el´erit´e n´ecessaire `a l’extraction du milieu poreux contenant les hydrates. Aussi, pour avoir une chance de les observer visuellement, nous avons utilis´e un m´elange liquide d’eau et d’´ethanol.
Fig. 4.3 – Profil grav´e des diffuseurs
une entr´ee et une sortie du fluide uniforme et non ponctuelle, trois cercles concentriques connect´es au tube d’arriv´ee ont ´et´e grav´es sur les deux sections m´etalliques en contact avec les extr´emit´es de l’´echantillon poreux. Cette partie, d´enomm´ee diffuseur, est repr´esent´ee sur la figure 4.3.
En mode op´erationnel standard, la pression de la chambre sup´erieure est ajust´ee pour que le piston ait tendance `a se d´eplacer vers le bas. La section offerte au fluide dans la chambre inf´erieure est ´egale `a la section interne du r´eacteur `a piston, soit 1,767×10−2m2. La section offerte au fluide dans la chambre sup´erieure est
´egale `a la section totale de la section du piston, soit 1,641×10−2 m2. Le rapport des deux surfaces est ´egale
`
a 1,0766. En prenant une marge de s´ecurit´e, la pression dans la chambre de compression doit ˆetre 10% plus ´elev´ee que dans la chambre de Hassler. Par ailleurs, pour ´eviter que le milieu poreux ne soit ´ecras´e par le piston, nous utilisons une entretoise. Dans le cas d’un milieu poreux non consolid´e, cette entretoise est un cylindre en acier inoxydable de 20 mm d’´epaisseur entourant le sandwich ´echantillon + membrane. Elle est perc´ee de mani`ere `a ´equilibrer la pression de confinement de part et d’autre. Dans le cas d’un milieu poreux consolid´e, le cylindre de 18 mm d’´epaisseur pr´ec´edemment d´ecrit remplit ´egalement la fonction d’entretoise. La hauteur de ces entretoises doit ˆetre ajust´ee tr`es pr´ecis´ement pour que l’´echantillon poreux soit au contact des diffuseurs mais point trop comprim´e par le piston.
Pour mesurer le flux de chaleur traversant le milieu poreux, une pi`ece cylindrique en t´eflon, de mˆeme diam`etre que l’´echantillon, peut ˆetre intercal´ee entre sa face sup´erieure et le piston. Le couvercle inf´erieur et le piston sont perc´es de mani`ere `a ce que trois sondes Pt100 puissent mesurer la temp´erature des faces inf´erieure et sup´erieure du milieu poreux ainsi que de l’interface t´eflon/piston.
4.2.4
Cryothermostats
Nous utilisons les mod`eles RE306 et RE307 fabriqu´es par LAUDA et commercialis´es par ELVETEC. Ils peuvent atteindre des temp´eratures aussi basses que -20°C (resp. -35°C) et faire circuler un fluide jusqu’`a 17 l.min−1. La capacit´e de r´efrig´eration ´etant de 0,15 kW (resp. 0,22 kW) `a 0°C et 0,05 kW (resp. 0,10 kW)
`a -20°C, la vitesse maximale de refroidissement de notre dispositif exp´erimental avoisinne 0,5°C.min−1. Ces
cryothermostats sont pilotables par ordinateur via une interface RS-232. De cette mani`ere des rampes de mont´ee ou descente en temp´erature peuvent ˆetre programm´ees sur plusieurs heures. Le fluide caloporteur que nous utilisons est un m´elange d’eau et d’´ethanol (50% massique).
4.2.5
Instrumentation
Les sondes de temp´eratures utilis´ees sont des sondes Pt100 de classe 1/3 DIN ayant une pr´ecision de 0,05°C. Elles sont commercialis´ees par PROSENSOR.
Pour la pression, nous utilisons trois types de capteurs commercialis´es par SERV’INSTRUMENTATION : – Capteur pi´ezo-r´esistif de pression absolue KELLER PA-33. Sa pr´ecision est de 0,05% de l’´echelle de
mesure qui va de 0 `a 300 bars, c’est-`a-dire 150 mbars.
– Capteur capacitif de diff´erence de pression ROSEMOUNT 3051-CD2 configur´e pour mesurer des diff´erences de pression allant jusqu’`a 500 mbars avec une pr´ecision de 0,075% de l’´echelle de mesure, soit 0,4 mbars.
– Capteur capacitif de diff´erence de pression ROSEMOUNT 3051-CD4 configur´e pour mesurer des diff´erences de pression allant jusqu’`a 20 bars avec une pr´ecision de 0,075% de l’´echelle de mesure, soit 15 mbars.
Dans ces trois cas, le signal analogique 4-20 mA d´elivr´e est dirig´e vers un indicateur num´erique WEST-8010 comportant quatre digits (d’o`u une l´eg`ere perte d’information) puis vers un ordinateur qui se charge de l’acquisition et du traitement du signal via le logiciel Labview.
Le d´ebit de gaz entrant dans le syst`eme r´eactionnel est mesur´e par un d´ebitm`etre massique BROOKS 5860S `a effet thermique. Commercialis´e par SERV’INSTRUMENTATION, il supporte des pressions de 250 bars et mesure des d´ebits compris entre 0 et 200 Ncm3.min−1avec une pr´ecision de 0,2% de la pleine ´echelle
plus 0,7% de la mesure. Le d´ebitm`etre a ´et´e ´etalonn´e pour le m´ethane.