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SYSTEME D'ECHANTILLONNAGE POUR GAZ LIQUEFIES ET
LIQUIDES
L'invention concerne un système d'échantillonnage pour gaz liquéfiés et liquides, et en particulier de liquides qui s'évaporent aisément ou de liquides qui contiennent des gaz sous forme dissoute.
On connaît de nombreux systèmes d'échantillonnage, en particulier pour des gaz liquéfiés.
Le document DD-B-113403 décrit un procédé et un appareil pour l'évaporation totale de lots discontinus de gaz liquéfiés. L'appareil d'échantillonnage sert en particulier à soutirer des échantillons d'oxygène liquide. Il comporte un tube d'échantillonnage relié à une cuve d'évaporation qui est immergée dans le liquide à soutirer, après un prérefroidissement à l'azote. Au cours du processus, le tube d'échantillonnage se remplit par un orifice situé à son extrémité inférieure. Dans le tube d'échantillonnage, il s'établit un niveau de liquide qui correspond au niveau du liquide à l'extérieur. Le tube d'échantillonnage est alors fermé par un bonnet scellé qui y est vissé et est extrait du gaz liquéfié, ce qui fait s'évaporer l'échantillon, du fait de la chaleur absorbée.
Le document DE-C-24 08 845 concerne un appareil d'échantillonnage de gaz liquéfiés. L'appareil présente trois chambres agencées cylindriquement l'une à l'intérieur de l'autre. Le gaz liquéfié à soutirer passe dans la chambre centrale jusqu'à ce que la chambre se soit refroidie jusqu'à la température d'ébullition du gaz liquéfié et ne contienne plus que du liquide. A ce moment, une connexion est établie avec la chambre interne déjà prérefroidie, qui se remplit de gaz liquéfié. Lorsque cette
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chambre interne a été refermée, la pression augmente lors du réchauffement. A l'extrémité de base de ladite chambre tubulaire interne est disposé un bouchon en forme de plongeur qui, par l'intermédiaire d'un ressort, est retenu dans la chambre interne.
Si la pression augmente dans la chambre interne, le plongeur est repoussé en arrière en opposition à la force du ressort et libère une entrée vers la troisième chambre externe.
Lorsque le gaz liquéfié se dilate dans ladite chambre, il s'évapore de sorte que l'on peut, dans un but d'investigation, soutirer de la chambre externe un échantillon gazeux du gaz liquéfié initialement soutiré sous forme liquide.
Le brevet US-3,487, 692 concerne un procédé et un appareil d'échantillonnage de gaz liquéfiés, et en particulier de gaz naturel liquéfié. L'appareil comporte un tube d'échantillonnage dont l'une des parties est de forme hélicoïdale. Ce tronçon hélicoïdal est situé dans une cuve thermiquement isolée. Lorsqu'un gaz liquéfié y passe, le tube se refroidit jusqu'à la température d'ébullition du gaz liquéfié, de sorte qu'il se remplit de gaz liquéfié. A ce moment, on peut fermer le tube en amont et en aval de l'hélice par l'intermédiaire de vannes. Le tube présente également une vanne de soutirage et une vanne de relâchement de pression.
Le brevet US-4,409, 850 concerne une cuve portable d'échantillonnage servant à contenir des gaz naturels liquéfiés. La cuve est de forme cylindrique et présente un plongeur mobile. Dans la cuve est prévue une sphère qui peut être utilisée pour mélanger son contenu, la taille choisie pour la sphère étant telle qu'elle se déplace dans une position prédéfinie lorsque le plongeur est introduit, et elle permet de déplacer la totalité du contenu.
Le brevet US-4,862, 754 concerne également un cylindre portable pour échantillon, du type à piston. Le piston comporte de même un élément mélangeur.
Le brevet EP-B1-0 461 383 concerne une cuve d'échantillonnage servant à digérer et analyser le matériau d'un échantillon. En particulier, celui-ci est une boue de station d'épuration qui doit être digérée par des acides très agressifs. La cuve d'échantillonnage comporte un cylindre en plastique doté d'un couvercle. Pour la digestion ou l'analyse, cette cuve
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d'échantillonnage est chauffée. Le chauffage s'effectue dans un appareil spécial dans lequel le cylindre est maintenu à son extrémité supérieure et à son extrémité inférieure. On obtient ce résultat au moyen d'un ressort en disque disposé dans le couvercle de la cuve cylindrique, en contact avec l'appareil qui le loge, et exerçant une certaine pression sur le couvercle.
Ce n'est que lorsqu'une certaine pression interne est dépassée dans le cylindre que le couvercle se relève et permet ainsi l'égalisation des pressions. La cuve d'échantillonnage n'est pas utilisée pour contenir des gaz liquéfiés.
Les systèmes d'échantillonnage décrits plus haut pour les gaz liquéfiés sont de structure compliquée et sont donc coûteux. De plus, ils peuvent présenter des défauts. Dans différents systèmes d'échantillonnage, au moins une partie des échantillons de gaz liquéfiés s'évapore, ce qui peut entraîner la formation d'une phase vapeur et d'une phase liquide dont les compositions sont différentes. Au cours de l'échantil- lonnage, l'évaporation de parties du gaz liquéfié peut de même se produire, de sorte que la quantité de matière soutirée n'a pas nécessairement la même composition que celle du gaz liquéfié.
Un objet de la présente invention est de fournir un appareil pour l'échantillonnage de gaz liquéfiés ou de liquides, qui soit de structure sim- ple et puisse être manipulé de manière simple, et qui évite les inconvénients des appareils d'échantillonnage de la technique antérieure. Il sert à permettre un échantillonnage qui n'entraîne pas l'évaporation des échantillons ou de parties des échantillons. Même de petits volumes d'échantillons doivent pouvoir être manipulés.
Selon l'invention, cet objet est atteint avec un système d'échantillonnage de fluides qui comporte un tube d'échantillonnage qui peut être relié au fluide à soutirer, par l'intermédiaire d'éléments de fermeture prévus aux extrémités du tube, le tube présentant une partie de dilatation dont l'intérieur communique avec l'intérieur du tube et dans laquelle un piston est guidé de manière mobile et étroitement étanche dans un cylindre, et est maintenu par un ressort de rappel dans sa position nulle dans laquelle il permet au fluide de traverser le tube d'échantillonnage, le piston étant écarté, avec une augmentation du volume interne, lorsque la
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pression interne augmente dans le tube d'échantillonnage.
Pour soutirer un échantillon, l'appareil d'échantillonnage est relié à un fluide à étudier, par l'intermédiaire des éléments de fermeture. Les éléments de fermeture sont alors ouverts pour permettre au fluide de s'écouler à travers le tube d'échantillonnage. Lorsque la cuve d'échantillonnage a été remplie de fluide et que le fluide dans l'appareil d'échan- tillonnage a la même composition que le fluide à étudier, on ferme les éléments de fermeture et l'appareil d'échantillonnage est extrait du fluide à étudier. Si le fluide se dilate pendant le transport ou la poursuite de la manipulation ou si, par exemple, une partie du liquide s'évapore, la pression interne dans le tube d'échantillonnage augmentera.
Il en résulte qu'une force s'exercera sur le piston dans la partie de dilatation, lequel piston est repoussé en opposition à la force du ressort. Ceci provoque une augmentation de volume qui permet de réguler l'augmentation de pression dans l'appareil d'échantillonnage. Si le fluide et/ou la cuve d'échantillonnage sont ramenés à la température à laquelle l'échantillonnage a eu lieu, la pression dans le tube d'échantillonnage chute et le piston est ramené dans sa position nulle par le ressort de rappel, un liquide évaporé se condensant par exemple au cours du processus. Si le fluide est extrait de l'appareil d'échantillonnage dans cet état, il a exactement la même composition que celle du fluide à étudier et qui a été initialement soutiré. Tous les constituants du fluide sont conservés.
A l'aide d'un choix approprié de la taille du tube d'échantillonnage et de la partie de dilatation, on peut faire correspondre exactement une quantité de l'échantillon à la quantité d'échantillon nécessaire pour l'analyse. Par conséquent, le tube d'échantillonnage peut être vidé complètement en vue de l'analyse, tous les constituants du fluide soutiré étant conservés et l'analyse ultérieure étant en mesure de reproduire précisément la composition du fluide à étudier.
L'appareil d'échantillonnage selon l'invention est de préférence utilisé pour l'analyse de gaz liquéfiés et de liquides qui contiennent des gaz sous forme dissoute. Un élément important concernant l'analyse de ces gaz liquéfiés ou liquides réside en ce que pendant l'échantillonnage, les échantillons restent liquides et qu'une évaporation même partielle des gaz
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liquéfiés, des liquides ou des gaz qui y sont dissous est exclue. Par exem- ple, on peut utiliser l'appareil d'échantillonnage pour la détermination de gaz inertes dans une solution aqueuse d'ammoniac ou dans l'ammoniac liquide. Un autre exemple est l'analyse des huiles de transformateur contenant des constituants organiques, en particulier lorsque ces constituants organiques sont fortement volatils.
De plus, tous les gaz liquéfiés du commerce, par exemple le gaz naturel, peuvent être soutirés au moyen de l'appareil d'échantillonnage selon l'invention.
Comme il permet de prendre de petits volumes d'échantillon, l'appareil d'échantillonnage peut également être utilisé dans le cas où des produits toxiques doivent être étudiés, lesquels produits toxiques ne peuvent être manipulés qu'en petites quantités. Des exemples en sont les oxydes d'alkylène, comme l'oxyde d'éthylène ou l'oxyde de propylène.
Dans le cas des systèmes d'échantillonnage connus qui nécessitent une grande quantité d'échantillons, il faut éliminer la majeure partie de l'échantillon pendant ou après l'analyse. Si cette élimination ne peut être effectuée de manière simple, l'échantillon doit être renvoyé au point de soutirage, ce qui rend l'opération considérablement plus complexe. L'invention permet d'éviter ces inconvénients.
Le volume du tube d'échantillonnage et de la partie de dilatation peut être dimensionné en fonction des fluides à étudier dans chaque cas particulier. Par exemple, le tube d'échantillonnage peut présenter un volume de 0,1 à 20 ml, de préférence de 0,5 à 5 ml. Le volume de la partie de dilatation est choisi de telle manière à garantir que pour la différence de température maximale à laquelle on peut s'attendre entre l'échantillon et l'entreposage et le transport de l'appareil d'échantillonnage rempli, la pression interne dans l'appareil d'échantillonnage ne dépassera pas une pression maximale admissible.
Dans ce contexte, l'ajustement correspondant de la partie de dilatation peut être déterminé tout d'abord par l'intermédiaire du volume, c'est-à-dire la course du piston de la partie de dilatation, et deuxièmement par l'intermédiaire de la force élastique du ressort de rappel. Le ressort de rappel utilisé peut être tout ressort approprié quelconque. Comme on peut obtenir une pression élevée dans la cuve d'échantillonnage, par exemple de 4 à 200 bars, et de préférence de
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5 à 100 bars, et qu'en règle générale on souhaite une conception com- pacte, la préférence est donnée à l'utilisation de ressorts en disque, en utilisant l'option de la superposition de un ou plusieurs disques.
Le choix du nombre des ressorts en disque, des forces de rappel et des déformations des ressorts en disque individuels peut varier en fonction du domaine d'application. Ceci permet de dimensionner un appareil d'échantillonnage de manière simple en fonction de différentes applications sans qu'il faille y entreprendre des modifications structurelles importantes. Les ressorts en disque convenant pour être utilisés dans le nouvel appareil d'échantillonnage sont connus des personnes expérimentées de la technique.
Dans ce qui suit, nous décrirons un mode de réalisation préféré d'un appareil d'échantillonnage selon l'invention, en association au dessin dans lequel : la figure 1 a) représente une coupe transversale latérale de l'appareil d'échantillonnage, la figure 1 b) représente une coupe A-A à travers l'agencement représenté dans la figure 1 a), à l'exception du fait que la partie de dilatation (1) a été tournée de 900 dans le sens des aiguilles d'une montre, la figure 2a) représente une coupe transversale latérale du tube d'échan- tillonnage de la figure 1 a) et la figure 2b) représente une coupe B-B à travers l'agencement de la figure
2a).
Dans les figures, on utilise les références numériques ci-dessous : 1. Partie de dilatation 2. Piston 3. Partie de raccordement 4. Bonnet 5. Ressorts en disque 6. Joints d'étanchéité
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7. Cylindre 8. Vannes 9. Plaque de montage 10. Raccords tubulaires rapides 11. Poignée 12. Partie de liaison 13. Tube d'échantillonnage 14. Cavité 15. Tube de jaquette
L'appareil d'échantillonnage est doté d'un tube d'échantillonnage (13) qui s'ouvre d'un côté dans une partie de liaison (12) qui est reliée à une vanne (8) qui à son tour est dotée d'un raccord tubulaire rapide (10) qui permet sa liaison à un récipient duquel l'échantillon de fluide doit être soutiré. La partie de liaison (12) peut de même être conçue comme raccord tubulaire rapide, par exemple verrou basculant.
Autour du tube d'échantillonnage (13) s'étend un tube de jaquette (15) qui d'une part augmente la stabilité de l'appareil d'échantillonnage et d'autre part fournit un écran externe pour le tube d'échantillonnage proprement dit. En particulier si le tube d'échantillonnage (13) est à basse température, on évite que l'utilisateur se blesse en cas de contact par inadvertance. La cavité (14) située entre le tube d'échantillonnage (13) et le tube de jaquette (15) peut être mise sous vide ou remplie d'air ou d'un gaz isolant ou d'un autre matériau isolant. La cavité (14) peut par exemple être remplie d'une mousse polymère telle qu'une mousse de polyuréthane.
La deuxième extrémité du tube d'échantillonnage s'ouvre dans la partie de dilatation (1). Dans cet agencement, la partie de dilatation comporte un cylindre (7) dans lequel est guidé un piston (2) qui est doté de plusieurs joints d'étanchéité (6), en particulier des joints toriques, au moyen desquels la chambre d'échantillonnage est rendue étanche par rapport au cylindre. Le cylindre est fermé par un bonnet (4) qui présente en son centre un arbre creux qui permet de centrer les ressorts en disque (5). Le bonnet (4) est relié de manière permanente au cylindre (7). A l'aide des ressorts en disque (5), le piston (2) est amené dans la position nulle.
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Dans cette position, à la base de la partie de dilatation (1), il existe un petit conduit d'écoulement qui, par l'intermédiaire de la partie de liaison (3), s'étend jusqu'à la deuxième vanne (8). En particulier, à l'extrémité droite de la figure 2b), on peut voir que la section transversale dudit conduit d'écoulement est un cercle. Si le tube d'échantillonnage (13) est rempli d'un fluide et si la pression interne augmente, par exemple par évaporation partielle d'un liquide dans le fluide, le piston (2) est repoussé vers le haut contre les ressorts en disque (5), ce qui entraîne de ce fait une augmentation du volume interne de l'appareil d'échantillonnage.
En cas de chute de la température et par exemple de condensation du gaz en liquide, la pression interne dans l'appareil d'échantillonnage et dans le tube d'échantillonnage diminue, de sorte que le piston (2) retourne dans sa position nulle.
Par la vanne (8) et le deuxième raccord tubulaire rapide (10), cette partie du tube d'échantillonnage peut être reliée à un récipient duquel l'échantillon doit être soutiré. L'ensemble de l'agencement d'échantillonnage est posé sur une plaque (9) qui est dotée d'une poignée (11). La figure 2 donne une vue plus détaillée de la configuration du tube d'échantillonnage et du cylindre. Du fait que l'on a prévu des parties de liaison (3) et des raccords tubulaires rapides (10), l'appareil d'échantillonnage peut être relié rapidement et de manière simple à un récipient en vue de soutirer un échantillon. Le démontage de l'appareil d'échantillonnage, par exemple pour sa vérification, son entretien ou son nettoyage, est de même possible de manière simple.
Pour que son volume soit réduit, le tube d'échantillonnage peut présenter un noyau cylindrique et ainsi présenter une chambre dont la section transversale est annulaire.
L'appareil d'échantillonnage selon l'invention peut être réalisé en tout matériau approprié. On donne la préférence à des aciers alliés à haute résistance qui résistent à la corrosion. En fonction des contraintes de pression et de température auxquelles on s'attend, on peut modifier l'épaisseur de la paroi du cylindre et du tube d'échantillonnage.
Au cours de l'échantillonnage, le fluide à soutirer peut être passé dans le tube d'échantillonnage jusqu'à ce que le tube se soit refroidi
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jusqu'à la température du fluide et que le fluide dans le tube d'échantillonnage présente la même composition que celle du fluide à étudier. Dans le cas de liquides qui s'évaporent aisément, il n'y aura à ce moment aucune phase gazeuse présente dans le tube d'échantillonnage. A cet instant, les vannes (8) peuvent être fermées et l'appareil d'échantillonnage peut être extrait du fluide à étudier. Même si pendant le transport ou l'entreposage de l'appareil d'échantillonnage rempli, il se produit une augmentation de température qui entraîne l'évaporation d'une partie du fluide à étudier, aucun constituant du fluide ne s'échappera.
Par exemple, en vue d'une analyse par chromatographie en phase gazeuse, il est possible de relier l'appareil d'échantillonnage directement à l'entrée d'un chromatographe en phase gazeuse. En ouvrant l'une des vannes (8), on peut charger le chromatographe en phase gazeuse en fluide à étudier.
Les applications de chromatographie en phase gazeuse nécessitent des échantillons d'un volume qui n'est pas supérieur de 1 à 2 ml.
Le réglage d'une température appropriée lors du soutirage du fluide permet d'obtenir ce dernier sous forme gazeuse dans l'appareil d'échan- tillonnage.
L'appareil d'échantillonnage selon l'invention peut comporter d'autres composants, par exemple des manomètres qui permettent de vérifier la pression interne dans le tube d'échantillonnage. D'autres éléments supplémentaires appropriés, tels que des points de rupture prédéterminés, des soupapes de relâchement de pression ou des mécanismes similaires peuvent également être prévus.
L'invention est expliquée ci-dessous plus en détail au moyen d'un exemple.
EXEMPLE
Un tube d'échantillonnage tel que celui décrit dans les figures a été construit en acier résistant à la corrosion, avec un volume interne de 2,7 ml. L'appareil d'échantillonnage est utilisé pour soutirer de l'ammoniac liquide, la pression dans l'appareil d'échantillonnage pouvant éventuellement monter jusqu'à 30 bars. L'échantillonnage a lieu à environ-20 C,
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une augmentation de température jusqu'à +40 C conduisant à une augmentation tolérable de la pression. En vue de l'analyse, l'ammoniac contenu dans l'appareil d'échantillonnage est introduit directement dans un chromatographe en phase gazeuse.
Comme il est inutile de purger l'appareil d'échantillonnage (10) pour soutirer l'ammoniac, il est possible d'analyser quantitativement les gaz inertes présents dans l'ammoniac, et en particulier l'azote.
La détermination de la teneur en gaz inertes dans des gaz liquéfiés tel que le gaz naturel liquéfié est également possible.