FR2944353A1 - Dispositif et procede pour la mesure de la temperature du point de rosee d'un element gazeux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif et son procédé de mise en oeuvre pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, qui peut avoir une capacité calorifique basse et/ou un caractère chimique agressif comme le soufre, en circulation par exemple dans une canalisation, permettant de travailler dans une gamme de températures pouvant varier d'une centaine de degrés jusqu'à 400°C et offrant une précision optimisée de la mesure due à un rapport signal/bruit optimisé. A cet effet, le dispositif comprend notamment un bloc calorimétrique (2), deux moyens thermométriques (3, 4) et une surface de mesure (8), ceux-ci (3, 4, 8) étant chacun en contact thermique direct avec le bloc calorimétrique et l'élément gazeux. Chaque moyen thermométrique est apte à générer un signal représentatif de l'effet thermique associé à la condensation et/ou à l'évaporation de l'élément gazeux sur ladite surface (8).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR LA MESURE DE LA TEMPERATURE DU POINT DE ROSEE D'UN ELEMENT GAZEUX

La présente invention concerne un dispositif et son procédé associé pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, ledit dispositif étant basé sur le principe de la calorimétrie différentielle.

De nombreuses applications industrielles nécessitent la mesure de la température du point de rosée, en particulier celle du point de rosée de la vapeur d'eau dans des gaz, par exemple pour des applications de séchage industriel afin de s'assurer de l'évaporation de l'eau. Une telle mesure peut également concerner, mais non limitativement, un solvant organique contenu dans un produit ou encore une alarme corrosion ou givre dans des installations. Plus particulièrement, le domaine d'utilisation du dispositif et du procédé de la présente invention concerne les industries chimiques, pétrolières et gazières, et notamment les unités CLAUS de production de soufre liquide à partir d'un élément gazeux riche en hydrogène sulfuré et dioxyde de soufre, dans lesquelles la connaissance de la température du point de rosée de l'élément soufre permet d'optimiser la marche de l'unité.

C'est à cette dernière application que l'on se référera plus particulièrement dans la suite de la présente description, mais le dispositif et le procédé, objets de la présente invention, s'appliquent à tout type de mesures de la température du point de rosée d'un gaz, seul ou en mélange, à l'état turbulent ou laminaire, par exemple dans une canalisation.

Par la suite et au sens de la présente invention, on entend par l'expression point de rosée ou température de rosée , la température au-dessous de laquelle, à la pression considérée, la vapeur d'un élément gazeux, se condense. En ce qui concerne le soufre, la température de son point de rosée est la température à partir de laquelle la première goutte de soufre liquide apparaît sur un support considéré.

La réaction CLAUS, qui convertit l'hydrogène sulfuré (H2S) provenant de la désulfuration du pétrole en soufre (S) élémentaire non toxique et aussi en matière première utile, étant exothermique, la conversion de l'H2S en S liquide est favorisée par des températures basses. Ceci étant, il faut néanmoins maintenir la température du réacteur catalytique à un niveau suffisant, pour éviter l'apparition du soufre liquide à la surface des catalyseurs, ce qui peut aboutir à un colmatage du réacteur support desdits catalyseurs. Ainsi, il est nécessaire que la température de consigne (Tc) imposée à l'entrée du réacteur catalytique soit réglée de telle manière que la température de sortie (Ts) du même réacteur catalytique soit supérieure à la température de rosée du soufre à la sortie dudit réacteur. Ceci s'applique à chacun des réacteurs catalytiques que peut compter l'unité CLAUS. Aujourd'hui, le réglage de la Tc se fait de manière empirique, connue de l'homme du métier, de sorte que la Ts adopte la valeur voulue nettement supérieure à la température de la rosée du soufre. En effet, la température de rosée du soufre étant inconnue, et dépendant notamment de la composition du gaz qui n'est pas fixe, on procède généralement à un réglage de la température Tc à un niveau qui présente plusieurs dizaines de degrés Celsius de plus que la température Ts attendue à la sortie de ce même réacteur, c'est-à-dire très supérieure à la température de rosée du soufre. Ceci permet à l'exploitant de disposer d'une marge de sécurité confortable quant à la température d'apparition des premières gouttes de rosée du soufre. Cette technique présente cependant l'inconvénient majeur d'être pénalisante d'un point de vue économique et environnemental, car, la marche de l'unité n'étant pas optimisée, le taux de conversion en soufre n'atteint pas, de facto, son optimum, ce qui se traduit par des gaz résiduaires chargés en gaz acides nécessitant un traitement complémentaire plus important, encore appelé dans la profession, traitement des gaz de queue. Un procédé d'optimisation de la marche des unités CLAUS a été récemment proposé par la Demanderesse (WO 2007/096512) pour optimiser le fonctionnement du procédé de conversion de l'H2S en S liquide à partir de la connaissance précise du point de rosée du soufre, permettant ainsi d'opérer au plus près de cette valeur, grâce à sa mesure en continu, afin d'optimiser les températures des réacteurs et d'augmenter le rendement de l'unité CLAUS. Il apparaît donc important de pouvoir disposer sur le marché d'un dispositif permettant la mesure précise en ligne de la température du point de rosée du soufre afin de pouvoir travailler, par exemple pour les unités du procédé CLAUS, au plus près de ce point de rosée mesuré et donc avec un meilleur rendement de conversion de l'H2S en S liquide. Plusieurs solutions ont été proposées, telle EP 0 202 453 qui décrit un dispositif de mesure de la température du point de rosée d'un gaz, notamment la vapeur d'eau, comprenant un bloc calorimétrique, des moyens de chauffage de type résistif, un module de refroidissement et une enveloppe externe intégrant deux thermopiles positionnées de part et d'autre de l'axe de symétrie dudit bloc, une des deux thermopiles servant de référence étant isolée thermiquement du bloc calorimétrique par une barrière thermique. Les moyens de chauffage sont disposés à l'intérieur du bloc calorimétrique, à proximité des thermopiles. La mesure du point de rosée s'effectue alors par une méthode dite directe qui consiste à détecter la variation du signal émis par la thermopile, dite de mesure, dès l'apparition du condensat sur sa surface de condensation lors de la diminution de la température de cette surface, et à mesurer la température correspondante au moyen d'un capteur de température intégré à la surface de la thermopile.

Cette méthode est en outre réalisée avec un flux de gaz laminaire dans une ambiance régulée par un ventilateur disposé au-dessus de la surface de condensation. EP 0542 582 décrit une évolution technique de EP 0 202 453 comprenant un bloc calorimétrique, des moyens de chauffage de type résistif, un module de refroidissement et une unique sonde thermique intégrée au bloc calorimétrique. La mesure du point de rosée s'effectue comme dans EP 0 202 453 par une méthode directe en détectant la condensation du gaz à la surface de la sonde thermique et en mesurant la température de cette dernière à cet instant.

Ces dispositifs et procédés présentent plusieurs inconvénients parmi lesquels : - la présence d'une barrière thermique dans le capteur qui est propice à une dérive du signal de mesure, dérive qui peut également être renforcée par la présence de plusieurs ponts thermiques entre les deux thermopiles d'une part, et le bloc calorimétrique d'autre part, - la mesure de la température de rosée de l'élément gazeux est basée essentiellement sur la détection de la condensation dudit élément gazeux sur la surface de la sonde thermique, condensation réputée homogène et qui ne peut pas créer de différence significative entre les signaux mesurés, par exemple par les deux thermopiles, - l'absence d'utilisation mentionnée pour une application à des éléments gazeux circulant dans un flux de type turbulent, - c'est essentiellement la mesure de la température du point de rosée de l'eau qui est décrite, notamment pour une application de séchage industriel, - la mesure du point de rosée d'un élément gazeux à capacité calorifique basse, notamment à capacité calorifique strictement inférieure à celle de l'eau et à caractère chimique agressif comme dans le cas du soufre, n'est pas mentionnée, - l'utilisation d'une seule et unique sonde thermique est génératrice de dérive pour le signal mesuré, entraînant de facto une difficulté supplémentaire pour la mesure de la température du point de rosée. Par ailleurs, si WO 2007/096512 décrit un procédé d'optimisation de la marche des unités CLAUS comme indiqué précédemment, aucun élément technique sur le dispositif de mesure de la température de rosée du soufre et sur un procédé de mesure utilisant un tel dispositif ne sont décrits dans le document.

Il existe donc un besoin dans la technique relatif à un dispositif et son procédé de mise en oeuvre pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, qui peut avoir une capacité calorifique basse et/ou un caractère chimique agressif comme le soufre, en circulation par exemple dans une canalisation, permettant de travailler dans une gamme de températures pouvant varier d'une centaine de degrés jusqu'à 400°C et offrant une précision améliorée de la mesure due à un rapport signal/bruit optimisé.

A cette fin, un premier objet de l'invention est un dispositif pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, comprenant : au moins un bloc calorimétrique destiné à réguler et homogénéiser la température du dispositif, - au moins deux moyens thermométriques, chaque moyen thermométrique étant en contact thermique direct avec le bloc calorimétrique, - une surface de mesure en contact thermique direct avec les moyens thermométriques et l'élément gazeux, dans lequel chaque moyen thermométrique est apte à générer un signal représentatif de l'effet thermique associé à la condensation et/ou à l'évaporation de l'élément gazeux sur ladite surface de mesure.

Un tel dispositif permet d'optimiser la mesure du point de rosée du fait de la présence de deux moyens thermométriques en contact thermique direct avec la surface de mesure et le bloc calorimétrique.

Avantageusement, ces éléments sont contenus dans une enveloppe extérieure dont une face comporte la surface de mesure en contact thermique direct avec l'élément gazeux.

Par contact thermique direct, on entend un contact sans barrière thermique, ni pont thermique. Des surfaces en contact thermique direct peuvent ainsi être en contact physique l'une avec l'autre, ou bien être séparées par un matériau conducteur thermique disposé de telle façon entre les dites surfaces qu'il exclu les barrières thermique et les ponts thermiques.

Avantageusement, la surface de mesure est la face externe d'une plaque plane solidaire de l'enveloppe extérieure, en contact thermique direct avec les moyens thermométriques, et permettant une mesure thermique à travers son épaisseur. Une telle plaque sera par exemple utilisée en environnement agressif et pourra être solidarisée à l'enveloppe extérieure de manière à former une enceinte étanche.

Dans une variante, la plaque plane est réalisée d'une seule pièce avec l'enveloppe externe, simplifiant ainsi la réalisation et le montage du dispositif.

Avantageusement, l'enveloppe extérieure du dispositif est constituée en un matériau résistant à la corrosion chimique, ce qui permet l'utilisation du dispositif dans un milieu agressif.

En variante, la surface de mesure fait partie des moyens thermométriques.

Avantageusement, la régulation en température du bloc calorimétrique est réalisée par au moins un moyen de chauffage, de préférence de type résistif, et au moins un moyen de refroidissement associés au bloc calorimétrique.

Avantageusement, le bloc calorimétrique contient au moins une sonde pour la mesure de la température.

Le bloc calorimétrique pourra être réalisé en un matériau choisi parmi tous matériaux métalliques, alliages, plastiques, ou encore composites adéquats, seuls ou en mélange, et de préférence constitué de cuivre, et de manière encore plus préférée, d'argent.

Avantageusement, le dispositif contient deux moyens thermométriques positionnés de part et d'autre d'un axe de symétrie du bloc calorimétrique.

Les moyens thermométriques pourront être choisis parmi des thermocouples, des fluxmètres, des thermopiles, des éléments Peltier, encore dénommés modules thermoélectriques.

Avantageusement, une chaîne de traitement informatique des signaux générés par les moyens thermométriques est associée au dit dispositif.

Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, au moyen d'un dispositif selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : - on dispose le dispositif dans le flux gazeux comprenant l'élément gazeux afin que la surface de mesure soit positionnée en contact thermique avec ledit flux gazeux, - on réalise successivement des cycles de refroidissement et de chauffage du bloc calorimétrique pour que la surface de mesure en contact avec l'élément gazeux puisse faire condenser ledit élément gazeux sur elle-même lors du refroidissement, puis le faire évaporer lors du chauffage, - on mesure les signaux électriques différentiels émis par les moyens thermométriques, ces signaux étant représentatifs des changements de températures de la surface de mesure dus aux effets thermiques associés aux effets de condensation ou d'évaporation de l'élément gazeux, - on enregistre les signaux électriques mesurés, - les signaux électriques sont ensuite traités par des moyens informatiques afin d'en déduire directement, ou par l'intermédiaire d'un étalonnage préalable, la température du point de rosée de l'élément gazeux.

Par exemple, un cycle de mesure, correspondant à un cycle de refroidissement et de chauffage du bloc calorimétrique, consiste en le chauffage de la surface de mesure au moyen du bloc calorimétrique jusqu'à une température Tsup supérieure à la température de point de rosée supposée, suivi du refroidissement de cette surface jusqu'à une température T,nf inférieure à la température de point de rosée supposée, puis chauffage à nouveau de la surface de mesure jusqu'à la température Tsup.

Avantageusement, la surface de mesure est disposée sensiblement verticalement.

La Demanderesse a en effet constaté que, du fait de cette position particulière des moyens thermométriques, l'amplitude du signal est plus importante, améliorant ainsi la précision de la mesure.

Notamment, dans le cas de l'évaporation, celle-ci commence à une extrémité de la surface de mesure et finit à l'autre extrémité.

Avantageusement, les signaux électriques représentatifs des changements de températures de la surface de mesure sont enregistrés pour l'effet d'évaporation de l'élément gazeux condensé.

Dans la mise en oeuvre du procédé, on pourra faire varier la température du dispositif entre 100°C et 400°C, et de préférence entre 150°C et 350°C, au cours d'un cycle de refroidissement et de chauffage.

L'invention concerne aussi l'utilisation du dispositif selon l'invention et du procédé selon l'invention pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, de préférence le soufre.

Notamment, le dispositif et le procédé selon l'invention peuvent être utilisés pour déterminer la température de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, circulant dans un flux de type laminaire ou turbulent. En particulier, l'élément gazeux peut présenter une capacité calorifique faible, de préférence inférieure à celle de l'eau.

L'invention concerne enfin l'utilisation du dispositif selon l'invention et du procédé selon l'invention pour le pilotage d'une unité de conversion, de préférence pour la conversion de l'hydrogène sulfuré en soufre liquide.

L'invention présente plusieurs avantages, et notamment celui permettant de déterminer avec précision la température de rosée du soufre. En effet, la présence de deux moyens thermométriques permet de limiter les dérives des signaux mesurés. En outre, le dispositif pouvant être mis en oeuvre pour mesurer le point de rosée par évaporation, l'amplitude des signaux émis dans cette dernière configuration est plus importante, d'où de facto, une meilleure précision de la mesure.

C'est ainsi que la température Tc de chauffage à l'entrée d'un réacteur catalytique d'une unité CLAUS est ajustée de façon à ce que la température Ts de sortie dudit réacteur soit supérieure à la température de rosée du soufre de 5°C à 20°C, et plus avantageusement de 5°C à 10°C en lieu et place de plusieurs dizaines de degrés, voire supérieure jusqu'à 100°C, à la température supposée du point de rosée du soufre, comme tel est le cas dans l'Art. Cette connaissance précise du point de rosée du soufre permet ainsi de réduire la température de fonctionnement des réacteurs des unités CLAUS, tout en augmentant le rendement des dites unités. Cette augmentation de rendement entraînant la diminution de la quantité d'espèces soufrées résiduelles non traitées, appelées gaz de queue, en particulier H2S et SO2. Ainsi, la taille des unités de traitements complémentaires de ces gaz résiduaires est également optimisée, d'où un gain énergétique et économique supplémentaire. De plus, l'invention est non seulement applicable aux nouvelles unités, mais également à des unités préexistantes. Enfin, un autre avantage important réside, en permettant de favoriser la conversion du soufre, dans le respect plus aisé de l'aspect environnemental, qui devient de plus en plus contraignant avec des quotas d'émissions de SO2 de plus en plus à la baisse en nombre de jours et en cumulés.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée du dispositif et du procédé associé en référence aux dessins, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement, un dispositif objet de la présente invention, - la figure 2 est une courbe représentant le signal résultant des deux moyens thermométriques en fonction de la température du bloc calorimétrique, obtenue lors de l'utilisation du dispositif selon l'invention pour mesurer le point de rosée d'un mélange gazeux, - les figures 3 à 5 sont des courbes similaires à celles de la figure 3 correspondant chacune à la mesure d'une composition gazeuse de température de rosée connue, en vue de l'étalonnage du dispositif selon l'invention.

Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend : - un bloc calorimétrique 2 destiné à réguler et homogénéiser la température du dispositif 1, - deux moyens thermométriques 3, 4 aptes à générer un signal représentatif de l'effet thermique associé à la condensation et/ ou à l'évaporation de l'élément gazeux. Les moyens thermométriques 3, 4 sont chacun en contact thermique direct avec le bloc calorimétrique 2, dans l'exemple représenté, en contact physique.

Les moyens thermométriques 3, 4 et le bloc calorimétrique 2 sont contenus dans une enveloppe extérieure 7, 9 dont une face comporte une surface de mesure 8 en contact thermique direct avec l'élément gazeux, les moyens thermométriques 3, 4 étant également chacun en contact thermique direct avec ladite surface de mesure 8.

De manière générale, le dispositif 1 est de forme cylindrique et le bloc calorimétrique 2 est équipé d'un moyen de chauffage 5 et d'un moyen de refroidissement 6. Ces moyens de chauffage 5 et de refroidissement 6 sont en contacts avec le bloc calorimétrique.

Le moyen de chauffage 5 est de préférence un système constitué d'une ou plusieurs résistance(s) chauffante(s) qui entoure(nt) le bloc calorimétrique 2. Ce moyen de chauffage permet d'élever la température du bloc calorimétrique, par exemple, jusqu'à 400 °C, à une vitesse pouvant varier de 10° C à 50° C par minute.

Le moyen de refroidissement 6, disposé sur une face du bloc calorimétrique 2, permet d'abaisser la température de ce dernier, par exemple de 400 °C jusqu'à 100 °C, ou moins, à une vitesse pouvant atteindre 10°C, ou 20°C, voire plus, par minute. Ledit moyen de refroidissement peut être alimenté par un fluide réfrigéré circulant respectivement par les entrée A et sortie B aménagées dans le dispositif 1, objet de la présente invention. La fonction principale du bloc calorimétrique 2 est d'amener le dispositif à une température déterminée et d'homogénéiser cette dite température afin que les moyens thermométriques 3 et 4, et la surface de mesure 8, atteignent la température désirée. Au moins une sonde, non représentée sur la figure 1, par exemple de type thermocouple, est installée au sein de ce bloc calorimétrique 2 pour permettre de mesurer et donc réguler la température dudit bloc, et par conséquent les températures des moyens thermométriques et de la surface de mesure 8. Le bloc calorimétrique 2 est réalisé en un matériau choisi parmi tous matériaux métalliques, alliages, plastiques, ou encore composites adéquats, seuls ou en mélange, et de préférence constitué de cuivre, et de manière encore plus préférée d'argent. Les deux moyens thermométriques 3 et 4 sont disposés entre le bloc calorimétrique 2 et l'élément gazeux. Ces moyens sont disposés de part et d'autre de l'axe de symétrie du bloc calorimétrique 2, de façon telle que leurs deux plus grandes faces parallèles soient directement en contact thermique, sans barrière thermique ni pont thermique, respectivement avec ledit bloc calorimétrique 2 et l'élément gazeux, dont la température du point de rosée est à déterminer.

Dans le cas d'un élément gazeux à caractère chimique corrosif, une fine couche, de préférence plane, de métal résistant chimiquement à la corrosion est disposée en contact thermique direct avec les moyens thermométriques 3 et 4 et l'élément gazeux à analyser, la face extérieure de la fine couche de métal constituant alors la surface de mesure 8. Les moyens thermométriques 3 et 4, dont la fonction est de mesurer les éventuels effets thermiques dus à une condensation ou à une évaporation d'un élément gazeux sur leur surface, ou sur une surface thermiquement en contact, peuvent être, non limitativement, des thermocouples, des fluxmètres, des thermopiles, des éléments Peltier, encore dénommés modules thermoélectriques. Les deux moyens thermométriques 3 et 4 cités précédemment sont maintenus en position dans un châssis mécanique lui-même inclus, à des fins de protection contre les agressions extérieures éventuelles, dans l'enveloppe extérieure constituée en un matériau résistant à la corrosion, par exemple un acier inoxydable austénitique de type 304 (18%Cr-8%Ni) et de préférence de type 316 (18%Cr-8%Ni-2%Mo).

Cette enveloppe peut être constituée de deux parties : - une enceinte qui a une fonction mécanique et de protection chimique, qui comprend l'enveloppe extérieure 7 et sa face arrière 9, - une fine plaque de métal plan dont la face extérieure constitue la surface de mesure 8, afin de permettre une mesure thermique par les deux moyens thermométriques 3 et 4 à travers son épaisseur. Les matériaux constitutifs du dispositif décrit dans cet exemple ont été spécialement choisis pour résister à une température de 350 °C, de préférence 400°C. La dimension du dispositif est calculée en fonction de la taille des moyens thermométriques utilisés, par exemple un diamètre de 100 mm, une longueur totale de 140 mm et un poids de 5 kg, pour des moyens thermométriques disposés à l'intérieur présentant des dimensions pouvant varier de 10 à 50 mm. Bien évidemment, le dispositif peut évoluer dans sa forme, mais il sera toujours constitué d'au moins un bloc calorimétrique 2 régulé en température et de deux moyens thermométriques 3 e t 4, directement en contacts thermiques avec ledit bloc et l'élément gazeux, de manière également directe ou par l'intermédiaire d'une fine plaque de métal, d'une épaisseur inférieure à 5 mm et de préférence à 2 mm, dont la face extérieure constitue la surface de mesure 8. L'enveloppe extérieure peut également présenter la particularité d'être monobloc, la surface de mesure 8 étant solidaire de cette enveloppe. Dans le cas où les moyens thermométriques 3 et 4 sont constitués en un matériau chimiquement robuste par rapport au gaz corrosif à analyser, par exemple le soufre, il ne devient plus nécessaire d'utiliser une plaque métallique pour constituer la surface de mesure 8. La face supérieure de chacun des moyens thermométriques 3 et 4 constituerait alors cette surface de mesure 8. Le dispositif de détection du point de rosée du soufre, objet de la présente invention est un instrument de mesure basé sur le principe de la calorimétrie différentielle. Ses deux modules thermoélectriques 3 et 4, sont destinés à mesurer l'effet thermique (le flux de chaleur), associé à la condensation et/ou à l'évaporation de l'élément gazeux, par exemple le soufre. Les signaux émis par chacun des deux modules correspondent à la différence de flux de chaleur, donc de températures, entre deux points de leur surface. Ces signaux sont ensuite pris en compte dans une chaîne de traitement informatique pour leur exploitation in fine par l'homme ou dans un processus automatisé.

Le dispositif est pourvu d'une entrée-sortie C pour les câbles électriques supports des signaux de mesures des moyens thermométriques, du thermocouple pour la mesure du chauffage du bloc calorimétrique et également de l'alimentation du moyen de chauffage 5. Le dispositif 1, et plus exactement sa surface de mesure 8, est positionnée directement sur la ligne de procédé (par exemple le procédé CLAUS) dans laquelle circule l'élément gazeux à analyser dans un flux, par exemple de type turbulent, de manière à ce que la surface de mesure soit directement en contact avec ledit flux gazeux, le dispositif étant orienté de telle sorte que la surface de mesure 8 soit dans un plan sensiblement vertical. L'effet thermique associé aux condensations et/ ou évaporations provoquera un changement de température hétérogène le long de la plaque métallique support de la surface de mesure 8 et par conséquent une variation de l'amplitude du signal généré différente pour chaque moyen thermométrique. L'hétérogénéité du phénomène d'évaporation sera préférée à la condensation. L'hétérogénéité du phénomène d'évaporation à la surface de mesure 8 est mesurée notamment grâce à l'orientation correcte des moyens thermométriques comme indiquée ci-dessus. Elle provoque une différence de température et de flux thermique entre les deux moyens thermométriques, générant ainsi des signaux électriques différentiels d'apparition du pic d'évaporation de l'élément gazeux, signaux devenant plus facilement exploitables par une chaîne de traitement informatique de la mesure. Le procédé de mise en oeuvre du dispositif conforme à la présente invention consiste à réaliser successivement des cycles de refroidissement puis de chauffage du bloc calorimétrique 2, donc de la surface de mesure 8, de façon à faire condenser le soufre sur la surface de mesure lors du refroidissement, puis à faire évaporer ledit soufre lors du chauffage. On démarre généralement d'un palier haut de température supérieure à la température du point de rosée de l'élément gazeux, par exemple le soufre, pour ensuite refroidir de manière linéaire, franchir le point de rosée et donc condenser le soufre jusqu'à atteindre un palier bas . Ensuite, on chauffe le dispositif pour de nouveau franchir le point de rosée, faire évaporer le soufre et de nouveau atteindre le palier haut .

On enregistre les signaux électriques différentiels émis par les deux moyens thermométriques 3 et 4 pendant les cycles de refroidissement puis de chauffage. Trois méthodes d'identification du point de rosée peuvent alors être utilisées : 1. la mesure directe du point de rosée par la détection du phénomène de condensation. Cette mesure est généralement difficile car la condensation est un phénomène homogène faiblement énergétique qui se traduit par un signal électrique, en provenance des moyens thermométriques, faiblement exploitable, car de faible amplitude. 2. la mesure indirecte du point de rosée par la détection du phénomène d'évaporation qui est, dans le cas de la présente invention, un phénomène de type hétérogène. L'évaporation provoque un refroidissement local au niveau de la surface de mesure 8. L'évaporation a lieu à des moments légèrement différents en fonction de la position sur la surface de mesure, les moyens thermométriques mesurant alors une différence de flux thermique plus importante. Le phénomène d'évaporation est visible par l'apparition d'un pic du signal différentiel correspondant à la différence de signaux entre les deux moyens thermométriques 3 et 4, ce pic correspondant à une rupture d'équilibre entre les deux moyens thermométriques. Le signal différentiel résultant, dû à l'évaporation, par son amplitude (plus le pic est important, plus le phénomène d'évaporation a été fort, plus il y avait de condensat et donc plus le point de rosée était bas) et/ou sa position dans le temps permet, grâce à un étalonnage préalable, de remonter au point de rosée. 3. la mesure itérative par l'intermédiaire de différents cycles en continu en faisant varier la température du palier bas. On obtient, soit un signal correspondant au pic d'évaporation dans le cas où la température dudit palier bas est inférieure au point de rosée, soit pas de signal dans le cas où la température du palier bas est supérieure au point de rosée. Il s'agit ici d'une détection dite tout ou rien itérative. En effet, en itérant les cycles, on trouve un intervalle de température dans lequel se trouve le point de rosée. Cette méthode de mesure est plus longue que les deux précédemment citées.

On préfèrera la deuxième méthode d'identification du point de rosée, car elle repose sur l'évaporation de l'élément gazeux, permettant une mesure plus significative par un niveau du signal plus élevé.

L'invention concerne également l'utilisation du dispositif et procédé objets de la présente invention pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, de préférence le soufre, afin d'assurer le pilotage d'une unité chimique de conversion, de préférence de conversion du sulfure d'hydrogène en soufre liquide.

L'utilisation du dispositif installé sur les charges des différents réacteurs des unités CLAUS et la mise en oeuvre du procédé, objets de la présente invention, permettent de déterminer la température du point de rosée du soufre plusieurs fois par heure dans chacun des réacteurs des unités Claus, tout en facilitant l'obtention du taux de conversion imposé par la réglementation sur les émissions gazeuses, en permettant également des économies sur le dimensionnement d'une unité de traitement des gaz de queue dans la chaîne de conversion.

Exemple

Dans une unité de conversion d'un mélange H2S et SO2 en Soufre liquide, de type CLAUS d'une raffinerie de pétrole, le dispositif conforme à la présente invention est installé à la sortie de deux réacteurs dans lesquels les composés soufrés sont convertis en soufre élémentaire. La constitution dudit dispositif est conforme à la présente description et comporte notamment : - un bloc calorimétrique constitué de cuivre, - deux moyens thermométriques de type thermopile, - un moyen de chauffage de type résistif constitué essentiellement d'un fil chauffant en nickel-chrome, - un moyen de refroidissement de type radiateur à eau, - une enveloppe réalisée en un matériau inox 316, - inclus dans cette enveloppe, une fine plaque recouvrant les moyens thermométriques constituée également en inox 316, présentant une épaisseur de 1 mm et dont la face externe constitue la surface de mesure du dispositif, - le dispositif présente un diamètre de 140 mm, une hauteur de 145 mm et un poids de 5 kg.

Le dispositif ci-dessus décrit, et plus exactement sa surface de mesure, est positionné directement sur les canalisations de sorties des réacteurs dans lesquelles circule l'élément gazeux, dont la température de rosée est à mesurer, dans un flux de type turbulent. La surface de mesure du dispositif est positionnée de telle façon que les moyens thermométriques soient, de préférence, disposés sur un plan vertical.

On procède à des cycles de chauffage et de refroidissement de part et d'autre du point de rosée.

Au cours d'un cycle, la température du bloc calorimétrique est d'abord portée à 350°C puis refroidie à 120°C, puis ensuite réchauffée à 350°C. Le soufre se condense sur la surface de mesure devenue froide puis s'évapore lors de la montée en température de cette même surface. Les cycles de chauffe et de refroidissement sont au nombre de 3 par heure de fonctionnement ou plus. Les signaux différentiels en provenance des deux moyens thermométriques permettent, après traitement dans une chaîne de calcul et étalonnage préalable, d'évaluer la température de rosée du soufre. Dans l'exemple, on mesure la différence de potentiel électrique entre les deux thermopiles (en micro Volt) en fonction de la température du bloc calorimétrique.

A/ Utilisation du dispositif et du procédé objets de la présente invention La figure 2 représente l'enregistrement des signaux en provenance des moyens thermométriques pendant un cycle complet de fonctionnement tel que décrit ci-dessus, les flèches indiquant le sens de déroulement du cycle dans le temps.

Le signal sinusoïdal S observé correspond au phénomène physique de l'évaporation. La température de rosée peut être déduite après étalonnage du dispositif.

B/ Etalonnage du dispositif Afin de déterminer la température de rosée à partir d'un signal du type de celui enregistré sur la figure 2, il est également indispensable d'étalonner le dispositif.

A cet effet, on réalise trois cycles de fonctionnement tel que décrits ci-dessus, au cours desquels on teste trois compositions gazeuses (ou éléments gazeux) étalons dont les températures de rosée sont connues. Les figures 3, 4 et 5 montrent, respectivement, la période de chauffage au cours de laquelle le phénomène d'évaporation est observé, pour trois cycles de fonctionnement dans lesquels le dispositif est testé avec des compositions gazeuses présentant des températures du point de rosée connues, de 160 °C, 170 °C et 180 °C. La position du signal mesuré sur chaque courbe est repérée pour la température de rosée correspondante et permet ainsi d'étalonner le dispositif en établissant une courbe représentant la température de rosée en fonction de la température du bloc calorimétrique.

C/ Mesures en ligne Le système de mesure placé dans la canalisation de gaz permet d'obtenir la température du point de rosée de l'unité pour un instant donné. Des mesures en continu, réalisées à des intervalles de temps prédéterminés, par exemple de l'ordre de 20 minutes, permettent de piloter l'unité CLAUS au plus près de la température mesurée du point de rosée du soufre, notamment 5 °C au-dessus de cette température.

Claims (18)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, comprenant : - au moins un bloc calorimétrique (2) destiné à réguler et homogénéiser la température du dispositif (1), - au moins deux moyens thermométriques (3, 4), chaque moyen thermométrique (3, 4) étant en contact thermique direct avec le bloc calorimétrique (2), - une surface de mesure (8) en contact thermique direct avec les moyens thermométriques et l'élément gazeux. dans lequel chaque moyen thermométrique (3, 4) est apte à générer un signal représentatif de l'effet thermique associé à la condensation et/ou à l'évaporation de l'élément gazeux sur ladite surface de mesure (8).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc calorimétrique (2) et les moyens thermométriques (3, 4) sont contenus dans une enveloppe extérieure (7, 9) dont une face comporte la surface de mesure (8) en contact thermique direct avec l'élément gazeux.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface de mesure (8) est la face externe d'une plaque plane solidaire de l'enveloppe extérieure et permettant une mesure thermique à travers son épaisseur.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque plane est réalisée d'une seule pièce avec l'enveloppe externe (7, 9).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce 30 que l'enveloppe extérieure (7, 9) du dispositif (1) est constituée en un matériau résistant à la corrosion chimique.
6. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de mesure (8) fait partie des moyens thermométriques.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au bloc calorimétrique (2), est associé au moins un moyen de chauffage (5), de préférence de type résistif, et au moins un moyen de refroidissement (6).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc calorimétrique (2) contient au moins une sonde pour la mesure de la température.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc calorimétrique (2) est réalisé en un matériau choisi parmi tous matériaux métalliques, alliages, plastiques, ou encore composites adéquats, seuls ou en mélange, et de préférence constitué de cuivre et de manière encore plus préférée d'argent.
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens thermométriques (3, 4) sont choisis parmi des thermocouples, des fluxmètres, des thermopiles, des éléments Peltier, encore dénommés modules thermoélectriques.
11. 11. Procédé pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, au moyen d'un dispositif (1) selon les revendications 1 à 10, comprenant les étapes suivantes : - on dispose le dispositif (1) dans le flux gazeux comprenant l'élément gazeux afin que la surface de mesure (8) soit positionnée en contact thermique avec ledit flux gazeux, - on réalise successivement des cycles de refroidissement et de chauffage du bloc calorimétrique (2) pour que la surface de mesure (8) en contact avec l'élément gazeux puisse faire condenser ledit élément gazeux sur elle-même lors du refroidissement, puis le faire évaporer lors du chauffage, - on mesure les signaux électriques différentiels émis par les moyens thermométriques (3, 4), ces signaux étant représentatifs des changements de températures de la surface de mesure (8) dus aux effets thermiques associés aux effets de condensation ou d'évaporation de l'élément gazeux, - on enregistre les signaux électriques mesurés, - les signaux électriques sont ensuite traités par des moyens informatiques afin d'en déduire directement, ou par l'intermédiaire d'un étalonnage préalable, la température du point de rosée de l'élément gazeux.
12. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la surface de mesure est disposée sensiblement verticalement.
13. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce 10 que les signaux électriques représentatifs des changements de températures à la surface de mesure (8) sont enregistrés pour l'effet d'évaporation de l'élément gazeux condensé.
14. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce 15 que l'on fait varier la température du dispositif (1) entre 100°C et 400°C, et de préférence entre 150°C et 350°C, au cours d'un cycle de refroidissement et de chauffage.
15. 15. Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 10 et du 20 procédé selon les revendications 11 à 14 pour la mesure de la température du point de rosée d'un élément gazeux, seul ou en mélange, de préférence le soufre.
16. 16. Utilisation selon la revendication 15, dans laquelle l'élément 25 gazeux, seul ou en mélange, circule dans un flux de type laminaire ou turbulent.
17. 17. Utilisation selon la revendication 15 ou 16, dans laquelle la capacité calorifique de l'élément gazeux est faible, de préférence 30 inférieure à celle de l'eau.
18. 18. Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 10 et du procédé selon les revendications 11 à 14 pour le pilotage d'une unité de conversion, de préférence pour la conversion de 35 l'hydrogène sulfuré en soufre liquide.5