Le besoin de mesurer la viscosité d’un liquide dans la ligne de process s’est accru au fil des années. Bien que les mesures en laboratoire puissent donner beaucoup plus d'informations sur le comportement d'un liquide, c'est le temps de laboratoire requis et le fait que seules des zones de mesure uniques soient prises en laboratoire qui rendent le contrôle de processus en temps réel intéressant. Avec la demande croissante de mesure de la viscosité en process dans diverses applications, un grand nombre de méthodes différentes ont émergé.
Contrôle de la viscosité avec des viscosimètres de Process
Viscométrie de process
Comment fonctionnent les viscosimètres de processus ?
La mesure de la viscosité et les méthodes utilisées se sont développées au fil du temps et dépendent largement du type de liquide analysé ainsi que de l’application en général. Pour cette raison, un grand nombre de méthodes de mesure de la viscosité est disponible, tant pour le laboratoire que pour la ligne. Certaines des méthodes simples de mesure de la viscosité utilisées dans le laboratoire (comparez Comment mesurer la viscosité) ont été facilement transférées aux environnements de processus et donc les valeurs mesurées sont comparables si les différences de température entre le processus et le laboratoire sont prises en compte. Au fil des ans, les méthodes en laboratoire sont devenues plus sophistiquées (voir Les bases de la viscosimétrie et Les bases de la rhéologie), ce qui permet d'obtenir de meilleures informations sur les liquides mesurés. À partir de la simple mesure d'une seule valeur de viscosité, des investigations telles que les courbes d'écoulement, les points de rendement ou l'analyse des propriétés visqueuses et élastiques ont été développées. Par conséquent, un écart entre les méthodes de laboratoire et de processus est apparu. De plus, il est devenu nécessaire de mesurer la viscosité dans des conditions de procédé difficiles, ce qui a conduit au développement de viscosimètres de procédé, qui diffèrent visuellement des viscosimètres de laboratoire. Aujourd'hui, la plupart des viscosimètres utilisés mesurent un seul point de la viscosité du liquide, capturant les changements relatifs dans le processus qui peuvent être corrélés aux valeurs de laboratoire. Le principal avantage d’une mesure en continu sur le procédé est que les valeurs de viscosité sont obtenues 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, permettant ainsi une surveillance ou un contrôle constant du procédé. Les valeurs de laboratoire complètent en outre la mesure afin de fournir une « image complète » de la qualité d’un liquide, mais leur fréquence peut être réduite au minimum – par exemple une fois par jour.
Pourquoi est-il important de mesurer la viscosité dans le processus ?
Dans de nombreux processus industriels, allant des industries chimique et manufacturière à la médecine et à la transformation des aliments, la viscosité est un paramètre important pour la caractérisation des produits intermédiaires et finaux. Traditionnellement, des échantillons seraient prélevés un par un hors du processus et examinés avec un viscosimètre de laboratoire, incluant généralement une gamme de taux de cisaillement car la plupart des fluides dans l'industrie sont non-newtoniens. Cependant, il y a certaines difficultés lorsqu'il s'agit de comparer les méthodes de laboratoire et de processus. Par exemple, la viscosité peut être directement affectée par la température, le taux de cisaillement et d'autres variables qui peuvent être très différentes lors d'une mesure en laboratoire de ce qui sont sur la ligne de production. Étant donné que les propriétés rhéologiques de nombreux échantillons sont étroitement liées aux conditions d'écoulement dans le processus, les mesures en laboratoire peuvent ne pas refléter très bien les véritables conditions.[3] Contrairement à la détermination de la viscosité en laboratoire (hors ligne), les viscosimètres de processus recueillent des informations en ligne sur la viscosité directement dans le processus et en temps réel. Il y a plusieurs types de viscosimètres disponibles en ligne, utilisant des principes de mesure allant de la pression différentielle capillaire, au temps de chute ou d’oscillation d’éléments, jusqu’à l’amortissement des oscillations torsionnelles et la mesure de la vitesse de rotation d’une forme solide soumise à une force ou un couple connus.Contrôle de la viscosité avec des viscosimètres de Process Il est de notoriété publique que, à l’exception des méthodes de rotation, la plupart des viscosimètres ne disposent pas d’un champ de cisaillement bien défini et/ou fonctionnent à des taux de cisaillement très élevés. En raison de cela, les mesures des fluides industriels non newtoniens, qui dans la plupart des cas présentent un comportement pseudoplastique, peuvent être très difficiles. D'autre part, les méthodes de rotation standard ne permettent souvent qu'une installation de contournement ou ne permettent pas un bon échange de fluide dans le champ de mesure. [2] Mesurer la viscosité du processus en ligne présente de nombreux avantages, tels que
- économiser du temps et des coûts de laboratoire et accélérer le processus car les échantillons n'ont pas besoin d'être envoyés à un viscosimètre de laboratoire, ce qui nécessiterait une manipulation appropriée et précise pour une valeur de viscosité fiable,
- avoir une valeur fiable pour le contrôle des processus et être capable de changer automatiquement les paramètres du produit,
- et en fournissant une surveillance continue de la viscosité 24/7 et en étant ainsi préparé à tout changement imprévu dans le processus
Certains des termes utilisés en rapport avec la viscosimétrie de processus doivent être définis. Un « viscosimètre de procédé » est un appareil utilisé pour mesurer la viscosité, directement installé dans la ligne de procédé. Le terme « inline » désigne une situation où la totalité du liquide passe à travers le viscosimètre de procédé, tandis que « online » signifie que le viscosimètre est installé en dérivation, et qu’une partie seulement du liquide passe alors à travers le viscosimètre. « En ligne » et « hors ligne » sont couramment utilisés pour les viscosimètres de laboratoire, signifiant soit une unité de laboratoire utilisée « en ligne » directement sur la ligne de processus, soit « hors ligne » dans le laboratoire. Par commodité, on utilise couramment le terme « inline » pour désigner les viscosimètres de procédé. Cependant, le lieu et la manière d'installation doivent être choisis avec soin, soit en ligne, soit en dérivation, en tenant compte des effets du débit, de la température et du type de viscosimètre.[1]
Comment les viscosimètres de procédé mesurent-ils ?
De nombreux viscosimètres en ligne utilisent différentes méthodes de mesure en ce qui concerne la façon dont ils mesurent la viscosité ou comment ils s'assurent que le liquide est renouvelé dans la zone de mesure. En conséquence, cela entraîne un certain degré de compromis lors de la comparaison des valeurs de viscosité mesurées à partir d'un capteur de processus avec celles obtenues à partir d'équipements de laboratoire.[1] Le type capillaire Dans le laboratoire, mesurer la viscosité à l'aide d'un capillaire impliquera de remplir un capillaire en forme de tube avec un liquide et de mesurer le temps nécessaire pour vider ce tube dans des conditions de température contrôlée. La principale force entraînant l'écoulement du liquide sera la gravité. Seules quelques types de capillaires de laboratoire utiliseront une pression constante au lieu de la gravité. Le processus de type capillaire utilisera principalement un flux constant à travers un tube bien défini maintenu par une pompe ou une vanne de pression. La chute de pression à travers le capillaire est mesurée avec un transducteur de pression différentielle, qui est connecté aux côtés d'entrée et de sortie du capillaire. La sortie du transmetteur de pression différentielle est une indication linéaire de la viscosité du processus et est utilisée pour indiquer, enregistrer ou contrôler le processus.[4] La température doit être stable à travers le capillaire pour éviter une influence de la température sur les lectures de viscosité et le débit doit être mesuré avec une grande précision. Le type d'éléments tombants Les méthodes à billes tombantes ou roulantes sont très bien établies dans le laboratoire. Alors que l'élément tombant respectif se déplace dans le liquide, le temps qu'il lui faut pour parcourir une longueur définie est mesuré. Cela peut être appliqué au processus utilisant un piston cylindrique se déplaçant dans le liquide. La vitesse de mouvement est alors liée à la viscosité. Les deux méthodes, en théorie, mesurent les valeurs de viscosité absolue dans les liquides newtoniens et sont donc principalement utilisées pour analyser ces liquides. Lors de la mesure de liquides non newtoniens, la valeur de viscosité unique obtenue ne peut donner qu'une viscosité newtonienne équivalente ou moyenne. Le type d'oscillation Le type oscillant n'a pas de méthode complémentaire dans le laboratoire mais présente certains avantages lorsqu'il est installé dans le processus. Tous les viscosimètres de type oscillant sont des dispositifs simples, facilement placés dans la ligne d'écoulement, et faciles à nettoyer. Cependant, la mesure dépend du débit d’écoulement devant le capteur vibrant, et la valeur obtenue est au mieux un paramètre oscillatoire qui, pour les matériaux généralement mesurés, ne peut pas nécessairement être corrélée avec des mesures hors ligne.[1] Le type de rotation Un type de rotation utilisant un système de cylindre-tasse standardisé et mesurant le couple nécessaire à une vitesse spécifique conviendra le mieux aux méthodes de laboratoire donnant les valeurs les plus sophistiquées. Cependant, il existe encore des limitations lors de l'utilisation d'un tel type dans le processus. En général, les types rotatifs ne garantiront pas un échange de liquide approprié au niveau du capteur et ne fourniront pas la stabilité à long terme du capteur. Par conséquent, ces types spécifiques ne seront utilisés qu'avec des compromis dans la conception, différents de la configuration et des mesures standardisées. Cependant, les types rotatifs seront les plus proches de ce qui est actuellement mesuré en laboratoire.
L'acceptabilité d'un certain compromis associé à un instrument dépend de la nature des liquides mesurés. Les liquides thixotropes et rhéofluidifiants sont très difficiles à mesurer, même avec le meilleur viscosimètre en ligne dans des conditions de laboratoire idéales. Mesurer de tels liquides en ligne est extrêmement difficile. Bien que la plupart des instruments soient calibrés pour donner une viscosité newtonienne équivalente, cela n'est pas toujours très utile pour les matériaux difficiles. Si, en revanche, les liquides d'intérêt sont faciles à mesurer, étant pratiquement indépendants du temps et seulement légèrement non-newtoniens, alors presque n'importe quelle méthode suffira, car une corrélation fiable peut être établie entre les mesures en ligne et hors ligne.[1]
Le viscosimètre à processus hydrodynamique
Le viscosimètre à processus hydrodynamique est basé sur un effet hydrodynamique similaire qui fait fonctionner les paliers lisses. Dans ce type de paliers, le mouvement relatif entre deux surfaces génère un effort de cisaillement dans le lubrifiant, conduisant à la formation d’un film lubrifiant qui sépare les surfaces en contact glissant. La pression nécessaire pour porter la charge ne peut se développer que si le film est en forme de coin, de sorte que la surface variable sera légèrement inclinée. La distribution de pression dans le film en forme de coin dépend de la vitesse de surface et de la viscosité dynamique du lubrifiant. Pour le viscosimètre du processus montré dans la Figure 1, cette dépendance de la viscosité est utilisée pour mesurer la viscosité étant donné une configuration géométrique fixe des surfaces glissantes. Le principe fonctionnel est montré dans la Figure 1. Un rotor et une surface extérieure statique définissent l’écart en forme de coin de la configuration du viscosimètre. Le rotor peut être alimenté directement par un arbre rigide ou via un accouplement magnétique. Le fluide à analyser est entraîné dans l’espace entre les surfaces par l’action du rotor. La surface extérieure statique opposée est fixée rigidement à l’entrée et ouverte à la sortie. En raison de l'augmentation de la pression dans l'espace, la surface extérieure est légèrement déplacée, agissant comme un ressort. Le déplacement entre les parties fixe et flexible de l’élément ressort est proportionnel à la viscosité du fluide et est mesuré à l’aide d’un capteur inductif. La bobine du capteur est montée sur la partie fixe du ressort tandis que la pièce de contre est fixée à la partie flexible.
Figure 1 : Tube partiellement ouvert avec un arbre cylindrique rotatif
Le liquide entourant le système est aspiré dans l'espace rétréci par des forces de cisaillement. Le volume de liquide passant par l'écart est constant et par conséquent, la pression change. La pression augmente d'abord à mesure que l'écartement se resserre, atteint ensuite un maximum à l'intérieur du tube, puis diminue à nouveau. Cette pression est une mesure de la viscosité du liquide, étant proportionnelle à la viscosité dynamique, à la vitesse de cisaillement et à un facteur géométrique :
Équation 1 : Pression en fonction de la viscosité, de la vitesse et de la hauteur de l'écart
Outre des composants mécaniques décrits, le viscosimètre intègre un entraînement électrique avec régulation en boucle fermée pour atteindre des conditions d'écoulement stables et un taux de cisaillement stable dans l'espace en forme de coin. La pression excédentaire est nulle à l'entrée et à la sortie et atteint un maximum après environ deux tiers de la longueur de l'écart. La structure à ressort conduit à une intégration pondérée de la distribution de pression, qui est mesurée comme un déplacement. Un capteur de déplacement inductif mesure la déviation du ressort, offrant l'avantage d'être indépendant du fluide de procédé et découplé du mouvement rotatif et donc non influencé par les variations de friction des roulements. Un capteur de température immergé dans le liquide de procédé est utilisé pour compenser les variations de température de l’électronique frontale du capteur et pour fournir des informations sur la température du procédé.
Figure 2 : Principe de mesure
Pour éviter un écoulement turbulent et des forces centrifuges, l'écart ne doit pas être trop large et la vitesse de rotation ne doit pas être trop élevée.
Figure 3 : Tête de mesure et ses composants
Conclusion
La mesure de la viscosité en laboratoire est très bien établie et également standardisée en termes d'équipement et de méthodes pour fournir une mesure appropriée. L'introduction de la mesure de la viscosité dans le processus entraîne la nécessité de différents équipements et méthodes. Le principal défi est de corréler correctement les deux valeurs recueillies – du laboratoire et du processus.
Références
[1] Barnes, H.A. (2000). Un manuel de rhéologie élémentaire. Aberystwyth : Université du pays de Galles
[2] Zavrsnik, M. et Joseph-Strasser, M. (2013). Viscométrie en ligne pour la caractérisation de la viscosité non newtonienne. Graz: Conférences AMA 2013
[3] Koseli, V. et Zeybek S. et Uludag Y.(2006). Mesure de la viscosité en ligne de solutions complexes à l'aide de la vélocimétrie Doppler par ultrasons
[4] Liptak, B. G. et Venczel, K. (2014). Manuel des ingénieurs en instrumentation et automatisation : Mesure et analyse des processus. 5e édition. New York : CRC Press, chapitre 8.64
