Le défi du sondage de processus in situ
Le déploiement de la spectroscopie en ligne proche infrarouge (NIR) pour suivre les réactions chimiques en temps réel nécessite l'insertion de sondes optiques directement dans l'environnement du réacteur. Contrairement aux mesures en laboratoire où les échantillons sont conservés dans des cuvettes en verre dans des conditions ambiantes,traitement chimique et pharmaceutique Les réacteurs présentent des défis extrêmes : températures supérieures à 250°C, pressions jusqu'à 100 bars, solvants organiques, acides/bases agressifs et boues abrasives.
Si l'interface du processus tombe en panne, cela peut provoquer des fuites de produits chimiques toxiques, des arrêts du processus ou une perte de pression catastrophique. Par conséquent, la conception d’une interface de processus robuste est aussi essentielle à la spectroscopie en ligne que le moteur interférométrique du spectromètre lui-même. L'optimisation de ces processus est au cœur des préoccupations de Suite logicielle ProChem, qui contrôle les vannes de dosage et enregistre l'uniformité du mélange. L'optimisation de ces processus est au cœur des préoccupations de Suite logicielle ProChem, qui contrôle les vannes de dosage et enregistre l'uniformité du mélange.
"Un modèle spectroscopique n'est aussi efficace que la lumière atteignant le capteur. Pour survivre aux boucles de processus agressives, il faut sélectionner des matériaux qui résistent à l'usure physique et aux attaques chimiques."
Optique : la puissance des cristaux de saphir
Le verre optique standard ou les fenêtres en quartz se dissolvent ou se corrodent rapidement dans les solutions alcalines chaudes ou les boucles d'acide fluorhydrique. Pour protéger les lentilles internes, USTECH utilise des fenêtres en saphir monocristallin dans toutes les sondes du réacteur. Le saphir offre des propriétés physiques et optiques exceptionnelles :
- Inertie chimique :Résistant à presque tous les acides, alcalis et solvants organiques, même à des températures allant jusqu'à 1 000 °C.
- Dureté mécanique :Évalué à 9 sur l'échelle de dureté Mohs (après le diamant), le saphir résiste aux rayures causées par les particules de catalyseur à grande vitesse et les boues cristallines.
- Transmission large :Transmission optique élevée sur toute la plage de longueurs d'onde du proche infrarouge (1 000 à 2 600 nm) avec diffusion nulle.
Métallurgie et technologie d'étanchéité
Le corps de la sonde doit survivre au même environnement chimique que la cuve du réacteur. USTECH fabrique des manchons de sondes de procédé à l'aide de superalliages résistants à la corrosion adaptés à la chimie du réacteur :
| Qualité d'alliage | Profil de résistance à la corrosion | Application recommandée |
|---|---|---|
| Acier inoxydable 316L | Solvants organiques standards, acides doux, produits chimiques de lavage des produits laitiers/alimentaires | Boucles pétrochimiques générales, agroalimentaire, synthèse de biodiesel |
| Hastelloy C276 | Haute résistance au chlore gazeux humide, aux hypochlorites et aux acides minéraux forts (chlorhydrique, sulfurique) | Réacteurs de chloration, estérifications acides, boucles de synthèse organique |
| Titane Grade 2 | Excellente résistance à l'eau salée, à l'acide nitrique et aux environnements oxydants | Applications marines, traitement de l'acide nitrique, réacteurs au dioxyde de chlore |
Pour sceller la fenêtre en saphir dans la pointe métallique, USTECH utilise une technique de brasage exclusive qui scelle le saphir au métal à l'aide d'alliages or-nickel, ou utilise des joints en élastomère Kalrez à haute température avec des supports métal sur métal. Cela évite les fuites à des pressions allant jusqu'à 150 bars, même sous cyclage thermique.
Protection thermique : câbles à fibres optiques gainés de métal
La lumière doit voyager du spectromètre sur la paroi végétale à la sonde dans le réacteur et vice-versa. Les fibres de silice à gaine polymère standard se dégradent sous l'effet de la chaleur et sont vulnérables au noircissement par l'hydrogène. USTECH utilise des fibres de silice à gaine d'or protégées par des conduits flexibles en acier inoxydable. Le revêtement métallique en or empêche l'humidité et l'hydrogène gazeux de se diffuser dans le noyau de silice, garantissant ainsi une faible atténuation du signal et une longue durée de vie dans les environnements de réacteurs à haute température.
Conclusion
En associant des fenêtres en saphir à haute transmission à la métallurgie Hastelloy et à des câbles à fibres gainées de métal, les interfaces de processus de USTECH permettent à la spectroscopie FT-NIR de fonctionner directement dans des environnements de réaction agressifs. Cette conception robuste fournit aux opérateurs des données chimiques en temps réel provenant du cœur du réacteur sans compromettre la sécurité ou l'intégrité du processus.
Références
- "Capteurs à fibre optique pour la surveillance des processus à haute température et haute pression dans les réacteurs chimiques",Optique appliquée, 2020.
- "Construction de cristaux d'Hastelloy et de saphir dans les sondes de spectroscopie de processus industriels",Progrès du génie chimique, 2022.
- "Techniques de scellement mécanique et de brasage pour les réacteurs chimiques à couplage optique",Recherche en chimie industrielle et technique, 2019.
