Connaître ses analyseurs de process : les analyseurs Raman

Connaître son type d’analyseur : les analyseurs Raman

Mike Strobel, responsable du développement commercial chez Swagelok

Connaître son analyseur

• Analyseur Raman
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• Analyseurs de densité
• Analyseurs d’oxygène
• Analyseurs d’humidité

Dans une usine chimique ou une raffinerie, il est primordial de pouvoir analyser les fluides du process avec précision. Pour maintenir les rendements et la rentabilité à des niveaux optimaux, il est essentiel de pouvoir vérifier les conditions du process et la composition des fluides. Mieux vous connaissez les fluides de votre process, plus vous avez la possibilité de les optimiser en effectuant des contrôles appropriés.

Pour ces raisons, les analyseurs de process sont devenus un outil indispensable dans les usines modernes. Il existe toutefois plusieurs types d’analyseurs de process et chaque type a des avantages qui lui sont propres.

C’est pourquoi nous sommes en train de rédiger une série d’articles qui vont traiter des différents types d’analyseurs et des situations dans lesquelles il convient de les utiliser. Pour commencer, nous allons nous pencher sur les analyseurs de process Raman, un type d’analyseur plutôt récent qui s’appuie sur la spectroscopie Raman pour fournir des informations détaillées sur la composition chimique d’un fluide.

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Qu’est-ce qu’un analyseur Raman et comment fonctionne-t-il ?

Visualisation de l’analyse d’échantillons par un analyseur Raman.

1. Un faisceau laser éclaire l’échantillon
2. L’analyseur Raman filtre la lumière issue de la diffusion Rayleigh
3. La lumière issue de la diffusion Raman entre dans le détecteur pour être mesurée
4. La ou les valeurs attribuées constituent l’empreinte Raman

L’analyse Raman est une méthode non destructrice qui fournit des informations détaillées sur la composition chimique d’un échantillon liquide, solide ou gazeux. Un faisceau laser monochromatique de longueur d’onde visible, proche de l’infrarouge ou proche de l’ultraviolet est utilisé pour éclairer un échantillon de composition inconnue. La lumière excite les molécules d’une substance, les faisant passer de leur état vibrationnel fondamental à un état vibrationnel virtuel.

Au cours de ce processus, une diffusion élastique et inélastique de la lumière se produit. Dans la diffusion élastique, également appelée diffusion de Rayleigh, les photons émis ont la même quantité d’énergie que les photons incidents. La diffusion inélastique ou diffusion de Raman fait référence à deux événements. Le premier correspond au moment où une molécule excitée passe dans un état virtuel et conserve une partie de l’énergie qu’elle a reçue du faisceau lumineux. Le photon émis a donc un peu moins d’énergie que le photon incident et sa longueur d’onde est plus longue. Le second correspond au moment où une molécule excitée retrouve son état vibrationnel fondamental. Le photon émis acquiert l’énergie correspondante et a maintenant une longueur d’onde plus courte.

Le spectre Raman obtenu par la diffusion de la lumière est souvent décrit comme l’empreinte Raman d’un échantillon. Tout comme nos empreintes digitales, chaque empreinte Raman est unique et se voit attribuer une ou plusieurs valeurs basées sur des modèles mathématiques produits pour l’application de mesure. Les modèles peuvent être produits par l’utilisateur dans un laboratoire, mais de nombreux fabricants produisent des modèles théoriques afin de réduire le temps de mise en œuvre. Il convient de noter que la fiabilité des mesures obtenues par spectroscopie Raman exige une modélisation minutieuse et une application correcte des modèles.

Les avantages des analyseurs Raman

La spectroscopie Raman est une méthode efficace qui offre la possibilité de surveiller en continu l’état du process. On peut vérifier la composition chimique du fluide à chaque étape et s’assurer ainsi que les procédés fonctionnent de manière optimale. Un analyseur Raman bien conçu permet de prendre des décisions presque immédiatement en fonction des résultats de l’analyse, ce qui limite grandement le travail à refaire et le gaspillage de produit. La spectroscopie Raman permet également de contrôler des produits finis ou quasi finis afin d’éviter autant que possible d’avoir à reprendre des produits non conformes au cahier des charges.

Avec un analyseur Raman, le conditionnement des échantillons est minime, voire inexistant, ce qui contribue à réduire les coûts de démarrage et d’entretien courant.

Ces analyseurs ont aussi d’autres avantages opérationnels, notamment :

• Conditionnement limité, voire inexistant des échantillons, ce qui contribue à réduire les coûts de démarrage et d’entretien courant
• Temps d’acheminement des échantillons très court, voire nul, ce qui réduit considérablement les délais et permet quasiment d’obtenir des résultats d’analyse en temps réel
• Aucun étalonnage manuel nécessaire
• Entretien limité pendant toute la durée de vie de l’analyseur, ce qui permet d’affecter le personnel à d’autres tâches

Découvrir comment réduire le temps de réponse d’un analyseur

Les inconvénients des analyseurs Raman

Le principal inconvénient des analyseurs Raman est le fait qu’ils dépendent de modèles pour fournir des résultats. S’il est relativement facile de différencier les composants d’un mélange gazeux dans l’analyse par régression linéaire, l’analyse des liquides pose en revanche plus de difficultés. Développer des modèles pour les liquides peut prendre des mois, voire des années, ce qui peut retarder le déploiement du système et engendrer des coûts initiaux plus élevés.

De plus, les spectromètres Raman sont moins sensibles que d’autres dispositifs et ne peuvent généralement mesurer que quelques centaines de parties par million. L’analyse Raman peut donc manquer de précision, ce qui en fait une méthode peu adaptée à certaines applications pour lesquelles on exige des mesures extrêmement précises.

Applications courantes de l’analyse Raman

Les spectromètres Raman sont adaptés à de nombreux process.

Production de bases pour carburants.

Les spectromètres Raman se sont révélés très efficaces dans des applications liées à la production de bases pour carburants. L’indice d’octane, le point d’ébullition et la pression de vapeur Reid (PVR) peuvent tous être mesurés en utilisant la spectroscopie Raman. Avec une réponse rapide de l’analyseur et des résultats d’analyse fiables, les opérateurs peuvent, par exemple, maintenir l’indice d’octane à un niveau optimal dans leur produit final tout en réduisant les pertes au minimum.

Mesure de la qualité du gaz naturel.

La part des composants hydrocarbonés présents dans le gaz naturel peut varier considérablement, allant de simples traces à près de 100 % du mélange. Les gaz inertes présents dans le mélange qui constitue le gaz naturel peuvent faire baisser sa densité d’énergie, et donc sa valeur. La spectroscopie Raman est un bon choix pour obtenir des mesures rapides et fiables, car elle ne nécessite pas de séparer les composants comme dans la méthode traditionnelle de chromatographie en phase gazeuse.

Hydrotraitement et hydrocraquage.

L’hydrogène est extrêmement important dans ces opérations de raffinage. La spectroscopie Raman est une bonne solution lorsque l’on a besoin d’une analyse complète de la composition. À la sortie d’une unité d’adsorption à pression modulée, l’analyse Raman en temps réel peut aider les opérateurs à s’assurer que l’hydrogène a bien été éliminé avant qu’un produit non satisfaisant ne s’écoule en aval. De plus, les spectromètres Raman peuvent généralement effectuer des mesures à des pressions plus élevées par rapport à d’autres méthodes. Cela augmente les chances de renvoyer le fluide au process plutôt que de l’envoyer à la torche, ce qui contribue à réduire les coûts d’exploitation.

Forage d’exploration.

Optimiser le processus de forage et assurer la sécurité des opérateurs sont deux aspects essentiels dans la mesure où les foreurs recherchent des réserves de pétrole et de gaz. Augmenter la vitesse de forage exige de pouvoir disposer rapidement de résultats d’analyse, ce qui est impossible avec des technologies classiques comme la chromatographie en phase gazeuse. La possibilité qu’offre un spectromètre Raman d’analyser simultanément des molécules hydrocarbonées et d’autres types de molécules réduit également le nombre d’instruments supplémentaires à utiliser.

Diagraphie du fluide de forage.

La diagraphie du fluide de forage consiste à analyser et répertorier les débris de roche, les boues et les gaz ramenés à la surface pendant un forage. Surveiller la composition et les caractéristiques de la boue est essentiel pour optimiser le processus de forage et s’assurer de l’absence d’un mélange gazeux explosif. La surveillance continue offerte par le spectromètre Raman aide à prendre des décisions éclairées qui vont permettre de gagner en efficience tout en assurant la sécurité des opérateurs.

Exemple d’utilisation : gaz de raffinerie

Songez à utiliser un spectromètre Raman pour surveiller en continu la composition chimique du gaz de raffinerie – généralement un mélange de gaz naturel et de gaz torché récupéré.

La qualité du gaz de raffinerie peut changer rapidement en fonction de la composition du gaz torché récupéré, ce qui entraîne des dysfonctionnements des équipements utilisant ce mélange de gaz combustible. Plus précisément, une quantité d’hydrogène trop importante dans le mélange peut déstabiliser la flamme des chaudières.

Un analyseur Raman utilisé pour mesurer la teneur en hydrogène dans le gaz combustible permet de surveiller en continu le mélange et de réagir rapidement en fonction des résultats des mesures. Le risque d’alimenter des équipements avec un gaz combustible riche en hydrogène est ainsi limité, ce qui améliore l’efficacité du procédé.

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Vos besoins en matière d’analyse de process sont propres à votre activité et les analyseurs Raman peuvent être une solution. Si vous avez des doutes quant à savoir pas si ce type de système est adapté à votre activité ou si vous souhaitez approfondir le sujet, nos spécialistes se feront un plaisir de répondre à toutes vos questions. Ils pourront vous aider à évaluer vos besoins, à déterminer les endroits où un analyseur de process sera le plus utile, et vous orienter vers les technologies les plus efficaces pour analyser des fluides en fonction de votre activité.

Explorez le Point de repère Swagelok pour découvrir comment améliorer les pratiques d’échantillonnage dans vos installations et ne manquez pas le prochain article de notre série sur les analyseurs de process.

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