Dimensionnement des rotamètres à tube métallique pour eau ultrapure et azote gazeux

Réponse rapide

L'extension d'une usine pétrochimique à Taïwan nécessitait quatre rotamètres à tube métallique, répartis sur deux applications. Deux unités, l'une DN25 et l'autre DN20 (1 pouce et 3/4 de pouce), devaient être dotées d'un corps en acier inoxydable 316 avec revêtement PTFE, d'une sortie HART 4-20 mA et d'un boîtier NEMA 4X ou IP65 pour l'eau ultrapure (0-250 kg/h) et l'azote (0-50 Nm³/h). La quatrième ligne, ne nécessitant qu'une indication locale, était équipée d'un rotamètre à tube PVC transparent (0-7 Nm³/h). Silver Automation Instruments conçoit ces deux configurations sur la même plateforme de rotamètre à tube métallique HH50, avec une précision de ±0,5 % de l'étendue de mesure.

Contexte : Un projet d'expansion, quatre points de flux, deux fluides

Ce cas provient d'un véritable dossier d'acquisition d'instrumentation pour l'extension d'une usine pétrochimique à Taïwan. Le projet prévoyait quatre rotamètres sur quatre systèmes distincts. Deux d'entre eux étaient dédiés à la manipulation d'eau ultrapure et d'azote gazeux, avec transmission complète. Les deux autres étaient destinés à la manipulation d'azote ; l'un nécessitait une sortie HART pour l'intégration au système de contrôle-commande (DCS), tandis que l'autre ne requérait qu'une balance locale.

Ce type de configuration est fréquent lors des extensions de sites existants. Les lignes de services publics bénéficient rarement du même budget d'instrumentation que les lignes de production. Un ingénieur qui dimensionne quatre rotamètres pour un projet finit souvent par spécifier deux ou trois niveaux de fabrication différents, plutôt qu'une seule unité standard répétée quatre fois.

Nous avons constaté ce phénomène à maintes reprises dans les usines pétrochimiques et de fibres chimiques de Taïwan et d'Asie du Sud-Est. Une nouvelle ligne de production nécessite une surveillance étroite avec un système HART 4-20 mA pour l'analyse des tendances du système de contrôle-commande. En revanche, une ligne de purge ou de ventilation, que l'opérateur ne contrôle qu'en passant à proximité, est équipée d'un système de lecture locale moins coûteux, sans aucun composant électronique.

Application 1 : Rotamètre à tube métallique DN25 pour eau ultrapure, 0-250 kg/h

La première spécification exigeait un rotamètre à tube métallique de 25,4 mm (DN25) sur une conduite d'eau ultrapure (UPW), monté en ligne, à flux vertical, de bas en haut. Le corps et le flotteur devaient être en acier inoxydable 316 avec revêtement en PTFE, reliés par une bride RF de 25,8 mm (1 pouce) et de 68,8 kg (150 lb). L'eau ultrapure étant très sensible aux contaminants, le choix d'un matériau de tube qui ne libère ni particules ni ions dans le flux est plus important ici que pour une application classique d'eau de process.

Le débit normal était fixé à 150 kg/h, avec un maximum de 250 kg/h. En termes volumétriques, pour une densité de 1 000 kg/m³, cela correspond à environ 0,15 à 0,25 m³/h, soit environ 0,66 à 1,1 GPM. Il s'agit d'une conduite de faible débit selon les normes pétrochimiques, et ce type d'application est parfaitement adapté à un rotamètre à tube métallique, les modèles à tube en verre n'étant pas conçus pour la pression de service spécifiée ici.

La pression de service a atteint 5 kg/cm²G (environ 4,9 bar ou 71 psi) pour une pression nominale de 3 kg/cm²G (43 psi), et la température maximale 60 °C (140 °F). La spécification autorise une chute de pression de 0,5 kg/cm²G (0,49 bar ou 7,1 psi) à travers le débitmètre, valeur typique pour un rotamètre à tube métallique de cette taille et de cette plage de débit. La sortie est de 4-20 mA avec HART, l'alimentation est assurée par une boucle de 24 V CC, le boîtier est de type NEMA 4X ou IP65 et la précision nominale est de ±0,5 % de la plage de mesure.

Application 2 : Rotamètres à tube métallique DN20 pour la surveillance du débit d’azote, 0-50 Nm³/h

Deux capteurs de débit d'azote, utilisés dans le cadre de ce projet, étaient quasiment identiques. Ils étaient installés sur des conduites de 3/4 de pouce (DN20) avec des brides RF 3/4 de pouce 150#, un corps en acier inoxydable 316 avec revêtement PTFE, et disposaient de la même sortie HART 4-20 mA et du même boîtier NEMA 4X/IP65 que le débitmètre UPW. La plage de débit était de 0 à 50 Nm³/h (environ 29,4 SCFM), avec un point de fonctionnement normal de 15 Nm³/h (8,8 SCFM).

Dans les usines pétrochimiques, on trouve constamment des conduites d'injection et de purge d'azote comme celle-ci. Isolation des réservoirs, purge des instruments, gaz d'étanchéité : toutes ces conduites puisent leur fluide dans le même collecteur principal, et chaque branche est généralement équipée d'un indicateur de débit local permettant aux opérateurs de vérifier que le débit est correct.

La densité du gaz influe sur le dimensionnement du rotamètre, contrairement à son utilisation avec des liquides. Cette spécification indiquait une masse molaire de 28 (azote) et une viscosité de 0,01 cP. Un rotamètre étalonné avec un gaz différent ou une pression de référence différente affichera une mesure erronée, parfois importante. Il était donc nécessaire d'étalonner le flotteur et l'échelle avec le gaz utilisé et les pressions de service nominales spécifiées : 5 kg/cm²G (71 psi) pour la pression maximale et 2 kg/cm²G (28 psi) pour la pression normale. La température maximale était de 60 °C (140 °F), le fonctionnement normal s'effectuant à température ambiante.

Application 3 : Rotamètre à tube PVC transparent DN20, indication locale uniquement, 0-7 Nm³/h

La quatrième unité était une exception. Elle possédait le même diamètre de ligne de 3/4 de pouce (DN20) et la même connexion RF 3/4 de pouce 150# que les deux unités HART précédentes, mais aucune sortie de transmission, seulement une échelle locale. Le matériau du tube et du flotteur a été modifié : ils étaient passés de l'acier inoxydable 316 avec revêtement PTFE à du PVC transparent. La plage de débit a été réduite à 0-7 Nm³/h, soit environ 4,1 SCFM, et la pression nominale était également plus faible : 5 kg/cm²G (71 psi) maximum, mais seulement 1 kg/cm²G (14 psi) en fonctionnement normal.

Il s'agit d'une pratique courante pour réduire les coûts sur les lignes de distribution à faible criticité. Un rotamètre à tube PVC transparent coûte beaucoup moins cher qu'un transmetteur HART en acier inoxydable, et pour une ligne qu'un opérateur n'a besoin de vérifier que d'un coup d'œil lors d'une inspection, c'est souvent le choix le plus judicieux. Cependant, les rotamètres à tube PVC ont des limites de pression et de température inférieures à celles des modèles à tube métallique ; la pression de service sur cette ligne doit donc rester bien en deçà de la limite nominale du tube, et non pas seulement en deçà de la pression de conception du procédé.

Résumé des spécifications

Pourquoi un rotamètre était judicieux pour ces quatre points

Aucun de ces quatre points de débit ne nécessitait la précision ou la répétabilité justifiant l'utilisation d'un débitmètre Coriolis ou électromagnétique. Le dosage d'eau ultrapure à moins de 1,1 GPM et les distributions d'azote à moins de 30 SCFM se situent précisément dans la plage où la précision de ±0,5 % de l'étendue de mesure d'un rotamètre à tube métallique est largement suffisante, et où le faible coût d'installation est un facteur important.

Il est important de mentionner clairement ce compromis. La mesure d'un rotamètre dépend de la densité du fluide qui le traverse. Si l'on modifie le gaz, la pression ou la densité du liquide, l'étalonnage devient caduc, sauf si l'appareil a été dimensionné et étalonné pour ces conditions précises. C'est pourquoi chaque étiquette de ce projet spécifie son propre fluide, sa propre pression et sa propre température, plutôt que de réutiliser un seul étalonnage pour les quatre.

Pour les points où la mesure de débit alimente un système de contrôle-commande distribué (DCS) ou est enregistrée pour un traitement de lot, nous recommandons la sortie HART 4-20 mA, comme indiqué sur trois des quatre étiquettes présentées ici. Pour une ligne de purge ou de ventilation où un contrôle visuel rapide suffit, la version à tube transparent, avec indication locale uniquement, permet de réduire les coûts sans compromettre les fonctionnalités essentielles de l'application.