Brevet FR2898681A1 — publié le 20070921

Procédé pour déterminer la concentration d'un composant dans une solution Introduction La présente invention concerne un procédé pour déterminer la concentration d'un composant dans une solution, en particulier pour déterminer la qualité d'une solution de précurseur d'ammoniac utilisée notamment dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. État de la technique Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère. Pour atteindre cet objectif on connaît le procédé SCR (Selective Catalytic Reduction) qui permet la réduction des oxydes d'azote par injection d'un agent réducteur, généralement d'ammoniac, dans la ligne d'échappement. Cet ammoniac peut provenir de la décomposition par thermolyse d'une solution d'un précurseur d'ammoniac dont la concentration peut être celle de l'eutectique. Un tel précurseur d'ammoniac est généralement une solution d'urée. Avec le procédé SCR, les dégagements élevés de NOX produits dans le moteur lors d'une combustion à rendement optimisé sont traités en sortie de moteur dans un catalyseur. Ce traitement requiert l'utilisation de l'agent de réduction à un niveau de concentration précis et dans une qualité extrême. La solution est ainsi précisément dosée et injectée par une buse dans le flux de gaz d'échappement où elle est hydrolysée avant de convertir l'oxyde d'azote (NOX) en azote (N2) et en eau (H20). La difficulté du procédé SCR réside dans le fait que, pour le bon fonctionnement du procédé, un bon dosage de l'agent réducteur est nécessaire. Pour cela, il est important de connaître la composition de la solution d'urée, et en particulier la concentration d'urée dans la solution. Plusieurs procédés de contrôle de qualité ont été proposés. Ainsi, par exemple, le brevet US 6,408,619 propose l'utilisation d'un capteur de conductibilité pour mesurer la conductibilité de la solution. La concentration d'urée dans la solution est alors déterminée sur base de la conductibilité mesurée. Dans la demande de brevet WO 2004/113897, on propose un procédé dans lequel on détermine la permittivité et la conductibilité de la solution, et on 2898681 -2 détermine alors la concentration d'urée sur base d'une relation directe entre la permittivité et la conductibilité déterminées. Un autre procédé est décrit dans la demande de brevet WO 2004/025286, selon lequel on applique une tension pulsée à un dispositif de chauffage d'une 5 solution d'urée, on chauffe localement la solution et on détermine la concentration d'urée dans la solution sur base d'une différence de potentiel de sortie correspondant à une différence de température entre une température initiale et une température maximale d'un capteur de température. Ces procédés ne sont cependant pas suffisamment précis et fiables. En 10 effet, le taux relativement faible d'urée dans la solution rend la détermination de la concentration d'urée dans la solution sur base de la conductibilité assez difficile. Par exemple, l'urée ne semble pas avoir une constante diélectrique fixe, mais dépendante de la température et de réactions chimiques dans l'urée, lesquelles comprennent des quantités variables d'hydroxyde d'ammonium. 15 Lorsque l'urée devient plus chaude ou plus vieille, la quantité d'hydroxyde d'ammonium augmente ce qui complique davantage la détermination d'une caractéristique diélectrique de l'urée. En outre, la détermination de la concentration sur base de la conductibilité peut être considérablement influencée s'il y a des impuretés dans la solution. 20 Puisque la détermination précise de la concentration d'urée dans la solution est nécessaire pour le bon fonctionnement du procédé SCR, il est utile de trouver un procédé qui permet une détermination plus précise et plus fiable. Objet de l'invention L'objet de la présente invention est de proposer un procédé pour 25 déterminer, avec une précision accrue, la concentration d'un composant dans une solution, et en particulier pour déterminer la qualité d'un précurseur d'ammoniac utilisé dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. Cet objectif est atteint par un procédé selon la revendication 1. Description générale de l'invention revendiquée avec ses principaux avantages 30 Conformément à l'invention, un procédé pour déterminer la concentration d'un composant dans une solution, comprend les étapes suivantes : . un échantillon d'une solution est soumis à un changement de température dans une plage de température comprenant une température caractéristique de la solution, la température caractéristique correspondant, en cas de refroidissement de l'échantillon, à la température de début de congélation et, en cas de réchauffement de l'échantillon, à la température de fin de fusion; - 3 • une courbe de changement de température de la solution en fonction du temps écoulé est dessinée; • la température caractéristique est déterminée; • la linéarité de la courbe de changement de température au-dessus de la 5 température caractéristique est analysée; • la concentration du composant dans la solution est déterminée sur base de la température caractéristique et de la linéarité de la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique. L'échantillon de la solution est progressivement soumis à un changement 10 de température et la température est surveillée. Une courbe indiquant la température de l'échantillon en fonction du temps écoulé est dessinée. La courbe de température ainsi obtenue est analysée. La température caractéristique est déterminée. Pour une solution binaire, la température caractéristique peut par exemple être déterminée par la localisation d'un palier de température constante 15 sur la courbe de changement de température. Lorsque la température atteint un plateau de température constante, la température caractéristique est atteinte. La température caractéristique est caractéristique d'une solution particulière. A la température caractéristique, le composant dans la solution est également à une concentration particulière. L'analyse de la linéarité de la courbe de changement 20 de température au-dessus de la température caractéristique permet de vérifier la composition de départ de la solution. La linéarité de la courbe de changement de température indique une composition eutectique. Le procédé selon la présente invention permet de déterminer avec une fiabilité accrue la concentration d'un composant dans une solution. 25 Pour une solution ternaire, la température caractéristique peut par exemple être déterminée par la localisation d'une rupture de pente sur la courbe de changement de température. La température caractéristique est caractéristique d'une solution particulière. Le procédé est par conséquent également applicable pour une solution ternaire. 30 Il peut être conclu que, si la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique ne présente pas de défaut de linéarité, la solution est à une concentration particulière. Par contre, un défaut de linéarité dans la courbe au-dessus de la température caractéristique indique une précipitation anticipée d'un des 35 composants dans la solution ce qui est une indication d'une concentration différente de la concentration désirée. 2898681 -4 La solution peut être un précurseur d'ammoniac utilisé notamment comme agent réducteur dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. Le précurseur d'ammoniac, lorsque injecté dans la ligne d'échappement du véhicule permet de convertir l'oxyde d'azote en azote et en eau. La solution de précurseur d'ammoniac peut être une solution d'urée, c'est-à-dire une solution binaire d'eau et d'urée, et il peut être conclu que, si la température caractéristique est de -11 C et si la courbe en amont de la température caractéristique ne présente pas de défaut de linéarité, la solution d'urée est une solution ayant une concentration d'urée de 32.5 % en masse. Lorsqu'il n'y a pas de défaut de linéarité dans la courbe au-dessus de la température caractéristique, la solution est une solution eutectique. Dans une telle solution eutectique la concentration du composant dans la solution ne change pas en fônction de la température de la solution. Une concentration d'urée de 32.5 % en masse correspond à la concentration désirée d'une solution d'urée AUS 32 selon les exigences de qualité de la norme allemande DIN 70070:2005-08. Cette norme décrit les exigences de qualité de l'agent réducteur NOX utilisé dans les catalyseurs SCR de véhicules à moteur diesel et exige une concentration dans la plage allant de 31.8 % à 33.2 % en masse, avec une concentration nominale de 32.5 % en masse. Le précurseur d'ammoniac peut aussi être une solution ternaire d'eau, d'urée et de formiate d'ammonium, et il peut être conclu que, si la température caractéristique correspond à la température de congélation de la solution et si la courbe en amont de la température caractéristique ne présente pas de défaut de linéarité, la solution eau/urée/formiate d'ammonium est à une concentration utilisable dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. La solution eau/urée/formiate d'ammonium peut par exemple être une solution comme sous son nom commercial DENOXIUMTM et peut avoir une température de congélation de -30 C. Une telle solution est capable de délivrer dans le procédé SCR une quantité d'ammoniac équivalente à celle de la solution d'urée de composition eutectique. Il est à noter que la solution DENOXIUMTM existe en différentes concentrations, chacune ayant une température de congélation correspondante. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la qualité du précurseur d'ammoniac est contrôlée lors du remplissage d'un réservoir de stockage, le réservoir de stockage étant à bord du véhicule et délivrant le précurseur d'ammoniac à la ligne d'échappement du véhicule. La quantité de précurseur d'ammoniac délivrée à la ligne d'échappement du véhicule peut en outre être contrôlée par un dispositif de régulation. La qualité du précurseur d'ammoniac peut, selon un mode préférentiel, en outre être contrôlée à bord du véhicule et cette qualité peut être prise en compte par le dispositif de régulation pour déterminer la quantité du précurseur d'ammoniac à délivrer à la ligne d'échappement. Ainsi, un changement de la concentration d'urée de la solution lors du stockage de cette dernière dans un réservoir peut être pris en compte pour ajuster la quantité de solution délivrée à la ligne d'échappement. Il est cependant à noter qu'un tel changement de concentration est très faible et généralement négligeable pour des températures inférieures à 30 C. Description à l'aide des Figures D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés, qui montrent: Fig.1 : un diagramme de phases de deux composants A et B; et Fig.2 : un graphique représentant les courbes de refroidissement de plusieurs 20 solutions. Le procédé SCR, utilisé pour réduire les rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère, est un procédé dans lequel de l'ammoniac ou de l'urée est ajouté aux fumées en quantité fonction de la quantité de NOX à réduire. Les fumées chargées de NH3 traversent ensuite un catalyseur à plusieurs lits dans une plage 25 de températures comprises entre 250 et 380 C. Les catalyseurs les plus souvent utilisés sont des oxydes métalliques sur support TiO2 ou Al2O3. La chambre de réaction peut être située en amont de l'épuration des fumées, sur les gaz bruts ( high-dust SCR), ou en aval de l'épuration, sur les gaz propres réchauffés ( low-dust SCR). Le procédé se caractérise par un taux de réduction élevé, 30 souvent supérieur à 90%, pour un dosage d'ammoniac proche de la stoechiométrie, ce qui limite les risques de fuites. La solution de précurseur d'ammoniac utilisée dans le procédé SCR pour convertir l'oxyde d'azote (NO,) en azote (N2) et en eau (H2O) est en général une solution d'urée comprenant de l'urée techniquement pure, sans additifs, et de 35 l'eau pure. Selon la norme allemande DIN 70070:2005-08, la solution AUS 32, 2898681 -6 également connue sous son nom commercial AdB1ueTM, a une concentration en urée de 31.8 à 33.2 % en masse, de préférence de 32,5 % en masse. Lors du remplissage de la solution d'urée dans le réservoir de stockage du véhicule, il est recommandé de contrôler la qualité de la solution. Le contrôle de 5 la concentration d'urée dans la solution est nécessaire pour pouvoir injecter la bonne quantité d'urée dans la ligne d'échappement du véhicule pour pouvoir assurer une bonne conversion de l'oxyde d'azote en azote et en eau. En outre, selon la norme allemande DIN 70070:2005-08, la solution AUS 32 a une densité comprise entre 1087.0 et 1093.0 kg/m3 à 20 C et un indice 10 de réfraction comprise entre 1.3814 et 1.3843 à 20 C. Le procédé selon l'invention permet une détermination précise et reproductible de la concentration d'urée dans la solution. Le procédé se base sur les propriétés de phases d'une solution de type binaire. Dans un diagramme de phases, le composant de gauche est 15 généralement nommé composant A et le composant de droite est généralement nommé composant B . Un tel diagramme de phases est représenté à la Fig.l, dans lequel la température de congélation est représentée par rapport à la fraction de mole du composant B. Le diagramme de phases de la Fig.l peut être construit par l'utilisation de courbes de changement de température telles que représentées à la Fig.2. Les courbes de changement de température (i) à (vi) de la Fig.2 sont associées à des solutions de concentrations différentes. La concentration en composant B est pour chaque courbe de changement de température indiquée sur la Fig.l. Ainsi, les solutions (i) et (vi) sont des solutions pures en composant A, resp. en composant B. Les solutions (ii) à (v) comprennent un mélange de composant A et de composant B. La courbe de changement de température (i) correspond à une solution A pure, c'est-à-dire comprenant 0 % de composant B. Lors du refroidissement de l'échantillon, la température de l'échantillon diminue selon la première section de la courbe de changement de température. Lorsque, à la température TA, le point de congélation du composant A est atteint, le composant A dans la solution commence à précipiter. Lors de cette précipitation, de la chaleur de fusion est libérée et la température de l'échantillon reste constante. Lorsque tout le liquide s'est solidifié, la température de l'échantillon, qui est maintenant un solide, diminue à nouveau. Le plateau dans la courbe de changement de température indique la'température de congélation de l'échantillon et, pour la solution (i), la 2898681 -7 température de congélation correspond à la température TA, la température de congélation du composant A. La courbe de changement de température (vi) correspond à une solution B pure, c'est-à-dire comprenant 0 % de composant A. Cette courbe est similaire à 5 la courbe de la solution (i) et la température de congélation est dans ce cas TB, la température de congélation du composant B. La courbe de changement de température (ii) correspond à une solution comprenant un mélange de composant A et de composant B. Au départ, la solution est dans une phase purement liquide, c'est-à-dire comprenant le 10 composant A liquide et le composant B liquide. Lors du refroidissement de l'échantillon, la température de l'échantillon diminue selon la première section de la courbe de changement de température. Lorsque, à une température T", le point de congélation du composant A est atteint, la courbe change de direction. A la température T", le composant A 15 commence à se solidifier. Les deux phases (solution A et B liquide / composant A ou B solide) sont en équilibre et la chaleur de fusion libérée par la solidification du composant A change la vitesse de refroidissement de l'échantillon. Ce changement de la vitesse de refroidissement est bien visible sur la Fig.2. 20 Un deuxième changement de la vitesse de refroidissement de l'échantillon a lieu à la température de l'eutectique TE. A cette température, il existe trois phases (solution A et B liquide / composant A solide / composant B solide) en équilibre. La température de l'échantillon reste constante jusqu'à ce que les deux composants A et B soient complètement solidifiés. 25 Les courbes de changement de température des solutions (iii) et (v) sont similaires à celle de la solution (ii). Grâce à la concentration différente de ces solutions, la température T", à laquelle le point de congélation d'un des deux composants A et B est atteint, est différente. La courbe de changement de température (iv) correspond à une solution 30 particulière dite eutectique . Pour la solution eutectique, la température T", à laquelle le point de congélation d'un premier des deux composants A et B est atteint, est en même temps la température à laquelle le point de congélation du deuxième composant est atteint. La température T" correspond par conséquent à la température de l'eutectique TE. La solution à la concentration eutectique est 35 telle que la solution reste totalement liquide jusqu'à ce que la température de 2898681 -8 l'eutectique soit atteinte. Ce n'est qu'à la température de l'eutectique que la solution commence à précipiter. En ce qui concerne l'agent réducteur utilisé dans un procédé SCR, la solution d'urée doit être à la concentration de l'eutectique qui est désirée. Pour 5 contrôler si la solution est en effet une solution répondant à ces critères, il suffit donc d'analyser la courbe de changement de température d'un échantillon de la solution. Si la température de congélation est de -11 C et la courbe de changement de température ne présente, en amont de la température de congélation, pas de défaut de linéarité, il peut être conclu que la solution est une 10 solution d'urée avec une concentration en urée de 32. 5 % en masse. Il est à noter que la norme DIN 70070:2005-08 permet une légère variation de la concentration en urée. En effet, la plage de tolérance va de 31.8 à 33.2 % en masse. Avec une concentration à, par exemple, 31.8 % il y a en effet un défaut de linéarité dans la courbe de changement de température à une 15 température T" très légèrement supérieure à la température TE. Un tel défaut de linéarité est cependant difficilement décernable et peut être ignoré. La description ci-dessus concerne une solution binaire urée-eau. Il est cependant à noter que le même procédé peut être utilisé pour le contrôle d'une solution ternaire, tel que par exemple une solution d'urée-eau-formiate 20 d'ammonium, commercialisée sous la dénomination DENOXIUMTM de la société KEMIRA. L'utilisation du procédé avec d'autres solutions, en particulier de précurseurs d'ammonium, n'est pas exclu. Il est clair que la température caractéristique dépend de la solution choisie et qu'il faudra choisir la température de consigne en accord avec la concentration désirée. 25 Il est également à noter que la description ci-dessus concerne un procédé dans lequel un échantillon d'une solution est refroidi. Par analogie, le procédé fonctionne également lorsque l'échantillon est chauffé. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la concentration d'un composant dans une solution, dans lequel • un échantillon d'une solution est soumis à un changement de température dans une plage de température comprenant une température caractéristique de la solution, la température caractéristique correspondant, en cas de refroidissement de l'échantillon, à la température de début de congélation et, en cas de réchauffement de l'échantillon, à la température de fin de fusion; • une courbe de changement de température de la solution en fonction du temps écoulé est dessinée; . la température caractéristique est déterminée; • la linéarité die la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique est analysée; • la concentration du composant dans la solution est déterminée sur base de la température caractéristique et de la linéarité de la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la solution est une solution de précurseur d'ammoniac utilisé notamment dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la solution de précurseur d'ammoniac est une solution d'urée et dans lequel il est conclu que si la température caractéristique est de -11 C et si la courbe en amont de la température caractéristique ne présente pas de défaut de linéarité, la solution d'urée est une solution ayant une concentration d'urée de 32.5 % en masse. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la température caractéristique est déterminée par la localisation d'un palier de température constante sur la courbe de changement de température. 2898681 - 10- 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la solution de précurseur d'ammoniac est une solution eau/urée/formiate d'ammonium et dans lequel il est conclu que si la température caractéristique correspond à la température de congélation de la solution et si la courbe en amont de la 5 température caractéristique ne présente pas de défaut de linéarité, la solution eau/urée/formiate d'ammonium est à une concentration utilisable dans un système de dépollution de gaz d'échappement de véhicules. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la solution eau/urée/formiate d'ammonium est une solution DENOXIUMTM avec une 10 température de congélation de -30 C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la température caractéristique est déterminée par la localisation d'une rupture de pente sur la courbe de changement de température. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel la 15 qualité du précurseur d'ammoniac est contrôlée lors du remplissage d'un réservoir de stockage, le réservoir de stockage étant à bord du véhicule et délivrant le précurseur d'ammoniac à la ligne d'échappement du véhicule. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel la quantité de précurseur d'ammoniac délivrée à la ligne d'échappement du véhicule 20 est contrôlée par un dispositif de régulation. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la qualité du précurseur d'ammoniac est en outre contrôlée à bord du véhicule et cette qualité est prise en compte par le dispositif de régulation pour déterminer la quantité de précurseur d'ammoniac à délivrer à la ligne d'échappement.