Pompes doseuses : vers des dosages plus précis et plus sûrs

La plupart du temps, ces additifs sont des solutions liquides qui sont injectées par des pompes doseuses placées à proximité immédiate des process. Ces liquides sont très divers : il peut s’agir d’acides ou de bases pour corriger le pH par exemple, de produits précipitants, de floculants tels que du chlorure ferrique ou des produits apparentés, de coagulants, d’oxydants divers en solution, ou encore de biocides pour circuits de refroidissement, tours aéroréfrigérantes… etc. Quel que soit le process considéré et la nature du liquide dosé, l’exigence reste bien souvent la même : introduire une quantité précise de réactif dans une quantité précise d’eau à traiter à un rythme prédéfini.

Une autre catégorie d’applications est le prélèvement d’échantillons en vue de réaliser une analyse, par exemple. Souvent réalisés en laboratoire, ces prélèvements permettent de mesurer le même volume de façon constante à des intervalles de temps prédéfinis. Ils nécessitent d’être réalisés à l’aide d’équipements fiables mais aussi précis pour conférer aux résultats une représentativité et une reproductibilité certaines.

Sur l’ensemble de ces applications, la pompe doseuse peut fonctionner seule, en toute autonomie, ou au contraire s’insérer dans un dispositif plus conséquent sous la forme d’un panneau modulaire dont la fonction sera d’adjoindre une ou plusieurs autres fonctions au dosage, par exemple une préparation, une régulation, ou un système de nettoyage en place.

Prendre en compte l’application, la pompe et son environnement

Ces contraintes définies, il sera possible d’opter pour l’une ou l’autre des techniques de dosage disponibles sur le marché auxquelles répondent trois grandes familles de pompes doseuses. « La plupart des pompes doseuses reposent sur trois technologies volumétriques, explique Spyridon Kranias chez Grundfos, se différenciant par le mécanisme de mise en mouvement du liquide dosé : pompes doseuses à membrane, à piston ou péristaltiques. De plus, les premières se déclinent généralement en pompes électromagnétiques ou électromécaniques, suivant leur mode d’entraînement motorisé. Quant à la technologie péristaltique, elle se distingue des deux autres par le fait qu’elle repose sur l’écrasement d’un tube. Chacune de ces technologies a ses forces et ses faiblesses, des avantages comme des inconvénients ». Un point de vue partagé par Claude Klein chez ProMinent : « Il n’y a pas de technologie universelle, pas plus que de machine idéale. Le choix résulte bien souvent d’un compromis, après une analyse précise des besoins », explique-t-il.

Pompes doseuses électromagnétiques : une technologie mature qui évolue régulièrement

ProMinent qui a conçu la première pompe électromagnétique au monde dans les années 1960 propose différents modèles dont la dernière-née, la Gamma/X qui intègre les plus récentes avancées intervenues sur cette technologie. « C’est une pompe à membrane avec électro-aimant régulée », explique Claude Klein. Le déplacement de la membrane est contrôlé au centième de millimètre près. Ce contrôle fin du déplacement ainsi que les paramètres collectés par les différents capteurs internes (déplacement, énergie absorbée, tension, fréquence, température…) permettent d’obtenir une précision de dosage extrême en réglant directement le débit (ou volume) souhaité, la pompe adaptera automatiquement sa cadence en fonction des variations de pression, afin de respecter la consigne demandée. Il est également possible de régler la vitesse d’aspiration face aux risques de cavitation (produit visqueux, dégazage…), et de maîtriser la vitesse de refoulement afin de réaliser un dosage continu (ou impulsionnel si besoin) sur une très grande plage de réglage ; une pompe de 15 l/h est par exemple capable de descendre à un débit de 0,025 l/h tout en garantissant un dosage continu et fiable, ce qui permet au client de rationaliser son parc installé avec 1 ou 2 modèles de pompe couvrant ainsi tous ses besoins. Avec ses différentes mesures internes, cette pompe doseuse intelligente est capable d’afficher directement la pression dans la tête doseuse sans recourir à un capteur de pression, « Cette technologie ouvre ainsi d’importantes perspectives au niveau sécurité », explique Claude Klein. Aucune pièce auxiliaire n'est en contact avec le fluide à doser, il n'y a pas de surfaces d'étanchéité supplémentaires et aucun composant électronique ne se trouve au voisinage des substances chimiques. La Gamma/X informe ainsi l’opérateur du bon fonctionnement de la pompe ou de la présence éventuelle de bulles d’air, d’une cavitation, d’une pression anormalement haute ou basse. Ces anomalies pourront être traitées comme avertissement ou défaut avec dans certains cas un arrêt de la pompe afin de sécuriser le process (ex canne d’injection bouchée). L’option Bluetooth offre également un confort et une sécurité d’utilisation inédits, il est ainsi possible de copier, dupliquer ou injecter un paramétrage type de son choix dans la pompe lors de sa mise en service, ou tout simplement de se connecter en direct avec la pompe sans avoir à ouvrir la porte du coffret de dosage et se mettre en zone de risque chimique pour un simple contrôle/paramétrage.

Pompes électromécaniques : haute précision et reproductibilité

Grundfos a délibérément opté pour la technologie électromécanique sur l’ensemble de sa gamme, privilégiant sa série emblématique SMART Digital, même pour les modèles d’entrée de gamme. Les gammes DMX et DMH utilisent des moteurs asynchrones, tandis que la gamme de dosage numérique SMART Digital composée des séries DDA, DDC et DDE intègre des moteurs pas à pas. La série DDA (Digital Dosing Advanced), qui représente le haut de gamme chez Grundfos, associe précision et fiabilité d’un dosage numérique pour des applications exigeantes. En plus d’un moteur pas à pas à vitesse variable, elle intègre des capteurs et une électronique embarquée qui permet de pouvoir paramétrer le dosage de liquides visqueux jusqu’à 3.000 centipoises. Elle est également équipée d’un dispositif permettant de doser des liquides dégazant, typiquement l’hypochlorite de sodium en désinfection d’eau potable. « Ce dispositif, à la manière d’un vibreur sur un Smartphone, permet de faire vibrer la membrane même lorsque la pompe est à l’arrêt pour chasser les bulles d’air éventuelles qui s’accumuleraient dans la tête de dosage », souligne Spyridon Kranias. La pompe doseuse DDA-FCM intègre même, via un capteur de pression installé dans la tête doseuse et l’intelligence embarquée, une fonction mesure de débit qui permet de suivre précisément le débit réellement dosé par rapport au dosage attendu. L’installation d’un débitmètre derrière la pompe doseuse, particulièrement onéreux et complexe à mettre en œuvre à cause du caractère pulsatoire du dosage, devient inutile. Ainsi, lorsqu’elle est activée, la fonction AutoFlowAdapt garantit que le dosage se poursuit avec le débit requis, même lorsqu'il est soumis à des influences extérieures. La contre-pression fluctuante n'a plus d'impact sur le débit effectif : la consigne est respectée grâce au mécanisme de régulation de vitesse du moteur pas-à-pas qui compense automatiquement les écarts.

De nombreuses fonctionnalités sécurisent l’installation et le process, telles que le paramétrage en usine d’une pression maximale, ajustable le cas échéant par l’utilisateur sur la pompe, et qui arrêtera l’injection de produit si une cristallisation et un excès de pression survenaient, évitant ainsi une rupture de tuyauterie. Autre exemple avec le dosage de liquides dégazants où la commande du moteur est automatiquement ajustée dès que des bulles d'air sont détectées dans la tête de dosage pour les chasser et éviter le désamorçage de l'installation, problème récurrent avec l’injection d’hypochlorite de sodium du commerce.

La gamme SMART Digital s’est récemment enrichie de trois nouvelles tailles de pompes (60-10, 120-7, 200-4) pour couvrir une plage de dosage allant de 0,075 à 200 l/h. A noter également que ces pompes sont dotées d’une alimentation électrique dite “universelle” (100-240 V, 50/60 Hz) qui leur permet de fonctionner partout dans le monde sans modification préalable.

A côté des pompes à membrane, les pompes doseuses à piston sont une autre catégorie de pompes volumétriques qui se caractérise par sa précision et son indépendance vis à vis de la contre-pression. La quantité est réglée proportionnellement à la longueur de course, leur reproductibilité autorise des dosages précis, même pour des quantités très faibles. Autre avantage de cette technologie, la possibilité grâce à plusieurs pistons d’autoriser des mélanges exacts où à rapport constant entre différents fluides à doser. Elle est exploitée par Lutz Jesco sur sa gamme Fedos® ou Kardos®, ProMinent sur sa gamme Sigma, Makro et Evolution, PCM avec Dosys™, Lewa avec ecoflow® ou Milton Roy avec ses gammes MilRoyal™ et PrimeRoyal™. « Cependant cette technologie décline depuis de nombreuses années au profit des doseurs à membrane qui apportent un dosage plus sûr, estime Amélie Drouard, Product Manager chez Milton Roy Europe. Par rapport au doseur à piston, et en plus de l’avantage du « zéro fuite », la technologie permet le pompage de fluides plus visqueux ou plus chargés ».

Pompes péristaltiques : répondre à de nombreuses contraintes

Le liquide, totalement contenu dans le tuyau, ne vient jamais en contact avec aucune pièce mobile. Conséquence directe, ces pompes peuvent travailler sur des fluides difficiles (visqueux, abrasifs, corrosifs, sensibles au cisaillement, chargés) et peuvent aussi fonctionner à sec, sans risque de désamorçage. Elles permettent une reproductibilité de ±1 % et une précision de mesure de ±5 %. Par ailleurs, le principe péristaltique réduit les risques de contamination et diminue les temps de maintenance, le tuyau, pièce centrale sur ce type de pompe, étant la seule pièce à entretenir. Autre avantage, une même pompe, grâce à plusieurs canaux, peut réaliser plusieurs dosages au cours de la même rotation. La présence de deux canaux exploités de manière déphasée permet également de réduire les pulsations. La pompe péristaltique Qdos20 de Watson Marlow, exploite par exemple cette technologie qui contribue ainsi à réduire encore plus l’amplitude des pulsations, les compressions tubulaires alternées assurant leur équilibrage. Il en résulte un déplacement presque continu du fluide et un dosage constant du produit chimique dans l'application.

Le matériau constitutif du tuyau doit évidemment être adapté au fluide dosé. C’est pourquoi les fabricants proposent une large gamme de tuyaux adaptés aux différents types de produits chimiques ou solides rencontrés. Albin Pump, grand spécialiste des pompes péristaltiques que la société fabrique en France à Montélimar (26), propose deux familles de pompes doseuses : une gamme reposant sur un écrasement par patin et une autre dont l’écrasement est réalisé par un galet. « Ce qui distingue l’une de l’autre, c’est essentiellement la nature du produit pompé et les conditions d’utilisation de la pompe, notamment les pressions de refoulement » explique Emmanuel Rolland, directeur des ventes France chez Albin Pump. La gamme ALH dont l’écrasement se fait par patins, permet d’utiliser des tuyaux renforcés en obtenant des pressions de refoulement jusqu’à 10 bar pour les petites pompes. La gamme ALP équipée de galets permet l’utilisation de tubes non renforcés avec des tuyaux en élastomère qui permettent par exemple de doser des produits corrosifs ou alimentaires. « Les pressions de refoulement sont de 2 ou 4 bar selon qu’on utilise un tuyau renforcé ou non », souligne Emmanuel Rolland. Albin Pump propose également des modèles dédiés à des applications plus spécifiques, comme par exemple l’alimentation de filtres presse, qui nécessitent des capacités de montées en pression plus importante.

Les pompes à vis excentrée : pour un dosage précis et sans pulsation

PCM maîtrise également des solutions de dosage grâce à la technologie des pompes à rotor excentré Moineau™. « Lorsque le dosage doit être maintenu précis même lorsque les conditions de pression et de viscosité des produits pompés varient ou sont difficilement maîtrisées, cette technologie s’avère être la plus flexible, souligne Thierry Guichard, Industry Marketing Manager chez PCM. La série EcoMoineau™ C qui repose sur des pompes tout inox avec un large choix de stators en élastomères adaptés aux différentes agressions corrosives, est souvent privilégiée lorsque d’autres technologies atteignent rapidement leurs limites. Les pompes à rotor excentré peuvent tout aussi bien s’adapter à des procédés de dosage en continu qu’à des dosages de petites quantités répétés à des intervalles très courts. Elles sont tout particulièrement recommandées pour le dosage de produits fragiles qui ne supportent pas le niveau de cisaillement de certaines autres technologies ».

L’ensemble de ces technologies, et au sein de chacune d’entre-elles, les nombreux modèles proposés par les fabricants permettent de répondre à tous les besoins. Encore faut-il que ces besoins soient satisfait à un coût acceptable. Pour ceci, et outre l’investissement initial, les exploitants doivent prendre en compte, dans le calcul du coût de possession de leurs pompes doseuses, la consommation d’énergie, les frais d’entretien et de maintenance, les temps d’arrêt machine et les pertes de production occasionnées.

Alléger la maintenance et minimiser les temps d’arrêts

Pour Lutz-Jesco, le coût de la maintenance préventive ne doit pas être rédhibitoire par rapport à la maintenance curative, cette marque peut fournir les pièces d'usure au détail, notamment les cartes électroniques, ce qui, en cas de coup de foudre, évite de remplacer la pompe complète. Un choix qui s'inscrit dans le développement durable pour Lutz-Jesco.

Chez Watson Marlow, les pompes péristaltiques Qdos ont été conçues pour espacer les intervalles de maintenance et réduire les impacts liés à l’arrêt de production et le coût total de possession. Des tubes ou matériaux adaptés dont le changement est rapide permettent de gagner du temps en minimisant les arrêts de production. Sur la pompe Qdos20, le temps de fonctionnement du process est optimisé grâce à la tête de pompe ReNu brevetée, qui se démonte et se remplace rapidement sans outil, et ne requiert ni maintenance ni formation spécialisée des opérateurs. Elle est, de plus, dotée d'un système intégré de détection de fuites qui réduit les pertes et évite à l'opérateur tout contact avec les produits chimiques. Des essais sur le terrain ont confirmé une durée de vie de la tête de pompe d’environ 12 mois. Sur sa gamme de pompes péristaltiques Dura et VF, Verder a également travaillé sur la longévité du tuyau, capable de supporter des applications hautement corrosives et abrasives. Même chose chez Albin Pump qui a doté sa gamme de pompes péristaltiques ALH d’une option “roue CIP/NEP” pour du nettoyage en place. « Cela permet aux utilisateurs, par une simple inversion du sens de rotation de la pompe (1/2 tour), de pouvoir faire rétracter les patins pour effectuer les opérations de nettoyage et stérilisation sans aucune intervention sur la pompe », explique Emmanuel Rolland. L’entreprise a également développé une pompe entièrement en plastique permettant de se prémunir contre une destruction partielle ou totale de la pompe en cas de percement du tuyau véhiculant un produit très corrosif. « Ce modèle élargit encore un peu plus le spectre d’applications des pompes doseuses péristaltiques, par exemple dans le secteur de la chimie mais aussi en traitement d’eau sur des applications spécifiques mettant en jeu des acides forts », souligne Emmanuel Rolland.

Des pompes plus ergonomiques et plus simples à utiliser

Ainsi les séries DDA et DDC de la gamme SMART Digital utilisent un bouton de navigation et de sélection ultra simple (rotation pour naviguer et appui pour valider) avec un grand écran LCD et des codes couleurs de signalisation, à l’image des feux tricolores de circulation : d’un coup d’œil et à distance, l’exploitant connaît l’état de fonctionnement de la pompe même s’il n’est que de passage à l’autre bout de la pièce.

De nouvelles fonctionnalités améliorent aussi la sécurité et la fiabilité pour un dosage sans perturbations. « Toutes les gammes en profitent car fonctionnalités autrefois réservées aux pompes doseuses les plus perfectionnées bénéficient également aux modèles d’entrée de gamme » comme l’explique Claude Klein. La théorie du ruissellement joue ici à plein. Ainsi, la nouvelle série PD de Milton Roy bénéficie en standard des doseurs FastPrime™, qui facilitent l’amorçage grâce à leur purge intégrée et des doseurs AutoPrime™ pour doser sans difficulté les produits nécessitant un dégazage en continu. Certains modèles intègrent en plus la technologie de dégazage StayPrime™ qui permet de garder la pompe amorcée pendant une période d’inactivité et de relancer l’injection sans manipulation ni perte de temps. Même principe sur la Qdos 20 de Watson Marlow, conçue pour le dosage de précision d'hypochlorite de sodium, et qui accueille la même interface conviviale et les mêmes options de contrôle que les autres pompes de la gamme, garantissant ainsi une continuité avec les applications Qdos existantes. Le clavier intuitif permet des contrôles simples de la pompe soit par contrôle manuel ou à distance avec entrée et sortie 4-20 mA ou via Profibus. Le moteur Brushless maintient une précision de débit de ± 1 % avec une répétabilité de ± 0,5 % et un rapport de réduction de 3330:1.

Des architectures diversifiées

De même chez Grundfos, dont le module de communication GENIBus embarqué dans les DDA permet, via des passerelles de communication, d’accéder à des réseaux utilisant les protocoles Profibus DP, Modbus RTU ou Ethernet. Les exploitants peuvent ainsi connecter des équipements provenant de différents fournisseurs à un SCADA et assurer un contrôle et un suivi très précis des installations.