Chris King
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Vous pourriez penser que les mesures de débit massique seraient exprimées en unités de masse, telles que grammes/heure, milligrammes/seconde, etc. La plupart des utilisateurs, cependant, pensent et travaillent en unités de volume. C’est acceptable, du moins lorsque nous parlons des mêmes conditions de référence. Laissez-moi commencer par un exemple :

Masse par rapport au volume

Imaginez que vous avez un cylindre de 1 litre qui est fermé au moyen d’un piston mobile ayant un poids négligeable. Ce cylindre contient 1 litre d'air à pression ambiante, environ 1 bar. Le poids de ce volume d’air à 0°C est de 1,293 g ; il s’agit de la masse.

Lorsque nous déplaçons le piston à mi-chemin vers le fond du cylindre, le volume d’air contenu n’est alors que d’un ½ litre, la pression est d’environ 2 bars, mais la masse n’a pas changé, 1,293 g ; rien n’a été ajouté ou exclu.

Selon cet exemple, le débit massique devrait être en fait exprimé en unités de poids, telles que g/h et mg/s. De nombreux utilisateurs, cependant, pensent et travaillent en unités de volume. Cela ne pose pas de problème, à partir du moment où les conditions dans lesquelles la masse est convertie en volume sont clairement acceptées.

Utilisation de la densité dans la conversion du débit massique en débit volumique

Afin d’utiliser la densité dans la conversion du débit massique en débit volumique, nous devons choisir un ensemble de conditions de pression et de température spécifiques auxquelles nous utilisons la valeur de densité pour le gaz.

Les conditions qui sont fixées sont diverses : conditions normales et conditions standard, présentées en style européen ou style américain. Quelles sont les différences ?

Conditions de pression et de température

Conditions normales, style européen

Selon la définition « européenne », une température de 0°C et une pression de 1.013 bar sont sélectionnées en tant que conditions de référence « normales », indiquées par la lettre sous-jacente « n » dans l’unité de volume utilisée (mln/min ou m3n/h). La méthode de mesure directe thermique du débit massique est toujours basée sur ces conditions de référence, sauf demande contraire.

Un exemple de conversion en unités volumétriques utilisant les conditions de référence normales : Le débitmètre massique indique 100 g/h de débit d’air. • Densité de l’air (à 0°C) = 1,293 kg/m³ • X ln/min d’air = 100 g/h / (60 min/h × 1,293 kg/m³) • Débit = 1,29 ln/min d’air

Conditions standard, style européen

En tant qu’alternative, une température de 20°C et une pression de 1.013 bar sont utilisées pour faire référence aux conditions de référence « standard », indiquées par la lettre sous-jacente « s » dans l’unité de volume utilisée (mls/min ou m3s/h).

Un exemple de conversion en unités volumétriques utilisant les conditions standard : Le débitmètre massique indique 100 g/h de débit d’air. • Densité de l’air (à 20°C) = 1,205 kg/m³ • X ls/min d’air = 100 g/h / (60 min/h × 1,205 kg/m³) • Débit = 1,38 ls/min d’air

Si le préfixe « s » a été utilisé, il renvoie au style américain.

Conditions standard, style américain

Selon la définition « américaine », le préfixe « s » dans sccm, slm ou scfh, fait référence aux conditions « standard », pression absolue de 101,325 kPa (14,6959 psia) et température de 0°C (32°F).

Soyez attentifs aux conditions de référence lorsque vous commandez un instrument. « Normale » et « standard » peuvent être difféentes pour chaque client.

Pourquoi est-ce important ? Car le fait de mélanger ces conditions de référence crée un décalage de plus de 7% dans ce que le client s’attend à voir !

Apprenez-en plus sur les technologies de Bronkhorst, ainsi que sur la mesure du débit massique

Tableau avec les références normale et standard, réparties en style européen et style américain

Tableau des références normale et standard

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La vanne de régulation : l’outil le plus utilisé dans la régulation de débit

Une vanne de régulation est utilisée pour réguler un débit en faisant varier la taille du passage de débit. C'est l'un des outils les plus utilisés dans la régulation de débit.

Stefan VON KAAN
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Utilisée pour réguler un débit, une vanne de régulation fait varier la taille du passage de débit en fonction d’un signal provenant d’un régulateur, comme par exemple une fonction PID embarquée dans un débitmètre. C’est l’un des outils les plus utilisés dans la régulation de débit.

Un outil pour les régulateurs de débit massique

Les vannes de régulation peuvent être fournies comme partie intégrante des régulateurs de débit massique et des régulateurs de pression, ou comme composant séparé utilisé avec un débitmètre ou un capteur de pression. Via la boucle de régulation du régulateur de débit massique ou du capteur de pression, la vanne contrôle le débit afin d’atteindre la valeur de consigne de débit ou de pression imposée.

En fonction de l’application, il est généralement possible de déterminer si votre régulateur de débit massique a besoin d’une vanne d’arrêt (ouverture/fermeture) ou d’une vanne de régulation, ou alors si une vanne normalement ouverte ou normalement fermée est nécessaire. Parmi les vannes de régulation, il existe un certain nombre de vannes différentes, chacune ayant ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients.

Dans cet article de blog, je parlerais de quelques vannes et détaillerai les manières de gérer des pressions absolues et différentielles (∆P), plus élevées, et comment obtenir des débits plus élevés à de faibles pressions différentielles (∆P).

Les vannes de régulation directe

Une vanne de régulation directe se compose d’un orifice de surface connue qui détermine la taille de l’ouverture, ce qui permet de connaître la valeur du débit traversant la vanne.

  • L’avantage : C’est une vanne plutôt rapide, bon marché et qui ne nécessite que peu de puissance pour réguler le débit.
  • L’inconvénient : elle ne peut travailler qu’avec des pressions et des débits limités.

Prenons l’exemple d’une vanne électromagnétique (électrovanne):

Pour une vanne, la force (F) à fournir pour obtenir l’ouverture de la vanne est déterminée par le diamètre de l’orifice (d) et la différence de pression (Δp) sur la vanne (F ~ Δp * ¼ d2). Lorsque la pression différentielle (∆P), ou le diamètre de l’orifice augmente, cela empêche la vanne de régulation directe de s’ouvrir correctement en raison de la force de la pression, qui peut être > 15 N pour une pression différentielle de 200 bar sur un orifice de 1 mm, forçant ainsi la fermeture de la vanne.

Une vanne électromagnétique ne peut exercer qu’une force d’environ 5 N sur son clapet. Il pourrait être possible d’utiliser une bobine plus forte, délivrant une force magnétique plus importante. Cependant, les régulateurs de débit massique ont souvent une alimentation électrique limitée et la quantité de chaleur produite par effet Joule peut également devenir un problème. Leur débit maximal est donc limité, proportionnellement à la pression et à la surface de l’orifice.

En résumé, la plupart des vannes de régulation directe ne sont pas adaptées aux débits élevés, aux pressions différentielles élevées (∆P) ou aux pressions absolues découlant de ces restrictions. Les vannes de régulation directe peuvent être utilisées pour des débits faibles de 0.014 mln/min jusqu’à environ 70 ln/min.

Quelles alternatives avons-nous ?

  1. Concevoir une vanne directe pour l’adapter à des pressions plus élevées
  2. Utiliser une vanne avec 2 étages de régulation, une vanne de régulation pilotée
  3. Utiliser une vanne à compensation de pression, afin d’atteindre des débits élevés à basse pression

1. La vanne de régulation directe haute pression

Pour gérer des pressions plus élevées, la solution la plus simple est souvent de concevoir une vanne de régulation directe. Comme la taille de l’orifice est limitée, elle peut être utilisée pour des débits relativement faibles (jusqu’à 20 ln/min). Pour faire face aux différences de pression plus importantes, jusqu’à 200 bar de pression différentielle (bard) (∆P), le corps de la vanne et du régulateur de débit massique doivent être plus robustes. La plupart des vannes ne peuvent pas supporter une poussée de 200 bard, soit le matériau d’étanchéité se rompt, soit les pièces mécaniques ne supportent pas les impulsions de force soudaines qui peuvent survenir à 200 bard.

Les dimensions de la vanne ne sont que légèrement supérieures à celles d’une vanne standard et donc de l’ensemble du régulateur de débit massique. En revanche, les faibles débits sont souvent limités en raison des fuites à travers la vanne en cas de fortes différences de pression.

2. La vanne de régulation pilotée, une vanne à 2 étages de régulation

Pour gérer des pressions et des débits encore plus élevés, jusqu’à 200 ln/min, nous devons innover encore un peu plus et changer notre régulateur de débit massique. Une vanne de régulation pilotée (illustration 1) permet d’atteindre des débits ainsi que des pressions absolues et différentielles (∆P), plus élevées.

Vanne de régulation pilotée

Illustration 1 – Vanne de régulation pilotée

Une vanne de régulation indirecte (ou vanne de régulation à 2 étages) se compose de :

  • une vanne pilote de régulation directe (A), se comportant comme décrit précédemment, et cela sans nécessiter de puissance supplémentaire.
  • une vanne supplémentaire dans le corps de vanne, un élément de compensation de pression (B) qui permet de maintenir une différence de pression constante (P1 -P2) de seulement quelques bars dans la vanne pilote (A). Ce faisant, les pressions d’entrée et de sortie peuvent changer sans que cela n’ait d’impact sur le fonctionnement de la vanne. La force de pression exercée sur la pièce compensée en pression maintient la vanne fermée. Ce n’est que lorsque la vanne supérieure s’ouvre que la force de pression est ramenée à une valeur suffisamment faible pour ouvrir la vanne et contrôler le débit.

Ainsi, la vanne de régulation pilotée se compose de deux vannes en série (A+B), où la chute de pression et la taille de l’orifice déterminent ensemble le débit résultant.

Cette vanne possède cependant des inconvénients, à savoir une taille et des coûts relativement importants. En outre, une différence de pression minimale est nécessaire pour fermer l’élément de compensation de pression de la vanne. La taille des orifices est également encore limitée, par conséquent, pour atteindre 200 ln/min une pression d’entrée minimale de > 150 bara est nécessaire. Pour obtenir de tels débits à des pressions plus basses, il faut utiliser un tout autre type de vanne, comme une vanne à compensation de pression, c’est-à-dire une vanne à soufflet.

3. La vanne à compensation de pression

Il est possible d’utiliser des orifices plus grands et d’atteindre des débits plus élevés avec une vanne de régulation directe, mais pour cela, la force de pression dans la vanne doit être réduite. On peut utiliser dans ce cas une vanne à compensation de pression à soufflet dont l’orifice efficace contre la force de pression a été considérablement réduit (illustration 2). Avec une vanne à soufflet, des débits de plusieurs centaines de litres par minute peuvent être atteints avec une différence de pression minimale. Cependant, la pression absolue reste limitée en raison de sa conception et la vanne est beaucoup plus grande et plus chère qu’une vanne de régulation directe standard.

Vanne à compensation de pression

Illustration 2 - Vanne à compensation de pression

Conclusion : en fonction de la pression que vous voulez exercer sur votre régulateur de débit massique ainsi que du débit de sortie nécessaire, vous pouvez utiliser :

  • soit une vanne haute pression à régulation directe (jusqu’à 200 bara et 20 ln/min)
  • soit une vanne à compensation de pression pilotée (jusqu’à 700 bara ou 400 bard et 200 ln/min)

Pour atteindre des débits élevés à basse pression, une vanne à compensation de pression représente la meilleure solution.

Vue d'ensemble des vannes

Illustration 3 - Vue d’ensemble des vannes

Jetez un coup d'œil aux vannes de régulation que nous associons souvent à nos débitmètres ou capteurs de pression.

La cigarette électronique – Bonne ou mauvaise ? A la recherche d’arguments avec la débitmétrie massique

La Prof. Aufderheide travaille dans le domaine des méthodes alternatives à base de cellules biologiques et ses recherches se concentrent sur la toxicologie par inhalation, c'est-à-dire, l'effet des substances actives de l’atmosphère sous forme d’aérosols sur les cellules épithéliales des voies respiratoires.

Prof. Michaela AUFDERHEIDE
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La Prof. Aufderheide travaille depuis plus de 30 ans dans le domaine des méthodes alternatives à base de cellules biologiques et ses recherches se concentrent sur la toxicologie par inhalation, c'est-à-dire, l'effet des substances actives de l’atmosphère sous forme d’aérosols sur les cellules épithéliales des voies respiratoires. Avec ses collaborateurs, elle a développé pour cela des appareils spéciaux, les modules CULTEX RFS brevetés, qui permettent de traiter les cellules cultivées directement avec ces substances actives. La pollution croissante de l'air ambiant extérieur et du lieu de travail rend nécessaire ce type de méthodes d'essai nouvelles afin de pouvoir prédire le risque de mise en danger avec de telles substances. La haute sensibilité des systèmes d'essais biologiques nécessite un montage technique stable et précis pour tester l’air ambiant en question, sachant qu'outre la technologie CULTEX, les régulateurs de débit massique sont essentiels pour ajuster et contrôler les débits d'aérosols sur les cellules.

La cigarette électronique

L'histoire de l'être humain est marquée par la sensibilité aux excitants. Depuis des temps immémoriaux, les substances toxiques comme l'alcool et le tabac en font partie. Bien que les risques pour la santé soient connus de nous tous, "la plupart des gens n'abandonnent leurs vices que lorsque ceux-ci leur causent des soucis" (William Sommerset Maugham).

Le tabagisme colle particulièrement à cette devise. On sait généralement que le tabagisme excessif augmente le risque de maladies cardio-vasculaires et notamment de cancer des poumons et pourtant nous cédons à la tentation de la "bouffée de fumée bleue". Les études épidémiologiques nous ont montré maintes fois la nocivité de cette dépendance au plaisir mais le renoncement promis à la cigarette échoue bien souvent, en dépit de la certitude que chaque cigarette peut être celle de trop.

L'industrie de la cigarette propage alors la cigarette électronique comme alternative. La combustion du tabac produit des milliers de substances nocives que le fumeur inhale aussi bien évidemment. Avec la cigarette électronique, on inhale un brouillard qui est censé ne contenir aucun produit dangereux pour la santé issu d'une combustion. Cette "vapeur" est produite à partir d'un liquide aromatisé (principaux ingrédients : propylène-glycol, glycérine, éthanol, divers arômes et selon les besoins, nicotine) à l'aide de ce que l'on appelle un atomiseur.

La cigarette électronique est ainsi prisée par l'industrie de la cigarette comme alternative "plus saine" à la cigarette conventionnelle et pour le sevrage du tabac. De grosses sommes d'argent sont investies pour prouver scientifiquement que les produits de la cigarette électronique ne sont pas aussi nocifs que ceux du tabac. Cette déclaration est correcte en principe. Cependant, elle ne répond pas à la question de l'effet de la "vapeur" en soi. Des études épidémiologiques sur la fumée de cigarette par exemple ne sont pas disponibles et par conséquent, personne ne peut exclure qu'une consommation excessive ou à long terme ne puisse mettre notre vie en danger.

Illustration 1 - CULTEX®RFS Compact avec Transwell 6 positions

Cultex RFS

Études in vitro

Comment puis-je maintenant aborder une telle problématique ? Il ne reste qu'à réaliser des études in vitro. Pour cela, nous utilisons la culture de cellules vivantes comme alternative aux essais sur les animaux.

Les substances inhalées rencontrent d'abord l'épithélium qui les tapissent dans les poumons. Celui-ci est constitué d'une multitude de cellules qui, du fait de leurs fonctions spéciales, servent à se défendre contre les substances inhalées ou à les inactiver. On trouve les cellules produisant du mucus qui, avec leur sécrétion, "piègent" de telles substances nocives, mais aussi des cellules porteuses de cils qui peuvent évacuer ce mucus. D'autres cellules servent à désintoxiquer et dans un corps sain, nous disposons de suffisamment de cellules de remplacement qui peuvent remplacer les cellules endommagées ou nécrosées.

Dans le domaine de la recherche basée sur les cellules, nous pouvons disposer de ce genre de populations de cellules humaines pour nos travaux (voir illustration 2). Les cellules sont cultivées sur des membranes microporeuses dans ce que l'on appelle des transwells où elles sont alimentées en nutriments par leur face inférieure par le biais de la membrane, tandis que la partie apicale (extérieure) de la culture peut réagir à l'air environnant.

Coupe transversale de membranes d'insert de culture de cellules avec cellules NHBE (CL-1548) immortalisées colorées à l'HE (hématoxyline et éosine). Après 21 jours de mise en culture à l'interface air-liquide, les cellules ont été soumises de manière répétée (quotidiennement pendant cinq jours et après une phase de récupération de deux jours, de nouveau durant trois jours consécutifs, temps d’exposition maximal : 8 répétitions de l'exposition à la fumée) à de l'air propre (CA), de la fumée de cigarette ordinaire (CS ; 4x K3R4F cigarettes par passage conf. à la norme ISO 3308, University of Kentucky, Lexington, KY, USA) et à de la vapeur de liquide électronique (EC) sans nicotine (Tennessee Cured, Johnsons Creek, Hartland, WI, USA). K3R4F cigarettes ont été fumées par une machine à fumer et comme suit : 24 bouffées avec un volume de 35 mL en 2 s, une durée de soufflage de 7 s et une distance entre les bouffées de 10 s. Le type de cigarette électronique InSmoke Reevo Mini (InSmoke Shop, Suisse) a été traité de manière comparable : 50 bouffées (volume 35 mL, durée de la bouffée 2 secondes, durée de soufflage de 7 secondes) et un intervalle entre les bouffées de 10 s.

Membrane microporeuse culture cellulaire

Les régulateurs de débit massique – les gardiens de l'exposition des cellules

Avec les années, nous avons développé des systèmes d'exposition efficaces pour les cellules, les modules CULTEX®RFS, qui permettent une exposition directe, stable et reproductible de cellules pulmonaires cultivées à l'interface air-liquide (Air-Liquid Interface – ALI) (voir illustration 1). Cette stabilité est notamment le garant de résultats probants et est assurée d'une part par la conception coordonnée physiquement des aérosols des modules CULTEX®RFS mais aussi par l'emploi de régulateurs de débit massique pilotés par ordinateur (séries IQ+FLOW et EL-FLOW Select de la société Bronkhorst) qui, en termes de commande et de conception, sont adaptés aux besoins d'une exposition des cellules. La régulation de débit produit une atmosphère précise et reproductible pour l'exposition des cellules aux gaz d'essai. Seule cette fiabilité dans le montage expérimental nous fournit des résultats qui permettent de tirer des conclusions sur l'effet de chaque atmosphère d'essai. Dans ce cas, la vapeur de cigarette électronique (50 bouffées par traitement) et la fumée de cigarette normale en comparaison (24 bouffées par traitement) a été tirée sans pression sur les cellules différenciées, sachant que les cellules ont été soumises à la dose de traitement respective pendant 8 jours. Des cellules traitées à l'air sain ont été utilisées comme référence du test.

Les résultats sont regroupés sur l'illustration 2 et sont surprenants. La comparaison des préparations histologiques des cellules traitées avec la fumée et la vapeur de cigarettes électroniques avec celles de référence de l'air sain a montré que la fumée de cigarette – comme on s'y attendait - a produit une nette réduction tant dans la production de mucus que dans le nombre et la forme des cils. Cependant, un effet comparable bien que moins marqué a pu être observé également pour le liquide aérosol après cette période de traitement. En comparaison aux cellules traitées à l'air sain, nous avons là un effet significatif qui nous donne à réfléchir dans tous les cas. L'affirmation "la vapeur est moins active que la fumée" ne doit pas être associée à la conclusion que la vapeur n'a aucun effet. Il faudra s'attaquer à cette problématique à l'avenir, afin de pouvoir contrer les dégâts sur le long terme de façon prophylactique.

Apprenez-en plus sur les régulateurs de débit massique thermiques utilisés : séries IQ+ FLOW et EL-FLOW Select

Des débitmètres intelligents pour une maintenance préventive

L'importance d'une maintenance efficace, d'une maintenance curative et d'une maintenance préventive pour les débitmètres et réguateurs de débit

Harry Bosvelt
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La maintenance est un thème important, régulièrement abordée au sein de nombreuses entreprises en lien avec la numérisation croissante des procédés de production. Globalement, l'entretien regroupe toutes les mesures prises pour veiller au bon fonctionnement des débitmètres et régulateurs massiques. Il peut s'agir d’une maintenance curative, c'est-à-dire qu’elle est effectuée au moment où cela s'avère nécessaire, par ex. parce que l'installation est encrassée, ou d'un entretien préventif, qui consiste à envoyer périodiquement les instruments pour procéder à des réparations ou à une vérification. Les appareils deviennent aussi de plus en plus « intelligents », pour mieux les préparer à l'avenir. Dans ce cadre, on peut citer la maintenance effectuée en fonction de l'état de l'appareil (condition-based maintenance), ainsi que la maintenance préventive (predictive maintenance) dont le but est d'éviter toute mise hors service non planifiée et tout gaspillage inutile. Enfin, la règlementation en vigueur joue aussi un rôle important sur les décisions de maintenance avec, dans de nombreux secteurs d’activité, des exigences toujours plus strictes imposées à la maintenance des instruments.

L'importance d’une bonne maintenance

Pour les clients de Bronkhorst, la maintenance de leurs instruments de débit massique est un élément essentiel. Les débitmètres massiques de Bronkhorst sont particulièrement robustes et résistent très bien à l'usure sous des conditions d'utilisation normales. Néanmoins, les appareils sont de plus en plus utilisés dans le cadre de conditions extrêmes, de sorte qu'une bonne maintenance est essentielle pour réduire le risque d'une panne soudaine. Ces arrêts inopinés génèrent non seulement le coût de temps de travail nécessaire pour le personnel pour faire réparer et calibrer l'instrument, mais aussi un impact négatif sur la qualité de production dans l’ immédiat, et éventuellement sur l'image de l'entreprise à long terme.

Dans les industries 4.0 d'aujourd’hui, la maintenance occupe une place déterminante. Après l'invention de la machine à vapeur, celle de la production de masse avec les moteurs électriques et celle de l'automatisation poussée des procédés, nous vivons à présent la quatrième révolution industrielle. Celle-ci repose sur l'utilisation et l'échange de données par le biais de connexions réseau rapides, dans le but de rendre les méthodes de production toujours plus efficaces et plus intelligentes. D'où son nom de « smart industry ». L'un des moteurs de l'industrie 4.0 est la réduction du cost of ownership, ou coût de propriété. Les nouvelles techniques numériques permettent ainsi de réduire les frais de maintenance d'au moins 30 %, et les pannes imprévues d'au moins 70 %. 1). Des chiffres significatifs qui reflètent l'intérêt de ces méthodes.

Maintenance des instruments de mesure de débit massique : l'évolution des pratiques, les prévisions d'avenir selon Bronkhorst et le rôle de l'industrie 4.0.

La maintenance au fil du temps

Maintenance instruments de mesure

La maintenance curative

Dans les premières années d'activité de Bronkhorst, la maintenance curative (corrective maintenance) était la norme. La plupart des débitmètres et régulateurs de débit massiques fonctionnaient de façon analogique et ne disposaient pas de paramètres de diagnostic. Lorsqu'un instrument devait faire l'objet de réparations, il était renvoyé chez Bronkhorst ou un technicien se rendait sur place. Cette méthode coûtait beaucoup de temps et d'argent en raison de la longue mise à l'arrêt. Le réseau de SAV de Bronkhorst a par la suite été organisé à l'échelle mondiale et compte aujourd'hui 20 GSO (Global Service Offices, des centres de réparation agréés SAV) ainsi qu'un service clientèle accessible 24h/24. Afin de garantir un service rapide, des pièces de rechange étaient également tenues en stock.

Support Service après-vente

Maintenance préventive

Avec l'ère numérique, qui s'est progressivement installée au début des années 2000 et continue encore son expansion aujourd'hui, la maintenance préventive a gagné en intérêt. Les clients ont commencé à envoyer leurs instruments de façon périodique au SAV de Bronkhorst pour procéder à leur maintenance et à leur calibration. Ces interventions requerraient encore du temps et une certaine organisation, mais la mise à l'arrêt engendrée était en quelque sorte planifiée. Si les risques de pannes inopinées pouvaient ainsi être réduits, cela n'offrait néanmoins aucune garantie qu'aucun problème ne survienne.

Département service Bronkhorst

Depuis 2004, les instruments Bronkhorst peuvent être connectés et vus à distance par un de nos services baptisé « Remote Support ». Ceci nous permet de vérifier à distance si, par exemple, le procédé d'un client présente des signes d'instabilité. Le client branche son instrument à un ordinateur muni d'une connexion à Internet. À partir des paramètres de diagnostic internes de l'appareil, nous pouvons en déterminer le statut, sur la base duquel nous pouvons établir, avec le client, l’action à mener. Si nous constatons par exemple qu'un procédé n'est pas correctement réglé, nous sommes à même de modifier à distance les paramètres de régulation (valeurs PID).

Un bel exemple d'intervention à distance est celui d'un client au Canada, qui a récemment contacté notre service d'assistance mondial en signalant qu'un dispositif d'analyse, relié à son installation contenant un système de contrôle de l'évaporation de Bronkhorst (CEM), ne détectait aucune trace d'eau. Par l'intermédiaire de notre service Remote Support, nous avons constaté, à l'aide du logiciel Bronkhorst, que le client n'avait pas bien réglé un paramètre de commande : le régulateur de débit liquide de Bronkhorst ne disposait ainsi pas de la bonne valeur de consigne, de sorte que la soupape réglant l'apport d'eau restait fermée. La solution ? En concertation avec le client, nous avons défini les bons paramètres pour son procédé. Ainsi, nous avons pu aider immédiatement le client, sans que l'instrument ne doive être renvoyé à notre département de réparation ou qu'un technicien doive se rendre sur place, engendrant une belle économie de temps et d'argent.

Prêt pour l'avenir

Afin d'encore mieux servir nos clients par l'intermédiaire de notre système de Remote Support, nous allons prochainement lancer le service Bronkhorst Expert Eye, une application sur smartphone offrant une assistance vidéo. Grâce à cette appli, le client sera en contact direct avec les collaborateurs de Bronkhorst, qui pourront lui offrir une assistance à distance et en temps réel, image et son à l'appui.

À l'avenir, nous avons l’ambition d'approfondir encore l'intelligence de nos instruments dans le but de toujours mieux aider et soulager nos clients. Nos appareils contiennent déjà des données pouvant nous fournir de précieux renseignements sur l'état d'un instrument ou la qualité du procédé dont fait partie le régulateur de débit massique. Nous avons désormais l'intention de convertir ces données en informations utiles en matière d'entretien préventif, de contrôle des procédés et d'optimisation de ceux-ci.

Une nouvelle application que nous aimerions développer en collaboration avec vous. Pour plus d'informations sur les solutions de données spécifiques pour les régulateurs de débit massique, ainsi que sur l'entretien préventif et celui effectué en fonction de l'état de l'appareil, n'hésitez pas à nous contacter.

1) Source: Driving Unconventional Growth through the Industrial Internet of Things (2015).

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Comment les débitmètres sont-ils utilisés dans le traitement catalytique des composés organiques volatils (COV) ?

Comment les débitmètres sont-ils utilisés dans le traitement catalytique des polluants atmosphériques émis par les sources fixes et mobiles?

Jean-François LAMONIER
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Enseignant-chercheur à l’Université de Lille, Jean-François Lamonier s’intéresse au traitement catalytique des Composés Organiques Volatils (COV). Il est responsable de l’équipe de recherche « Remédiation et Matériaux Catalytiques » (REMCAT) de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS), équipe spécialisée dans la dépollution catalytique de polluants atmosphériques issus de sources fixes (industries) et mobiles (véhicules). Dans cet article de blog, il nous présente ses activités de recherches et nous explique la fonction des instruments de mesure et de régulation de débit dans ses applications.

Les axes de recherches de l’équipe REMCAT

L'Equipe de recherche REMCAT (Remédiation et Matériaux Catalytiques) de l'Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS)

L’équipe REMCAT est composée de 6 enseignant-chercheurs et son activité est focalisée sur le post-traitement catalytique de polluants atmosphériques, principalement les oxydes d’azote (NOx et N2O) et les Composés Organiques Volatils (COV). Notre équipe intègre de nombreux savoir-faire en catalyse hétérogène : de la synthèse des catalyseurs à la caractérisation de nouvelles formulations catalytiques, l’évaluation de leurs performances au travers de tests catalytiques poussés, la caractérisation avancée des catalyseurs par spectroscopie infrarouge operando, la cinétique des réactions et la modélisation des réacteurs.

Traitement efficace de la pollution de l'air par la combinaison du plasma non thermique avec la catalyse

Cet ensemble de compétences en catalyse environnementale nous permet de développer des procédés originaux consistant à coupler différentes technologies pour un traitement de la pollution atmosphérique plus efficace, moins coûteux et plus soucieux de l’environnement. Dans ce cadre nous collaborons avec différents groupes de recherche nationaux et internationaux, et notamment avec le « Research Group Plasma Technology » de l’Université de Gand. Ce groupe de recherche est spécialisé dans le développement de réacteur plasma et nous apportons nos compétences en catalyse hétérogène pour développer ensemble des procédés qui couplent le plasma non thermique avec la catalyse. Ce travail de recherche se réalise au sein d’un Laboratoire Associé International « Plasma-Catalyse » que nous avons récemment créé et le projet Européen INTERREG V « DepollutAir » qui finance actuellement notre recherche.

L'utilisation d'une fonctionnalité d'adsorption dans le procédé de transformation par plasma - Catalyse

Les procédés classiques par plasma-catalyse pour l’élimination des Composés Organiques Volatils (COV), présents dans les effluents gazeux industriels, nécessitent un apport énergétique constant. Notre démarche consiste à intégrer une fonctionnalité d’adsorption préalable du polluant dans le procédé de transformation par plasma-catalyse. Ceci permet un fonctionnement en mode séquentiel du plasma pour l’élimination de Composés Organiques Volatils et la régénération de l’adsorbant et donc une économie d’énergie substantielle. Notre équipe apporte ses compétences dans l’élaboration de nouveaux matériaux adsorbant/catalyseur et dans la caractérisation avancée de ces matériaux.

Les débitmètres et régulateurs de débit dans les applications de traitement catalytique des Composés Organiques Volatils (COV) Dans le cadre de nos recherches, nous devons générer des mélanges de COV pour simuler les effluents gazeux industriels. Comme ces effluents gazeux diffèrent selon le type d’industrie et que nous devons être le plus représentatif possible des réalités industrielles, il faut être en mesure de générer un flux gazeux avec des teneurs en COV très variables et avec des COV de nature très différente tels que le formaldéhyde, le toluène, le chlorobenzène, le trichloroéthylène et le butanol.

Schéma dilution

Système de dilution avec un débitmètre Coriolis

Pour cela, nous utilisons un système de dilution fourni par Bronkhorst qui intègre un débitmètre Coriolis, un régulateur de pression (déverseur) et plusieurs régulateurs de débit massique. Nous avions besoin d’un équipement permettant d’atteindre des faibles concentrations de COV car les normes de plus en plus restrictives conduisent à une diminution de la teneur des COV à l’émission dans l’atmosphère. Il fallait également que le système soit le plus flexible possible pour s’adapter à la fois à la nature des divers liquides injectés dans le système et transformés en gaz et aux teneurs en COV dans l’effluent gazeux pouvant varier de 10 à 1000 ppmv.

Formulations catalytiques

L'humidité relative des effluents gazeux est un paramètre important à prendre en considération pour le développement des formulations catalytiques. En effet la présence de vapeur d’eau peut avoir un effet positif ou négatif sur la performance du procédé catalytique. Par conséquent, le système de génération de gaz devait aussi permettre de générer une humidité relative variable dans le mélange gazeux .

Solution de dilution Bronkhorst

De plus pour proposer une formulation catalytique adaptée à l’industriel, il faut non seulement vérifier que le catalyseur soit bien actif et sélectif (c’est-à-dire que le catalyseur doit donner les produits désirés) mais également qu’il soit stable dans le temps. En effet, il est difficile d’imaginer un catalyseur qui ne fonctionne qu’une seule journée et devoir le remplacer le lendemain. C’est pour cela que nous avons besoin de reproduire un effluent gazeux industriel constant sur plusieurs jours. Lorsqu’un test catalytique est effectué sur une journée, nous pouvons envisager d’utiliser un bulleur. En revanche, quand nous avons besoin de vérifier la stabilité des catalyseurs dans le temps, nous effectuons des tests de longue durée pour voir si le catalyseur est capable de garder son activité sur plusieurs jours. Ce serait plus compliqué de faire des tests dans la durée avec un système classique alors que le système de Bronkhorst permet de générer un flux constant, continu et sans à-coups de COV dans l’air. C’est un plus indéniable pour valider notre process.

Système DilLab

Retrouvez plus d’informations sur les travaux de recherches de Jean-François Lamonier et de l’équipe REMCAT de l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide : activités de recherches

Université de Lille

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Apport de CO2 contrôlé pour l’algoculture

Les régulateurs de débit massique sont utilisés par le groupe de recherche Radius dans l'algoculture.

Jornt Spit
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Le blogueur invité cette fois-ci est Jornt Spit, chercheur auprès du groupe de recherche Radius au sein du groupe universitaire belge Thomas More. Il dispose d’une formation en biochimie et biotechnologie. Les chercheurs au sein du groupe Radius travaillent sur une biomasse renouvelable, dans laquelle des algues et insectes sont cultivés pour être ensuite transformés en matières premières précieuses dans le cadre d’une bioéconomie. Dans cette étude, ils utilisent les régulateurs de débit massique de Bronkhorst pour un ajout précis de dioxyde de carbone.

Le CO2 en tant que source alternative précieuse de carbone

Ces dernières années, le dioxyde de carbone (CO2) en tant que source de carbone précieuse attire de plus en plus l’attention. Bien entendu, la concentration croissante de CO2 dans l’atmosphère place le sujet au centre des préoccupations. Dans ce sens, il existe une orientation accrue vers la durabilité dans la société et au sein du groupe Thomas More, nous œuvrons à une économie plus circulaire et plus biosourcée. Autrement dit, une économie dans laquelle les matériaux, les substances chimiques et l’énergie proviennent de sources (d’énergie) renouvelables, et non de combustibles fossiles. La biomasse alternative peut devenir une ressource importante pour cela.

Algoculture Thomas More

Notre groupe de recherche s’occupe de la culture de biomasse renouvelable, entre autres sous la forme d’algues. Nous réalisons ceci dans des conditions contrôlées, dans les grands tubes horizontaux d’un photobioréacteur. Nous avons choisi d’utiliser du CO2 pur en tant que source de carbone, et nous cultivons les algues en vue de différentes applications. Les algues peuvent être utiles par exemple dans le secteur de l’alimentation du bétail (« feed »), dans l’industrie alimentaire (« food »), dans l’industrie de la santé (« neutraceuticals »), ou dans l’industrie cosmétique. En tant que groupe de recherche, nous sommes moins impliqués dans le développement de ces applications ; pour nous, il s’agit plus de l’optimisation de la culture des algues, donc de l’aspect technologique du processus.

Des algues pour une transformation en matières premières précieuses

Les micro-algues forment un groupe très vaste et très divers. Plus de 50 000 sortes différentes d’algues sont décrites, et il en existe vraisemblablement des centaines de milliers au total. Il s’agit d’organismes unicellulaires, mais elles peuvent parfois également former des colonies. Les algues sont des organismes photoautotrophes. Cela signifie qu’elles utilisent le CO2 en tant que source de carbone, et qu’elles le transforment en sucres au moyen de la photosynthèse. Les micro-algues que nous cultivons contiennent un nombre particulièrement élevé de substances intéressantes. À commencer par les grands groupes que sont les protéines, les sucres et les graisses. Les micro-algues produisent ensuite aussi des substances chimiques de haute qualité, comme des pigments et des antioxydants. Ainsi dans le groupe Radius, nous cultivons une algue spéciale qui produit le colorant rouge précieux phycoérythrine. Les algues sont en fait de petites usines qui produisent toutes sortes de substances qui nous intéressent ; pour synthétiser ces substances donc, inutile pour nous de complètement réinventer la roue. Dans les cellules d’algues, tout est développé de manière évolutive pour produire ces substances intéressantes, uniquement sur la base de la lumière du soleil, du CO2 et de quelques nutriments. Il existe par conséquent un énorme potentiel pour l’utilisation de ces substances.

Culture d'algues Thomas More

Une culture d’algues croît en densité par division cellulaire. Lorsque les conditions le permettent, les algues continuent à se diviser jusqu’à ce qu’une culture atteigne sa densité maximale. À ce point, les algues sont récoltées : la biomasse algale constitue donc le produit même. Dans nos photobioréacteurs fermés, nous atteignons une densité de 1 à 2 grammes de matière sèche par litre, et nous pouvons alors extraire celle-ci. Cette biomasse peut être utilisée directement dans l’alimentation du bétail par exemple, mais nous pouvons également transformer la biomasse, la « fractionner », et en tirer les substances intéressantes. Nous réalisons cette dernière opération sous la forme de bio-raffinage ou d’extraction. La totalité du processus de culture, récolte et transformation des algues constitue un véritable défi, dont chaque étape est importante et doit être exécutée le plus efficacement possible pour rendre l’ensemble rentable.

Des régulateurs de débit massique pour un apport précis

Pour l’optimisation de la croissance, il est important de choisir une algue qui pousse dans les conditions dont nous disposons ici. Toutes les algues n’absorbent pas le CO2 avec la même efficacité, et toutes les algues ne poussent pas avec la même rapidité. Nous étudions à quelles températures les différentes sortes d'algues poussent le mieux, ainsi que la quantité de lumière dont elles ont besoin. Ici sur le campus, nous utilisons la lumière naturelle du soleil : les photobioréacteurs se trouvent dans une serre climatisée. Les algues poussent pendant la journée lorsque le soleil brille, et pas la nuit. Dans le cadre du projet interrégional « EnOp », nous posons la question de recherche suivante : si nous ajoutons du CO2 supplémentaire au réacteur, dans quelle mesure les algues pousseront-elles plus rapidement et quelles sortes d’algues absorberont le plus efficacement le CO2 ? Pour y répondre, nous avons besoin de régulateurs de débit massique, car nous voulons savoir exactement combien de CO2 nous avons ajouté.

Le CO2 est mélangé à l’air entrant qui est dirigé vers le réacteur, le CO2 se dissout ensuite dans le milieu de culture, avec à l’intérieur également d’autres substances nutritives. Étant donné que le CO2 (dioxyde de carbone) est un acide faible, l’acidité du milieu augmente de plus en plus (diminution du pH). Ceci a un effet négatif, car la plupart des algues ont une croissance optimale avec un pH compris en gros entre 7 et 8. Cependant, lorsque les algues poussent, elles absorbent le CO2 du milieu de culture, faisant remonter le pH. Le degré d’acidité est essentiel. Si le pH se retrouve en dehors de la plage souhaitée, les algues ont tendance à vouloir floculer. Les régulateurs de débit massique peuvent alors être également utilisés pour doser le CO2 de telle sorte que le pH demeure stable à un niveau optimal pour l’algue. C’est la raison pour laquelle le système de dosage a été couplé au pH, afin d’injecter le CO2 de la manière la plus optimale possible. De cette façon, nous pouvons voir quelle est la vitesse de croissance maximale de l’algue et combien de CO2 doit être ajouté à cet effet.

Description de l’image

Si une quantité excessive de CO2 est ajoutée, le pH du milieu de culture va chuter fortement (augmentation de l’acidité) et donc l’algue ne va plus pousser suffisamment. Si une quantité insuffisante de CO2 est ajoutée, il n’y a pas de problème en soi mais nous allons constater que l’algue pousse plus lentement, car la croissance est limitée par le manque de carbone. Il existe par conséquent une quantité optimale de CO2 à administrer. Et il y a encore autre chose : le CO2 doit avoir le temps de se dissoudre. Si le CO2 ne se dissout pas, il finit par simplement ressortir du réacteur, ce qui signifie qu’on gaspille du CO2. Le fait que le CO2 soit dissout et absorbé de manière efficace est donc également un facteur dont nous devons tenir compte. La conception du réacteur joue un rôle important à ce titre.

La précision joue donc un rôle majeur dans ce processus. Le régulateur de débit massique fait en sorte que nous puissions travailler en permanence de manière stable autour d’un niveau de pH déterminé et que nous sachions exactement combien de CO2 est ajouté.

... et l’avenir ?

Lorsque ce procédé est élargi pour passer à une échelle de production réelle, la logistique détermine en grande partie d’où est tiré le CO2. En principe, il est possible d’utiliser directement les gaz de fumée d’usines ; mais dans ce cas se pose le problème des substances comme l’oxyde de soufre et l’oxyde d’azote qui sont présentes dans ces gaz de fumée et qui, à certaines doses, freinent la croissance des algues. Mais il existe des solutions techniques pour cela. Reste la question : à quelle distance de la source de CO2 l’usine d’algues peut-elle se trouver au maximum ? Si cette distance est trop importante, le CO2 doit être transporté sous une autre forme contrôlée, par exemple sous forme de bicarbonate. En outre, des unités de captation de CO2 dans l’air peuvent être développées, permettant de capturer du CO2 supplémentaire à l’échelle locale. L’université de Twente y travaille par exemple dans le cadre d’un autre projet interrégional— le projet IDEA — sur la croissance des algues en Europe, auquel le groupe Radius Thomas More participe également. Ceci est possible d’un point de vue technologique, mais on en revient toujours à la question du prix de revient d’une telle technologie.

Source : pour cet article de blog, Jornt Spit est interviewé par Eddy Brinkman (Betase / Bronkhorst)

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