Dr. Christian Monse (IPA)
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Les émissions d’oxydes d’azote (p.ex. NO2) dans notre atmosphère sont désormais devenues une problématique mondiale. Partout, les chercheurs et les développeurs travaillent sur des méthodes de simulation et de mesure qui soient meilleures et plus précises ainsi qu’à l’amélioration des catalyseurs. Ces recherches visent à la fois les procédés de combustions fixes (centrales électriques, production d’acier, matériaux à base chimique…) et les applications mobiles du secteur de l’automobile dans le but de réduire le NO2 par réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction - SCR). L’ammoniac ou les composés formant de l’ammoniac (urée) sont ajoutés pour former de l’azote pur et de l’eau.

NOx est le terme générique qui sert à désigner les principaux oxydes d’azote présents dans la pollution atmosphérique. Il englobe différents oxydes d’azote : le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2). Ici, nous nous intéressons surtout aux radicaux du NO2 et à son dimère le peroxyde d’azote N2O4. Le dioxyde d’azote NO2 est toxique et ses émissions dans notre environnement devraient être maintenues au plus bas. Toutefois, le NO2 est un sous-produit de nombreux procédés de combustion, de sorte que les développeurs techniques industriels tout comme les développeurs de la médecine préventive et du travail sont confrontés à cette substance.

Cependant, cet équilibre pose également le problème de mesure et du contrôle des flux gazeux qui contiennent du NO2 en plus fortes concentrations. C’est notammment le cas lorsqu’on utilise du NO2 à l’état pur, lequel est en équilibre avec sa forme dimérique N2O4, lui-même dépendant de la température et de la pression et, en outre, sensible aux conditions de lumière et de surface (à 27°C seulement 20% de NO2, pour 80% de dimère N2O4). Le mélange est très sensible à l’humidité et, en présence d’humidité, il est susceptible de réagir en acide nitrique (HNO3) et en acide nitreux (HNO2), lesquels sont extrêmement corrosifs.

Mélanges de gaz comportant du NO2

Pour les recherches sur les procédés de combustion produisant des émissions de NO2 ou pour tester / développer de nouveaux catalyseurs, il faut être capable de calculer avec précision le débit de mélanges gazeux comportant du NO2. Ceci s’applique non seulement à la catalyse mais également aux effets du NO2 sur l’organisme et sur l’environnement, dans la mesure où le NO2 , par sa réactivité, est extrêmement toxique.

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Un de nos projets comprend la construction d’un système comportant une bouteille de gaz, une vanne à aiguille, une unité de lavage à contre-courant, des lignes de transfert et un régulateur de débit massique permettant de doser le dioxyde d’azote (NO2) dans une gamme de 0- 6 g/h à pression atmosphérique.

Défis du débit massique thermique

Habituellement, les débitmètres massiques et les régulateurs de débit massique fonctionnent sur des principes de mesure thermique (avec un capteur à bypass, ou selon le principe d’anémométrie de température constante (Constant Temperature Anemometry - CTA). Les capteurs thermiques fonctionnent sur le principe de transfert de chaleur dans le capteur. Cette méthode dépend du type de gaz, puisque le transfert de chaleur dépend directement de la capacité thermique et de la conductivité thermique du gaz à mesurer. Comme l’équilibre NO2 / N2O4 dépend de la température et de la pression, les paramètres du capteur sont susceptibles de varier en permanence. Prendre en compte l’équilibre en utilisant un seul facteur de conversion d’un gaz de référence ne suffit pas, notamment dans le cas de NO2 ou N2O4 à l’état pur. En utilisant des tests gravimétriques, nous avons pu déterminer qu’un sous-dosage massif peut survenir pour un dosage de NO2 pur (environ 10 % de la valeur-cible).

Un autre défi avec l’utilisation d’un régulateur de débit massique à l’état fermé, autrement dit dont le débit est de 0 ml/min, est qu’il peut produire des pseudo-signaux pouvant atteindre 10% de la gamme du dosage maximum. Cela s’explique par le fait que le capteur contient un mélange de NO2 et de N2O4 qui est influencé en permanence par la chauffe active du capteur. En conséquence, il se produit un faux transfert de chaleur dans le dispositif et un débit est relevé.

La solution : l’utilisation d’un régulateur de débit massique Coriolis

La solution consiste ici à choisir un régulateur de débit massique Coriolis plutôt qu’un régulateur de débit massique thermique car ses principes de fonctionnement sont différents. Peu importe que l’équilibre de NO2 et de N2O4 soit plus ou moins d’un côté ou de l’autre, puisque c’est la masse transportée qui compte. Cependant, lorsqu’on utilise un régulateur de débit massique Coriolis, il y a lieu de s’assurer que le médium à mesurer est dans un état physique défini, c’est-à-dire dans un état soit complètement liquide soit complètement gazeux.

Le point d’ébullition de NO2 à pression atmosphérique se situe à 21 °C, de sorte qu’il est possible de réchauffer ici le système de dosage complet, qui comporte une bouteille de gaz, la vanne à aiguille et l’ unité de lavage à contre-courant, les lignes de transfert et le régulateur de débit massique. Puisque le refroidissement par évaporation survient à l’intérieur du régulateur de débit massique lorsqu’on dose le NO2 au point de relâchement de la pression, la température à cet endroit doit être bien plus haute que 21 °C. Il faut au moins atteindre une température de 45 °C pour être sûr que le dosage fonctionne dans la gamme de 0-6 g/h en évitant les fluctuations causées par la condensation et la ré-évaporation du NO2. Dans cette configuration, le mini CORI-FLOW ML120 (lien vers la page produit) de Bronkhorst a été utilisé, c’est l’instrument Coriolis qui présente la plage de régulation de débit la plus faible au niveau mondial. Même ces très faibles quantités de gaz NO2 peuvent être mesurées grâce à cet instrument.

Vérification du dosage d’oxydes d’azote (NO2)

On vérifie la quantité dosée de NO2 par prises de mesure gravimétrique. Le NO2 est transféré via une ligne de transfert chauffée vers un tube en U en verre équipé de robinets d’arrêt, où il est réfrigéré à -50 °C. Après fermeture des vannes d’arrêt, le condensat se réchauffe à la température ambiante et il est pesé. En tout, cinq débits massiques différents ont été testés. Le tableau montre le résultat de la vérification et confirme les très faibles écarts entre les quantités de dosage souhaitées et les quantités réelles. En outre, on voit que le régulateur de débit massique opère linéairement dans la plage testée de 0,1 et 4,0 g/h (points isolés : 0,1 ; 1,0 ; 2,5 et 4,0 g/h avec représentation des barres d’erreurs).

Dosage NO2 par un régulateur de débit Coriolis

Ceci prouve qu’il est possible de contrôler avec précision de petites quantités de NO2 même à des pressions d’admission très faibles. Comme cela a été dit, le dioxyde d’azote (NO2) est une substance provenant du mélange d’oxydes d’azote (NOx). Il est également possible de réduire le niveau de NOx par réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction - SCR). Avec cette réduction catalytique sélective (SCR), on ajoute de l’ammoniac ou des composés formant de l’ammoniac afin de former de l’eau et de l’azote pur.

Dans un post précédent, Chris King explique ce procédé et décrit comment la mesure des débits massiques contribue à contrôler l’ammoniac. Pour en savoir plus, cliquez sur ce lien : La mesure du débit massique dans le contrôle de l'ammoniac pour éviter les amendes

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