Fabrication contrôlée de nanotubes de carbone : un matériau de l'avenir

L’université de Cambridge, en collaboration avec Bronkhorst, travaille sur un réacteur pour contrôler la fabrication des nanotubes de carbone. Découvrez ce fascinant projet.

John S. Bulmer (Université de Cambridge)
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En tant que scientifique à l'Université de Cambridge, je suis impliqué de très près dans un projet fascinant sur les nanotubes de carbone. En coopération avec Bronkhorst, nous travaillons sur un réacteur permettant de contrôler la fabrication de ce matériau exceptionnellement résistant et conducteur. Je vais vous en dire plus sur ce sujet et pourquoi je pense que les nanotubes de carbone sont un matériau de l'avenir.

Histoire et avenir des nanotubes de carbone (CNT)

Au départ, le carbone se présentait sous trois formes moléculaires :

  • diamant
  • graphite
  • carbone amorphe

Soudain, au milieu des années 80, une nouvelle forme moléculaire a fait surface dans la recherche et a enflammé le champ pluridisciplinaire de la nanotechnologie. Cette molécule tout carbone, le fullerène de Buckminster, est une cage d'atomes de carbone de taille nanométrique avec une structure moléculaire qui ressemble à un ballon de football.

Quelques années plus tard, un autre cousin du carbone moléculaire faisait son apparition : les nanotubes de carbone (CNT). Similaire au fullerène de Buckminster, la structure de ballon de foot est fortement allongée en un tube d'une largeur nanométrique et d'une longueur qui est des millions de fois plus grande que son diamètre. Fait scientifique captivant, les liaisons carbone puissantes du CNT avec sa structure moléculaire ordonnée en font le matériau le plus solide jamais construit. Les électrons, en tant que conducteurs unidimensionnels stables, glissent le long du CNT sans aucun effort, ce qui fait que la conductivité électrique du CNT est quatre fois plus grande que celle du cuivre avec une capacité de transport du courant maximale qui est 1000 fois supérieure à celle du cuivre.

Modèle 3D de fullerène de buckminster Photo : modèle 3D de fullerène de Buckminster

Au début des années 2000, les chercheurs ont créé des procédés pour fabriquer des textiles composés de CNT dotés d'une microstructure regroupée et alignée avec densité. Au départ, les propriétés générales des textiles en CNT étaient bien en-deçà des formidables propriétés de leurs molécules individuelles. Après une amélioration sans relâche, la fibre de CNT de pointe est tout aussi solide que la fibre de carbone conventionnelle et sa conductivité est multipliée par quatre environ. Grâce au développement continu, nous comptons obtenir des fibres de CNT qui soient significativement plus résistantes que la fibre de carbone conventionnelle avec une conductivité électrique et thermique supérieures aux métaux traditionnels comme le cuivre et l'aluminium.

Les fibres de nanotubes de carbone trouvent leur application dans les textiles résistants aux déformations (vêtements de protection, gilets pare-balles), les composites, les matériaux composés de construction (céramiques, carcasses de voiture plus légères) et les câbles du fait de leur résistance. L'utilisation des nanotubes de carbone pourrait avoir un impact énorme sur la vie quotidienne, similaire à la façon dont les plastiques ont changé le monde au milieu du 20ième siècle.

Nanotubes de carbone (CNT) à l'Université de Cambridge

Notre laboratoire a inventé un procédé de production qui crée non seulement des nanotubes de carbone dans des volumes compétitifs sur le plan industriel mais qui le fait avec une perfection graphitique inégalée pour obtenir un textile macroscopique à microstructure alignée, et ce en une seule étape de production. Ce procédé de production est intrinsèquement plus simple que les autres procédés de production de fibres comme la fibre de carbone conventionnelle et le Kevlar.

Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (F-CVD) employé dans ce procédé nécessite uniquement une source de carbone (toluène), une source de catalyseur (ferrocène) et un promoteur à base de soufre (thiophène) qui sont mélangés ensemble et alimentés dans un réacteur à tubes à 1300°C par un gaz porteur (hydrogène). Un nuage de CNT flottant est formé. L'extraction mécanique du nuage de CNT hors du réacteur à tubes condense le nuage en une fibre dense à microstructure alignée. C'est ce que l'on appelle le "CNT spinning" ou le "filage de CNT". Du personnel spécialement protégé, appelé également "fileur", extrait mécaniquement le nuage de CNT en formant une fibre.

La régulation constante du réacteur reste cependant un défi. Les propriétés du CNT varient considérablement entre les passes et le lien entre les paramètres d'entrée contrôlés et non contrôlés du réacteur n'est pas encore complètement élucidé à ce jour.

Contrôle du réacteur de nanotubes de carbone

Notre programme vise à mettre en œuvre une boucle de commande solide pour contrôler les propriétés de matériau du CNT du réacteur. Chaque variable d'entrée et de sortie du réacteur qui sont des propriétés de matériau de CNT spécifiquement sélectionnées, sont mesurées et enregistrées automatiquement dans une base de données ; cela va des conditions météorologiques extérieures, aux opérateurs, à l'âge du tube, aux concentrations de précurseur, aux flux gazeux, etc... La base de données est constamment explorée pour les corrélations, l’interaction des paramètres et les modèles de régression linéaire multidimensionnels qui fournissent des prédictions statistiques sur le comportement du réacteur à l'aide du logiciel exploratoire de données JMP™.

Par exemple, la figure 1 montre un modèle statistique pour le rapport G:D du matériau, soit le rapport entre le graphite (G) et les défauts graphitiques (D) par spectroscopie Raman, indiquant le degré de perfection graphitique. Le modèle est une fonction de différents paramètres d'entrée du réacteur que l'on a considéré comme étant les plus significatifs sur le plan statistique quant au rapport G:D. Sur l'axe horizontal du tracé ci-dessous, on peut voir les valeurs de prédiction de G:D du modèle et sur la verticale, les valeurs réelles mesurées. Dans un modèle parfait avec un contrôle parfait, on aurait une ligne droite à 45 degrés. On voit nettement que les points de données sont largement répandus le long de la ligne rouge, ce qui indique un bas niveau de régulation du réacteur.

GD ratio

Figure 1

Le paramétrage a consisté ici à simplement mélanger les précurseurs ensemble (toluène, ferrocène et thiophène) et à injecter la solution dans un gaz porteur hydrogène par le biais d'une simple pompe à engrenages. Il est apparu évident qu'un système plus sophistiqué était nécessaire pour une meilleure régulation du réacteur.

Solution de Bronkhorst pour la régulation du réacteur de nanotubes de carbone

La Figure 2 montre notre système amélioré. Les précurseurs liquides séparés sont désormais régulés indépendamment avec des instruments à effet Coriolis de Bronkhorst (gamme mini CORI-FLOW). Les débitmètres massiques à effet Coriolis fournissent des débits massiques précis sans devoir ré-étalonner entre des précurseurs différents, ce qui facilite grandement les essais de différentes recettes de CNT. Bronkhorst est le seul qui soit parvenu à appliquer le principe de l'effet Coriolis haute précision bien connu à une échelle extrêmement réduite en appliquant la technologie MEMS.

Schéma réacteur nanotubes de carbone

Figure 2

Les débits sont situés dans une plage allant jusqu'à 200 g/h pour le toluène et même en-dessous de 100 mg/h pour le thiophène. Les gaz porteurs hydrogène sont régulés par les régulateurs de débit massique robustes et prêts à l'utilisation de Bronkhorst. Enfin, les précurseurs dosés avec précision sont vaporisés et combinés aux gaz porteurs hydrogène régulés, par technologie de vaporisateur.

GD ratio

Figure 3

Avec cette nouvelle instrumentation plus sophistiquée, la modélisation statistique du réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant est bien plus efficace. Ici, les valeurs réelles opposées à celles prévues pour la perfection graphitique sont beaucoup plus satisfaisantes, comme le montre la figure 3. Ce modèle a essentiellement moins de bruit, ce qui signifie que la réponse du réacteur est prévisible et reproductible. Jusqu'à présent, avec ce système de réacteur contrôlable et bien modélisé, nous avons plus que doublé les vitesses types de production de CNT et triplé le degré de cristallinité graphitique.

Contactez Bronkhorst

Si vous travaillez dans le domaine de la technologie des réacteurs, n'hésitez pas à nous contacter pour des solutions pour vos procédés. Contactez-nous pour de plus amples informations.

Continuez à suivre nos actualités ! Avec Bronkhorst et d'autres partenaires commerciaux, universitaires et gouvernementaux importants, nous espérons surpasser bientôt la fibre de carbone conventionnelle !

5 bonnes raisons qui montrent que le dosage d'additifs par débitmètre Coriolis, fait gagner en efficacité les procédés de fabrication de plastiques

5 bonnes raisons qui montrent que le dosage d'additifs par débitmètre Coriolis, fait gagner en efficacité les procédés de fabrication de plastiques

Angela PULS
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Nous utilisons au quotidien des plastiques ou des polymères sous de nombreuses formes différentes, en tant que produit jetable comme le film d'emballage ou en tant que composant longue durée dans le secteur automobile, dans la construction ou encore dans les équipements sportifs et les jouets.

Aujourd'hui, les plastiques sont faits à façon pour les applications particulières, en fonction des propriétés souhaitées. Ainsi, les propriétés telles que la dureté, la capacité au moulage (ou la formabilité), l'élasticité, la résistance à la traction, la température, la résistance aux rayonnements et à la chaleur peuvent être ajustées, de même que la résistance chimique et physique peut être adaptée à la fonction souhaitée.

Cette grande variété peut être modifiée dans de larges limites par le choix des matières premières (macromolécules), le procédé de production et les additifs. Les macromolécules respectives sont des polymères d'unités moléculaires à répétition régulière. Le type de réticulation et les additifs utilisés déterminent les propriétés finales du matériau. En 2016, la production mondiale de plastiques pour les matériaux en vrac et les films s'élevait à plus de 300 millions de tonnes (source : BMBF) dont près d'un tiers a été produit en Chine. L'Europe et l'Amérique du Nord suivent avec un peu moins de 20 pourcents chacun.

Dosage précis pour une efficacité opérationnelle et une réduction des déchets non nécessaires

Les additifs types du secteur des plastiques sont les agents antistatiques, les teintures, les agents ignifuges, les charges, les lubrifiants, les colorants, les stabilisants et les plastifiants. Nombre de ces additifs sont liquides. Le dosage précis de ces additifs conduit à une meilleure efficacité opérationnelle et à une réduction des déchets.

Les additifs sont fréquemment ajoutés en utilisant des vannes manuelles à aiguille, ce qui ne coûte pas cher, mais présente toujours un risque de mauvais fonctionnement du fait de la fluctuation à l'intérieur du procédé (par ex. pression et température). En particulier, l'utilisation de plastifiants est de plus en plus critiquée car une partie de ces substances est directement absorbée par les êtres humains ou s'accumule dans la chaîne alimentaire.

Avec la technologie de dosage CORI-FILL déjà éprouvée, Bronkhorst offre un réglage facile pour garantir la précision et la reproductibilité requises. En combinant un mini CORI-FLOW avec une pompe ou une vanne appropriée, les fluides peuvent être dosés en continu ou en lots (batch) dans le réacteur, avec une reproductibilité élevée. Ces systèmes peuvent être intégrés ou utilisés comme ajout dans des procédés et des lignes de production déjà en place.

Débitmètre mini Cori-Flow avec pompe de dosage

débitmètre mini CORI-FLOW combiné à une pompe Tuthill

5 raisons qui font qu'avec le dosage d'additifs par un instrument à effet Coriolis, le procédé gagne en efficacité pour les fabricants de plastiques

  • Pas besoin de (ré)étalonnage spécifique sur site – la mesure et donc la régulation de débit sont indépendantes de la nature du fluide
  • Possibilité de mesurer le gaz et le liquide avec le même capteur
  • Capacité à mesurer un mélange inconnu ou de composition variable
  • Paramètres multiples
  • La technologie CORI-FILL™ comporte une fonction de compteur de dose intégrée (batch) et permet de contrôler directement les vannes d’arrêt ou les pompes

Regardez le principe de fonctionnement du débitmètre massique à effet Coriolis avec une pompe de dosage

Vous voulez en savoir plus sur l'amélioration des performances des pompes de dosage ? Lisez l'article de blog de James Walton dans lequel il parle des pompes de dosage alliées à des régulateurs de débit massique à effet Coriolis.

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Traitement anti corrosion grâce à la régulation de faible débit.

L'utilisation d'un système de régulation faible débit peut vous aider à doser des quantités précises d'inhibiteurs de corrosion. L'injection de la quantité précise d'inhibiteurs de corrosion est cruciale, il détermine l'efficacité et minimise l'impact environnemental d'un système.

Jos Abbing
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Ayant assisté à des applications industrielles extrêmes depuis de nombreuses années, j’ai pu constater à plusieurs reprises les conséquences fâcheuses de la corrosion. Les coûts globaux liés à la corrosion sont immenses : plus de 2000 milliards d’euros, selon NACE. Près de 60% est attribué au secteur industriel. L’industrie chimique, l’industrie de transformation et l’industrie pétrolière/gazière en particulier ont des coûts supérieurs à la moyenne.

Ces secteurs doivent faire face à des environnements difficiles et des conditions de procédé contraignants en production et en exploitation, y compris dans les utilités, comme les systèmes de transfert de chaleur et de transmission, distribution et stockage de gaz et liquides. La prévention ou le contrôle de la corrosion par inhibition s’avère souvent être une solution économique.

L’utilisation d’un système de régulation bas débit peut vous aider à doser de manière plus précise les quantités des inhibiteurs de corrosion. La précision est un élément crucial, elle influe fortement l’efficacité et permet de réduire l’impact environnemental d’un système d’inhibition.

Facteurs de corrosion généraux

En fait, tous les métaux ont tendance à se corroder ou à se dissoudre à un certain degré. La corrosion est un processus naturel qui transforme les métaux en une forme chimiquement plus stable. Le procédé principal et l’environnement ambiant ont un impact majeur sur les risques de corrosion, comme l’oxygène, la teneur en eau, le niveau d’acidité, la température et d’autres facteurs.

Schéma facteurs de la corrosion

En influençant les principaux facteurs, on peut arrêter ou ralentir suffisamment la corrosion et l’inhibition peut jouer un rôle important dans ce processus.

Au niveau de la conception, les solutions retenues pour la résistance à la corrosion, notamment par la sélection des matériaux les plus compatibles, l’épaisseur matérielle additionnelle et l’application de revêtements protecteurs, peuvent être initialement préférable à l’inhibition sur le plan technique. Par ailleurs, l’endommagement du métal par des particules abrasives, la fatigue ou le stress mécanique ou la cavitation peuvent entraîner des processus de corrosion qui ne peuvent pas être suffisamment maîtrisés par l’inhibition.

Cependant, la prévention ou le contrôle de la corrosion par inhibition s’avère souvent être une solution économique dans de nombreuses autres situations, en améliorant la durée de vie tout en diminuant les coûts opérationnels et l’impact environnemental. En voici quelques exemples pertinents.

Exemples de corrosion métallique

Divers facteurs et causes peuvent provoquer la corrosion :

Principe d'anode-cathode

La corrosion galvanique résulte du contact électrique de deux métaux différents. Lorsqu’ils sont exposés à un électrolyte, une migration d’ions de l’anode à la cathode engendre la libération d’électrons libres. Le métal le plus noble (cathode) est protégé et le métal plus actif (anode) a tendance à se corroder.

La corrosion électrochimique qui entraîne la libération d’électrons des éléments anodiques, est liée ou impliquée dans de nombreux autres processus de corrosion, comme la corrosion caverneuse (par crevasses) ou la corrosion par piqûres.

Un autre exemple est la corrosion chimique, souvent induite par de puissants oxydants, qui peut ne pas être accompagnée d’un courant électrique.

La corrosion biologique est causée par la présence et la croissance de micro-organismes. Leur présence directe ou le produit de corrosion causé par l’activité métabolique des organismes endommage le métal, ce qui peut également mener à une corrosion par piqûres ou crevasses.

Classement des inhibiteurs

Une substance inhibitrice sert à ralentir ou à prévenir les dommages causés par la corrosion afin de les limiter à un degré acceptable. La plupart des inhibiteurs de corrosion utilisés sont des mélanges multicomposants. D’importants exemples d’inhibiteurs (en phase liquide) sont repris ci-après.

Classement des inhibiteurs

Les inhibiteurs environnementaux ou absorbeurs contrôlent la corrosion en réduisant ou en éliminant les propriétés corrosives dans le milieu, souvent par la réduction d’oxygène.

Les inhibiteurs filmants forment un film protecteur sur le métal, l’isolant ainsi du milieu corrosif.

L’inhibiteur anodique facilite la formation d’une couche passive qui bloque le processus anodique. La concentration critique de l’inhibiteur est essentielle pour assurer l’efficacité et éviter l’accélération de la corrosion, causée par une trop haute concentration de l’inhibiteur.

L’inhibiteur cathodique diminue le degré de corrosion en réduisant la concentration en oxygène ou en augmentant la surtension de la libération d’hydrogène (poison) et en formant un précipité (dépôt) sur des zones cathodiques spécifiques (précipitateur), afin de constituer un film protecteur.

Les inhibiteurs mixtes ou organiques peuvent modérer à la fois le principe anodique et cathodique, notamment par l’adsorption, la chimisorption et la formation de film. Un processus d’adsorption (physique) est relativement rapide, mais plus facilement enlevé d’une surface, ce qui nécessite un contrôle vigilant. La chimisorption est un processus d’adsorption chimique, causé par une réaction sur une surface exposée, créant une liaison électronique entre un élément chimique et la surface adsorbée. Plus la concentration est élevée, plus la protection est grande, avec une limite maximale. En dépassant la concentration maximale, on constate souvent une accélération de la corrosion.

Permettre un contrôle plus intelligent du dosage

Un système inhibiteur de corrosion ajoutera (inhibera) des produits chimiques (bio) en basse concentration dans le processus. L’efficacité d’un système d’inhibition dépend fortement de l’injection d’une quantité correcte. La bonne quantité à injecter est également tributaire des conditions environnementales et de traitement.

Inhibiteur de corrosion Ex Zone 1 avec régulateur de débit massique Coriolis

La fraction pondérale requise du mélange traditionnel de biocides, autre substances inhibitrices, agents, surfactants et régulateurs de PH peut varier, par ex. entre 0,001 et 0,1 % du poids. Le système d’inhibition injecte une faible quantité en parties par million (PPM) pour atteindre de basses concentrations afin d’être efficace. Des systèmes de dosage continus et ponctuels sont utilisés, en fonction de la situation.

Les méthodes traditionnelles comprennent souvent des pompes à piston réglables manuellement avec clapets anti retour. La régulation du débit, par adaptation de la longueur de course, est souvent réalisée de manière empirique avec chronométrage et jauges graduées. Cette approche traditionnelle rend pratiquement impossible la compensation active des changements de conditions de traitement, comme les variations de température (causés par le jour/la nuit). Cela peut résulter en un mauvais réglage de débit, une utilisation accrue de produits chimiques, un impact environnemental plus important et provoquer un surdosage (!) de produits chimiques dans des conditions de fonctionnement normales.

Contrôle précis du débit

Un contrôle précis du débit permet des applications plus économiques avec un impact environnemental moindre. Une bonne précision et une large gamme de réglage sont obtenues à partir d’une mesure de la masse directe avec le mini Cori Flow. Le débitmètre massique peut aussi directement contrôler les vannes et pompes grâce à la carte de régulation PID intégrée et peut être optimisé avec un contrôle / commande d’automate ou un IHM augmentant à la fois la performance et la flexibilité.

Système de dosage Coriolis

Notre approche par système de dosage Coriolis, avec interface numérique, permet d’avoir la surveillance, le contrôle et l’historique des taux d’injection en temps réel. Il est ainsi possible de vérifier en ligne les débits et de régler instantanément la consigne requise. La gestion du parc des équipements et l’entretien préventif sont assistés par plusieurs diagnostics actifs, comme des alertes de statut intégrées, un suivi du sens du fluide, une alerte de changement de densité, une totalisation monopoint ou multipoints pour le calcul des coûts, une alarme de réservoir vide et un programme de protection de la pompe.

Bronkhorst donne régulièrement son support à des applications sur le terrain et à des projets de recherche R&D avec un savoir-faire étendu en matière de traitement de fluides à bas débit. Nous soutenons avec conviction les recherches en cours pour des solutions encore plus respectueuses de l’environnement, comme les inhibiteurs à base d’éléments biodégradables.

Les inhibiteurs de corrosion sont aussi utilisés dans d’autres types d’industrie, comme dans les services de distribution d’eau. Consultez notre article sur l’ajout de phosphates à l’eau potable comme inhibiteurs de corrosion afin d’éviter le lessivage du plomb et du cuivre dans les tuyauteries : mass flow meter to enhance water processing for securing the public health

Les régulateurs de débit massiques Coriolis de Bronkhorst peuvent être la solution idéale pour inhiber la corrosion. Consultez notre ligne de produits Coriolis.

Contrôler une pompe à l'aide d'un régulateur de débit massique peut optimiser la couleur du détergent

Découvrez comment le contrôle d' une pompe à l'aide d'un débitmètre massique Coriolis permet de doser des colorants liquides de manière appropriée.

Ron Tietge
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Les régulateurs de débit massique avec le contrôle d’une pompe offrent des solutions uniques de dosage précis pour les produits chimiques ménagers tels que les détergents et les produits de nettoyage.

Utiliser le contrôle de la pompe pour doser les colorants non dilués

Les grandes entreprises de produits ménagers du monde entier utilisent des colorants liquides pour ajouter de la couleur à leurs détergents, à leurs produits de lavage et de nettoyage. Les colorants sont très concentrés et, souvent, une petite quantité suffit pour donner la bonne couleur au produit fini.

Les deux exigences les plus importantes sont par conséquent :

  • La reproductibilité : l'uniformité de la couleur du produit final est d'une importance capitale, car chaque flacon doit être de la même couleur. Le dosage de la couleur doit donc être d'une régularité invariable.
  • L'exactitude : les colorants ayant tendance à ne pas être bon marché, un dosage précis du colorant est fortement souhaitable.

Comment doser ces colorants liquides de manière appropriée ?

La première solution qui vient à l'esprit consiste à utiliser une pompe pour doser le colorant. Cette manière de doser n'est cependant pas très précise, du moins pas pour cette application. Associer une pompe à un régulateur de débit massique Coriolis vous permettra de contrôler la pompe et par conséquent, le dosage, de manière beaucoup plus précise.

Débitmètre Coriolis et pompe

Comment fonctionne le contrôle de la pompe ?

Le débit généré par une pompe est un débit volumétrique, avec toutes les caractéristiques que cela implique. La précision dépendra fortement des propriétés du fluide, et le débit dépendra de la température et de la pression. En outre, la plupart des pompes ne peuvent pas gérer une fluctuation de la contre-pression, car cela entraîne une instabilité et d'importantes déviations du débit.

Une méthode pour améliorer l'exactitude consiste à mesurer le débit de la pompe avec un débitmètre massique Coriolis, puisque ces instruments mesurent le véritable débit massique (en kg/h, g/h, etc.). La sortie du débitmètre est souvent reliée à un régulateur PID qui corrige la fréquence de rotation (tr/min) de la pompe. L'un des inconvénients de cette méthode est que le débit d'une pompe n'est pas stable, ce qui oblige à filtrer le signal de sortie, qui subit par conséquent un ralentissement. Parce que ce signal est aussi utilisé comme signal de commande, la réponse et le contrôle seront ralentis.

Utiliser un régulateur de débit massique Coriolis pour contrôler la pompe

Pour éviter cela, vous pouvez utiliser un débitmètre massique Coriolis avec régulateur PID intégré et signal de commande séparé pour contrôler la vitesse de la pompe. Parce que ce signal de commande, contrairement au signal de sortie, ne subit pas l'interférence du filtre, la combinaison du débitmètre et de la pompe peut atteindre une stabilité et une vitesse de contrôle sans équivalent. En cas de changement de la contre-pression, le débit est immédiatement corrigé par une accélération ou un ralentissement presque instantané du fonctionnement de la pompe, ce qui assure le maintien de la précision requise.

Cette méthode de mesure du débit est indépendante des propriétés des fluides, et il n'est donc pas nécessaire de recalibrer ou de faire appel à des facteurs de conversion en cas de changement de liquide.

Contrôle de la pompe à bas débit

Dans notre exemple de dosage de colorants liquides, un régulateur de débit massique Coriolis à débit (ultra) faible permet de doser du colorant non dilué. Il devient dès lors superflu de mélanger le colorant avec de l'eau pour créer un débit suffisamment élevé. Non seulement le colorant non dilué est beaucoup plus concentré et donc, d'une qualité bien meilleure que les mélanges avec de l'eau, mais il est également possible d'économiser l'eau et d'éviter le développement d'algues à l'intérieur de l'équipement.

Vous voulez en savoir plus?

Vous pouvez consulter nos systèmes de dosage liquide sur notre site.

Comment réguler et mesurer le débit d’un fluide supercritique?

Comment mesurer et régulaer le débit d'un fluide supercritique comme le CO2?

Mickaël Soobaroyen
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Je travaille au sein de la société Bronkhorst France depuis plus de 10 ans et il faut bien avouer que le métier de l’instrumentation m’amène, encore aujourd’hui, à découvrir un grand nombre d’applications dans des secteurs variés tels que l’industrie chimie, l’industrie environnementale ou les domaines de la recherche pour lesquels des solutions de régulation et de mesure de débit s’avèrent généralement essentielles. Parmi ces applications, celles qui emploient des fluides supercritiques sont souvent complexes du fait même de l’état de ces fluides.

C’est lors d’une visite que j’ai rencontré Jérémy Lagrue, dirigeant et fondateur de SFE PROCESS avec qui je discutais de l’utilisation des débitmètres Coriolis dans les procédés de CO2 supercritique.

Qu’appelons-nous un « fluide supercritique » ?

A titre d’exemple, le CO2 supercritique se réfère au dioxyde de carbone qui, à l’état de fluide, est soumis à une température et à une pression égales ou supérieures à leur point critique et dont ces conditions lui confèrent des propriétés plutôt inhabituelles. La densité, la viscosité et la diffusivité du fluide sont alors intermédiaires entre celles de la phase liquide et celles de la phase gazeuse.

Le CO2 supercritique dans les procédés d’extraction

Selon moi, le plus connu des fluides supercritiques est le CO2 supercritique. Ce fluide est un important solvant commercial et industriel en raison de son rôle dans l’extraction chimique, sa basse toxicité et son faible impact sur l’environnement.

On peut retrouver le CO2 supercritique dans les procédés d’extraction d’algues, des huiles , des arômes et des principes actifs. Il est également utilisé dans les techniques de fractionnement pour les boissons fermentées, la désodorisation de corps gras dans le domaine de la cosmétique et les procédés de purification des polymères.

Ce fluide inerte est intéressant car il atteint sa phase supercritique à une pression (73.8 bara) et une température (31.1°C.) relativement faibles. La basse température du procédé et la stabilité du CO2 permettent d’extraire la plupart des composés avec peu de dommage ou de dénaturation.

Le dioxide de carbone se comporte habituellement comme un gaz à la température et à la pression standard (STP) ou comme un solide appelé carboglace ou glace sèche lorsqu’il est gelé. Si la température et la pression sont toutes deux augmentées et passent du STP au point critique du CO2, il peut adopter des propriétés à mi-chemin entre celles d’un gaz et celles d’un liquide. Plus précisément, il se comporte comme un fluide supercritique au-delà de sa température critique (31.1°C) et sa pression critique fait qu’il se dilate comme un gaz pour remplir son contenant mais avec une densité similaire à celle d’un liquide.

Mais surtout, le CO2 offre l’avantage d’être inodore, non toxique et non inflammable. Il n’altère pas le produit à extraire ou à purifier.

Diagramme fluide supercritique

Diagramme CO2 supercritique

Pour des raisons environnementales, de plus en plus d’industries tendent à utiliser le CO2 supercritique dans leur procédé puisqu’il se positionne comme une alternative aux solvants organiques. En effet, contrairement aux solvants qui sont produits à partir de pétrole, le CO2 est disponible et abondant naturellement, il est de ce fait moins coûteux. Néanmoins, il existe très peu de solutions pour le mettre en œuvre car installer un tel système reste onéreux.

Qu’est-ce que SFE Process ?

Jérémy Lagrue - fondateur SFE Process

Jérémy Lagrue - Directeur et fondateur de SFE Process

Jérémy Lagrue: “Chez SFE Process, nous travaillons sur des applications nécessitant des équipements haute pression. La spécialité de SFE Process est la production de machines et de dispositifs spécifiques pour les fluides supercritiques (comme le CO2). Nous proposons aussi des conseils, notamment en métrologie, de la maintenance et des formations. SFE Process a développé un design novateur de pompes haute pression pour les procédés de fluides supercritiques, utilisées soit pour compresser le CO2 liquide jusqu’à 1000 bar soit pour la recirculation à l’état supercritique.

Débitmètre Coriolis et pompe SFE Process

Débitmètre Mini-Coriflow et pompe SFE Process

Quel problème souhaitait résoudre SFE Process?

“Nos clients, qu’ils soient acteurs dans le secteur de l’industrie chimique, biotechnologique ou pharmaceutique, veulent injecter du CO2 dans un procédé de séparation ou de fraction des molécules. Dans le cas qui nous intéresse, l’objectif est de séparer les molécules. Pour se faire, de l’équipement spécial est nécessaire. SFE Process fabrique ce type de matériel, notamment des pompes pour générer le débit de ce fluide particulier. Ces pompes doivent répondre aux exigences de stabilité, répétabilité et de précision.”

Quelle solution SFE Process a-t-elle choisie?

“Je voulais offrir à mes clients la possibilité d’établir le bilan matière de leur procédé chimique. Pour avoir travaillé depuis longtemps avec bon nombre d’industries et de laboratoires, je connais l’importance du paramètre débit pour déterminer l’efficacité du procédé, ses coûts de production, son rendement et réaliser le passage de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle.”

SFE Process a une bonne expérience du CO2 supercritique mais elle avait besoin de prouver la fiabilité de l’équipement et devait garantir que l’injection de CO2 était très précise et répétable.

“La difficulté était de trouver un débitmètre fiable et précis, capable de garantir la véracité des résultats et bien sûr qui se prête parfaitement aux utilisations de CO2 supercritique. J’ai choisi le débitmètre Coriolis proposé par Bronkhorst. En plus du design, la réputation de ce débitmètre et la garantie constructeur de 3 ans ont orienté ma prise de décision et les essais effectués avec ce débitmètre m’ont confortés dans ce choix.”

Quels sont les résultats de cette solution?

“Je vois les bénéfices que le débitmètre apporte aux clients finaux : ils peuvent s’assurer de la quantité de fluide qu’ils injectent dans leur procédé. SFE process peut justifier d’une grande précision et répétabilité de la pompe à travers la mesure du débit faite par le débitmètre Coriolis. On constate l’amélioration de la précision.

J’ai intégré le débitmètre Coriolis dans tous les équipements que je propose aux utilisateurs ayant le besoin fondamental de constituer leur bilan matière et de se référer à une valeur de débit fiable.”

En savoir plus sur les Coriolis utilisés dans cette solution.

Visionner la vidéo du principe de fonctionnement de nos Coriolis.

Systèmes personnalisés de mesure des faibles débits pour aider des Solution Factories gagnantes

Découvrez les raisons que les entreprises ont de créer leurs propres skids personnalisés pour mesurer les débits de gaz et de liquides.

Arjan Bikkel
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Chez Bronkhorst, nous avons observé une augmentation de la demande de skids, ces systèmes personnalisés composés de plusieurs types d'instruments tels que des débitmètres pour liquides, pour gaz et un évaporateur. Dans ce billet, nous expliquons pourquoi nous pensons qu'il existe une corrélation entre une demande croissante de skids et la capacité à faire face à la concurrence dans un secteur concurrentiel.

Les Solution Factories européennes

Notre réaction a été déclenchée par une publication de la Havard Business Review signée S.E. Chick, A. Huchzermeier, S. Netessine qui, comme d’autres, ont analysé les applications de l'industrie manufacturière européenne se considérant comme « excellentes » dans la fabrication et ayant remporté des prix d'excellence industrielle. Il est remarquable que, malgré l'existence de règles très strictes concernant le travail, les installations, le matériel et une main d'œuvre relativement coûteuse en Europe, les usines qui ont remporté un prix d'excellence industrielle ont toutes prospéré dans des secteurs hautement concurrentiels.

Les quatre facteurs distinctifs décrits dans l'article comme étant à la base de cette réussite des fabricants européens sont les suivants :

  • Leur capacité à exploiter les flux de données pour s'intégrer étroitement avec leurs partenaires de la chaîne d'approvisionnement.
  • Leur capacité à optimiser la valeur client sur l'ensemble de la chaîne, pas seulement sur la partie qui les concerne.
  • Leur capacité à exploiter leurs compétences techniques afin d'offrir un haut degré de personnalisation des produits pour leurs clients.
  • Leur capacité à coopérer avec les fournisseurs afin d'améliorer rapidement leurs processus de fabrication.

En bref, les entreprises manufacturières gagnantes travaillent avec des partenaires pour fabriquer des solutions pour d'autres partenaires. C'est un privilège pour Bronkhorst de travailler en étroite collaboration avec ses clients à la conception de designs personnalisés intelligents qui les aident à satisfaire leurs besoins spécifiques. Un skid est un système personnalisé basé sur un concept standard. Personnaliser un concept standard en tirant parti de l'expérience et du savoir-faire de nos clients et des nôtres en tant que spécialistes des faibles débits, constitue une offre attractive pour de nombreuses entreprises gagnantes de l'industrie, pour plusieurs raisons. Nous aimerions partager avec vous les raisons pour lesquelles nous pensons que les clients s'associent avec nous pour créer leur propre skid.

Les quatre raisons pour lesquelles les skids sur mesure sont populaires

1. L'accent mis sur les activités essentielles - Les entreprises mettent de plus en plus l'accent sur leurs activités de base. Elles attendent de leurs fournisseurs qu'ils leur livrent des solutions complètes plutôt que des instruments individuels. Nous concevons le skid avec nos clients et leur offrons une solution dans laquelle tous les instruments et accessoires ont été intégrés. L'approche « solutions » est expliquée plus en détail dans cette vidéo.

2. L’achat auprès d'un seul fournisseur - Sur un skid, nous pouvons intégrer des débitmètres (Coriolis ou thermiques), un évaporateur, des capteurs d'humidité relative, des transmetteurs de pression, des pompes, des réservoirs et d’autres types d’instruments. Tous les tubes internes du skid sont assemblés par Bronkhorst. Ainsi, les clients peuvent acheter une solution complète à un fournisseur unique plutôt que des instruments individuels à plusieurs fournisseurs. Le skid testé, est prêt à être utilisé par le client. En outre, la solution fait l'objet de tests de pression et d'étanchéité et est livrée avec son manuel d'utilisation. En prime, nos skids sont basés sur des plateformes standards éprouvées pour un temps de mise sur le marché conforme aux attentes de nos clients.

3. Conception sur mesure - Les produits personnalisés, le support et les services d'après-vente aident les clients à se démarquer sur un marché concurrentiel. Chaque skid est spécifiquement conçu pour répondre aux besoins du client. Même si celui-ci n'a besoin que d'un seul skid, nous proposons une solution. Nous offrons par ailleurs des services de support et d'après-vente qui répondent aux besoins de chaque client.

4. Design compact - La tendance à la miniaturisation s'étend partout. Des composants de petite taille demandent une quantité plus faible de matières premières, aussi bien pour la production que pour l'utilisation (de produits chimiques). Les clients qui utilisent des machines high-tech souhaitent disposer d'un équipement le plus compact possible carla surface occupée au sol est coûteuse, plus particulièrement dans les salles blanches qui abritent les machines utilisées pour la fabrication de panneaux solaires et de microcircuits. Un skid peut être une solution très compacte intégrant plusieurs instruments.

Les Solution Factories Européennes

Source : Europe’s Solution Factories, de S.E. Chick, A. Huchzermeier et S. Netessine, Havard Business Review, avril 2014