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.

Utilisation de débitmètres massiques dans l'industrie automobile

Les débitmètres et régulateurs de débit de Bronkhorst sont utilisés dans l'industrie automobile. Dans cet article de blog, nous évoquons différentes applications.

Marlies SLUTTER
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L'industrie automobile est le plus grand secteur industriel du monde. Quelques données en bref :

  • Près de 99 millions de véhicules automobiles sont produits chaque année (source : Association des constructeurs européens d'automobiles).
  • Les plus grands pays producteurs automobiles au monde sont la Chine, le Japon, l'Allemagne, l'Inde et la Corée du Sud (2017).
  • Il existe de grands écarts en termes de distance annuelle moyenne parcourue en voiture dans chaque pays. Aux États-Unis, ce chiffre tourne autour des 21.500 km/an. En Europe, la moyenne s'élève à 12.000 km/an (source : Odyssee).
  • Une voiture est composée, en moyenne, de 30.000 éléments (source : Netstar).

Nombreuses sont les personnes qui se rendent à leur travail et en vacances en voiture. J'en fais d'ailleurs partie. J'utilise ma voiture tous les jours, mais, en conduisant jusque Ruurlo, je ne m'étais jamais rendu compte que les débitmètres que nous développons avaient servi à la fabrication de ma voiture. Le saviez-vous ? Après cette prise de conscience, j'ai découvert que nos débitmètres jouaient un rôle dans un grand nombre d'applications de l'industrie automobile ; certes, probablement pas dans les 30.000 composants d'une voiture, mais certainement dans plusieurs d'entre eux. J'ai donc sélectionné trois applications intéressantes des débitmètres dans l'industrie automobile.

1. Dosage précis de l'agent de démoulage

Dans son département automobile, une grande entreprise fabrique de la « peau » qui recouvre le tableau de bord afin de lui donner un « aspect cuir ». Cette peau est produite par la pulvérisation de polyuréthane liquide coloré dans un moule en nickel. Afin de faciliter le démoulage de cette peau sans l'abîmer, un agent de démoulage externe doit être appliqué à la surface du moule avant de pulvériser le polyuréthane. Bronkhorst a été chargé de fournir un régulateur de débit massique qui permette de doser cet agent de démoulage.

Tableau de bord

2. Test des sièges de soupapes

Les fabricants de soupapes vérifient tous les sièges de soupapes métal-métal par le biais de méthodes de dégradation de pression. Étant donné que la nouvelle génération de moteurs de véhicules subit des pressions supérieures, les fabricants ont besoin de nouvelles méthodes pour en tester l'étanchéité et répondre aux besoins des clients. Bronkhorst a récemment participé, avec les fabricants de vannes et de machines de tests des sièges de soupapes, à la mise en œuvre réussie de mesures de fuite bas débit comme méthode alternative pour de meilleures performances.

Siège de soupape

3. Simulation de gaz d'échappement pour tester la sonde lambda

Toute voiture moderne équipée d'un moteur à combustion dispose d'un système d'auto-contrôle qui optimise les performances du moteur. Une sonde lambda, un capteur situé dans le pot d'échappement de la voiture, mesure la teneur en oxygène des gaz d'échappement. Ce taux d'oxygène, appelé « valeur lambda », est une mesure qui permet de connaître l'efficacité du processus de combustion d'un moteur automobile. Le département de recherche d'un constructeur automobile doit tester les performances de ces sondes lambda sur la base de différentes compositions de gaz d'échappement. À cet effet, il a construit une conduite d'échappement artificielle dans laquelle il n'utilise pas de gaz réels d'échappement, mais un mélange synthétique à base de gaz purs, qui reconstitue la composition des gaz d'échappement d'une voiture. C'est dans ce cadre qu'il a été demandé à Bronkhorst de fournir des régulateurs de débit massique montés sur un mélangeur de gaz de précision.

Pot d'échappement

Énergies renouvelables dans l'industrie automobile

Outre ces applications destinées aux constructeurs automobiles (ou aux fournisseurs de l'industrie automobile), les instruments de Bronkhorst sont également utilisés par des universités qui participent à des concours ou mènent des recherches en matière de combustibles renouvelables pour l'industrie automobile. Green Team Twente, par exemple, tente de fabriquer la voiture à hydrogène la plus efficace possible. Consultez cet article de blog pour en savoir plus sur leurs recherches.

Voiture de course

Par ailleurs, Solar Team Twente participe au World Solar Challenge, qui a lieu tous les deux ans. Les équipes participantes ont pour défi de concevoir une voiture fonctionnant uniquement à l'énergie solaire, qui soit capable de rouler 3.000 kilomètres du nord au sud de l'Australie en six jours maximum. Bronkhorst soutient cette équipe. Découvrez-en davantage dans notre article d'actualité.

Une troisième source d'énergie renouvelable qui fait l'objet de recherches est l'acide formique (hydrozine). Dans son article de blog, Lotte Pleging, membre de Team FAST, explique pourquoi son équipe pense que l'acide formique (HCOOH) peut représenter une alternative durable aux combustibles fossiles, et présente le rôle joué par les débitmètres massiques thermiques Bronkhorst dans ce procédé. Apprenez-en plus en lisant son article.

Article Team-fast

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Quel rôle jouent les débitmètres dans la transformation des betteraves à sucre ?

Quel rôle jouent les débitmètres Coriolis dans la transformation de la betterave à sucre ?

Erwin Broekman
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Pourquoi aimons-nous tous (du moins la plupart d’entre nous) les bonbons, le soda, les biscuits et les gâteaux ? Tous ces produits contiennent du sucre qui leur donne un très bon goût. Mais d’où vient ce sucre ? Toutes les plantes vertes produisent du sucre par photosynthèse. De tous les végétaux, la betterave à sucre et la canne à sucre sont ceux qui contiennent les plus grandes quantités de sucre, c’est la raison pour laquelle nous utilisons généralement ces deux plantes pour extraire du sucre. Dans cet article de blog, nous nous concentrons sur la transformation des betteraves à sucre et sur le rôle que jouent les débitmètres Bronkhorst dans ce procédé.

La société Convergence Industry B.V. fournit des systèmes de mesure et de régulation sur mesure pour les liquides et les gaz. Dans le procédé d’obtention de sucre à partir de betteraves à sucre, l’un des clients de Convergence a découvert qu’en utilisant la filtration membranaire, il était possible d’extraire de la betterave à sucre plus de composants que le sucre seul. Un système de laboratoire dédié pour la nanofiltration a été utilisé à cet effet.

Filtration membranaire

La filtration membranaire est un procédé de purification de haute qualité utilisant des techniques sophistiquées. Comment ça marche ? Une explication simple de la filtration membranaire consiste à la comparer à la préparation d’un café. Si vous versez de l’eau dans un filtre à café rempli de grains de café, vous voulez avoir comme résultat le café sans l’enveloppe du grain de café. C’est à cela que sert le filtre. À un autre niveau, ceci est similaire à la filtration d’eau par laquelle vous voulez filtrer les ions afin de pouvoir fabriquer de l’eau potable à partir de l’eau de mer. C’est aussi simple que cela !

Collaboration avec Convergence pour la filtration membranaire

Pour la filtration membranaire, un système « Convergence inspector Colossus » peut être utilisé. Il s’agit d’un équipement de laboratoire dédié totalement automatisé pour la nanofiltration, ce qui le rend attrayant pour les utilisateurs. Felix Broens (Directeur de la technologie de Convergence Industry B.V.) explique comment ce système fonctionne :

"Le système de nanofiltration est alimenté par de l'eau dans laquelle est dosé un agent antitartre exempt de phosphate. Le système est mis sous pression à l’aide d’une pompe haute pression, ce qui conduit une partie de l’eau à traverser la membrane (perméat). La partie de l'eau qui ne peut pas traverser la membrane (rétentat) est redirigée vers l’endroit d’où provient l’eau. Une seconde pompe dans le conduit de recirculation provoque une vitesse supérieure à travers la surface de la membrane, ce qui réduit la pollution sur la membrane même. Le perméat peut être éventuellement utilisé en tant qu’eau propre pour différentes applications."

"L’agent antitartre est utilisé pour prévenir l’entartrage de la membrane, en formant un complexe d’ions contenant des métaux, ce qui les maintient dans le flux de rétentat afin qu’ils puissent être évacués du système. Du fait de l’utilisation d’un agent antitartre exempt de phosphate et biodégradable, ceci n’a aucun effet nocif sur l’environnement."

Système de filtration membranaire et débitmètre Coriolis - Convergence

Les débitmètres Bronkhorst dans la filtration membranaire

Le cœur du système de nanofiltration est constitué par un débitmètre massique Coriolis de Bronkhorst, permettant de réguler le procédé. Un débitmètre Coriolis est utilisé, car celui-ci mesure également la densité, ce qui est important dans le cas de solutions sucrées. Le débitmètre est placé du côté « propre » du procédé, donc derrière la membrane où s’effectue l’écoulement de perméat (l’écoulement de produit purifié). Le degré de séparation de la membrane peut être influencé à la fois par le débit et par la pression. Et donc, un débitmètre Coriolis avec un large spectre constitue la meilleure option pour couvrir une large plage d’essai.

Système de filtration membranaire et débitmètre Coriolis - Convergence 2

Ce système de Convergence a permis à leur client d’améliorer considérablement son procédé. Avant l’utilisation du système de Convergence, il s’agissait d’un procédé manuel qui était plutôt chronophage et pas toujours précis. Aujourd’hui, l’ensemble du procédé est automatisé grâce à un logiciel de Convergence spécifique au client, ce qui permet de commander de manière précise le débitmètre massique Coriolis avec la pompe et, par conséquent, l’écoulement de perméat peut à présent être régulé rapidement et de manière précise. Ceci se traduit par un bon niveau de reproductibilité, de fiabilité, d’enregistrement de données et des délais d’exécution plus courts pour l’expérimentation, comparé à ce qu’ils étaient auparavant. Ce système personnalisé permet de générer une quantité suffisante de résidus pour faire des essais, sans qu’il soit nécessaire d’augmenter l'échelle du procédé jusqu'à la taille d'une installation pilote.

Consultez les débitmètres Coriolis disponibles pour cette application : débitmètres massiques Coriolis

Pour d’autres informations concernant la filtration membranaire, veuillez contacter la société Convergence.

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Utilisation de la débitmètrie massique pour améliorer le traitement de l’eau et préserver la santé publique

Comment le dosage de l'acide orthophosphorique à l'aide de la technologie du débit massique Coriolis peut entraîner une diminution des coûts de dosage chimique.

James Walton
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La société Anglian Water Services traite l’eau potable selon les normes les plus strictes, la fournit à des millions de foyers et la gère avec soins pour s’assurer qu’elle ne vienne jamais à manquer dans chaque région du Royaume-Uni. Elle a lancé un projet visant à optimiser et accentuer le contrôle du dosage de phosphates dans le réseau public d’alimentation d’eau.

Fonction de l’acide orthophosphorique dans le réseau public d’alimentation d’eau

Les exploitants des réseaux publics d’alimentation d’eau ajoutent généralement des phosphates à l'eau potable en tant qu’inhibiteurs de corrosion pour passiver les surfaces et ainsi éviter le lessivage du plomb et du cuivre dans les tuyauteries. Des phosphates inorganiques (p.ex. acide phosphorique, phosphate de zinc et phosphate de sodium) sont ajoutés à l’eau afin de créer une couche d’orthophosphate qui forme un revêtement de protection insoluble à l’intérieur des conduites d’eau et des circuits de plomberie domestique. Cette couche agit comme un inhibiteur, qui empêche les éléments de corrosion présents dans l'eau de dissoudre certains métaux dans le réseau d’eau potable. En conséquence, les taux de plomb et de cuivre dans l’eau restent bas et dans les limites des normes visant à protéger la santé publique.

Quel était le procédé d’origine ?

Dans le procédé d’origine, un analyseur en ligne était placé en aval de l’injection pour mesurer la concentration d’acide orthophosphorique dans le débit principal. Les résultats des mesures étaient comparés à la concentration requise et utilisés pour ajuster le taux d’acide orthophosphorique dans le flux principal en réglant la vitesse de la pompe de dosage. Avec ce processus, Anglian Water Services peut maîtriser les taux de concentration de cuivre et de plomb dans l’eau dans les limites fixées pour la protection de la santé publique. Néanmoins, le procédé était perfectible, ce qui va être évoqué dans cet article de blog.

Système initial de dosage d'acide phosphorique

Système initial de dosage d’acide phosphorique

Quelles sont les limites du procédé d’origine ?

Le dispositif de la boucle de régulation sur l’injection du réactif par la mesure de la concentration des phosphates n’est pas le meilleur. Sa réaction pour ajuster l’injection n’est pas assez rapide par rapport aux variations du débit principal. Nous devions nous assurer que nous dosions bien une concentration répondant aux exigences légales, en supposant que la station traitait un débit maximum. Des coûts secondaires sont à ajouter au dispositif du fait de la nécessité d’une redondance sur l’analyseur de mesure de concentration, afin de garantir la continuité de la mesure des taux d’acide orthophosphorique, ce qui impose la présence d’un second analyseur.

Objectifs du projet

  1. Réduire la concentration de phosphates.
  2. Réduire le coût de la mise en conformité avec les normes environnementales légales pour l’entreprise.
  3. Retirer l’analyseur aval et celui de secours pour la redondance de l’analyse en continu et l’enregistrement des données.

Deux technologies de capteurs de débit ont été évaluées pour améliorer le disposif : la mesure de pression différentielle et la débitmétrie massique Coriolis. Le débitmètre à pression différentielle est le plus économique et permet de mesurer le débit volumique d’acide orthophosphorique; le régulateur reçoit un signal analogique du débit principal et injecte un débit d’acide proportionnel au débit principal d’eau. Le débitmètre massique Coriolis donne une mesure de débit massique direct, plus précise et reproductible qu’une mesure de débit volumétrique pour cette application mais elle est également plus onéreuse. Avec cette technique de mesure, le régulateur reçoit aussi un signal analogique du débit principal et injecte un débit d’acide proportionnel au débit principal d’eau.

Couplage du débitmètre Coriolis mini CORI-FLOW avec pompe Tuthill

Le choix du principe de mesure s’est articulé autour du temps nécessaire au retour sur investissement. Cependant, durant la démonstration du débitmètre massique Coriolis, nous avons appris quelque chose de nouveau qui allait changer l’orientation de la prise de décision. Le débitmètre massique Coriolis peut mesurer aussi la densité du fluide et la transmettre sur une sortie de mesure enregistrable.

Pourquoi est-ce important ?

L’acide phosphorique est vendu en concentrations diluées, généralement en solution à 80%. Ce que nous avons découvert, c’est qu’il existe des écarts dans la concentration réelle au point d’utilisation.

À ce stade, nous savions déjà que la pression différentielle ou la technologie Coriolis pouvait nous aider à améliorer le processus de suivi et d’enregistrement. À présent, nous avions la chance de passer au niveau supérieur en donnant un paramètre non disponible auparavant mais très important, et de l’utiliser pour ajuster réellement la proportion d’acide à injecter.

Le paramètre de densité supplémentaire, disponible avec le débitmètre massique Coriolis, a été décisif pour le choix technique. À présent, le dosage peut être contrôlé proportionnellement au flux principal et à la densité réelle (qualité) de l’acide phosphorique utilisé.

Nouveau système de dosage d'acide phosphorique Nouveau système de dosage d’acide phosphorique

Quels sont les avantages donnés par l’utilisation de la débitmètrie massique ?

Alors que les cinq premières installations avec cette technologie vont être lancées, voici les points clés retenus :

  1. La concentration stable de l'acide orthophosphorique dans le réseau public d’alimentation d’eau.
  2. Le maintien des engagements vis-à-vis de la règlementation de l’industrie de l’eau pour l’hygiène et la santé publique.
  3. La diminution significative de la quantité d’acide phosphorique injecté dans l’environnement
  4. Des réductions de coûts d’exploitation sur 2 points: l’élimination des analyseurs en aval et la réduction de la consommation d’acide phosphorique.

Aujourd’hui, l’entreprise Anglian Water Services adhère à un principe «Love Every Drop » (aimer chaque goutte). Cette approche est une vision de la manière dont une entreprise de services publics doit fonctionner. Cette vision induit que l’état développe les conditions pour améliorer la protection et la résistance de l’environnement, ce qui permet d’avoir une croissance durable, capable de supporter les contraintes du changement climatique. Ainsi, la création de solutions économiquement abordables et fiables, répond aux besoins des clients utilisateurs, des collectivités et de l’environnement. Nous voulons que nos populations et nos collectivités locales aient des solutions pérennes aussi. L’acide phosphorique est lié au concept de « limites planétaires », selon Rockström et al. 2009. La société Anglian Water Services est en mesure de réduire la consommation d’acide phosphorique dans ses processus, sans sacrifier pour autant la qualité de l’eau. Ceci est bien en phase avec leurs principes de bonne gestion de leurs activités et de développement durable.

Suite à cette expérience, les spécialistes du traitement de l'eau chez Bronkhorst seront plus qu’heureux de vous aider à relever vos défis en matière de traitement de l'eau. Envoyez-nous vos questions : nous contacter

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Plasma à couplage inductif (ICP) pour analyse environnementale

Les techniques de plasma à couplage inductif (ICP-AES) sont utilisées pour retracer les métaux et autres éléments présents dans l'eau. Les débitmètres jouent un rôle important dans cet équipement

Rob Ten Haaft
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Pour pouvoir mener une vie saine, il est souhaitable de connaître la nature et la teneur des éléments chimiques indésirables qui se trouvent dans notre environnement. Si une commune souhaite dépolluer un terrain dans le but de construire un nouveau quartier, il est bon de savoir si l'ancienne exploitation du site a laissé derrière elle des métaux lourds ou des substances nocives, comme l'arsenic. Les exploitants de sources d'eau potable, d'eau de surface ou d'eau de pêche doivent également connaître la qualité de leurs eaux afin de déterminer si elles sont conformes aux règles sanitaires et environnementales. De plus, pour garantir une bonne qualité de l'air, la teneur en oligo-éléments dans les particules en suspension dans l'air doit être limitée.

Par ailleurs, il existe d’autres domaines, en dehors du secteur de l'environnement, où il est pratique de pouvoir identifier et quantifier les éléments présents. Comme la concentration d’éléments métalliques dans les huiles moteur pour déterminer la vitesse à laquelle un moteur s'use ou la concentration d'engrais dans les terres agricoles pour déterminer s'il est nécessaire de poursuivre la fertilisation. Les débitmètres et régulateurs de débit ont leur rôle à jouer ici. En tant que spécialiste de l'industrie pour le marché de l'analyse, permettez-moi de vous décrire ces techniques.

Plasma à couplage inductif - spectrométrie d’émission atomique, ICP-AES

Nous venons de voir qu'il est important pour de nombreuses applications de connaître la quantité et le type d'éléments chimiques présents dans l'environnement. La technologie ICP-AES est une bonne technique d'analyse pour mesurer la nature et la concentration des éléments qui se trouvent dans les matières solides, les liquides ou les gaz. ICP-AES est l'acronyme de Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry (Plasma à couplage inductif - Spectrométrie d’émission atomique). De par sa grande précision (ppb - parties par milliard), la technologie ICP-AES convient parfaitement à l'analyse des oligo-éléments, c'est-à-dire les éléments à très faible concentration. Cette technologie permet de déterminer la teneur en métaux (comme le mercure) et métalloïdes (comme l'arsenic) tout en analysant simultanément des dizaines d'autres éléments. Qu'est-ce qui se cache derrière cette technologie et en quoi la régulation et la mesure précise des gaz jouent-elles ici un rôle ?

L’alimentation contrôlée de l’argon par un régulateur de débit

Pour faire court : En tant que technique d'analyse élémentaires, la technologie ICP-AES utilise un plasma à couplage inductif (ICP) pour générer des ions et des atomes excités à partir des éléments présents dans l'échantillon à analyser dont le spectre caractéristique est mesuré par spectrométrie d'émission atomique (AES) quand ils retournent à leur état fondamental. L'intensité des raies du spectre offre une mesure directe de la concentration des éléments dans l'échantillon.

Les échantillons peuvent uniquement entrer dans l'équipement ICP-AES sous forme liquide. Ce n'est pas un problème pour l'eau mais c'en est un pour les échantillons du sol et autres matières solides. Vous libérez donc les éléments chimiques en dissolvant l'échantillon dans un acide puissant : de l'eau régale (mélange d'acide chlorhydrique et d'acide nitrique). Une pompe péristaltique aspire le liquide échantillon qui se trouve dans un récipient et le transporte dans le nébuliseur, où le liquide se transforme en aérosol ou spray. Pour contrôler avec précision la concentration du spray (et le diluer si besoin est), un débit d'argon est introduit dans le nébuliseur via un régulateur de débit. Le spray pénètre ensuite dans la chambre du réacteur, où il entre en collision avec le plasma qui se trouve déjà dans cette chambre.

Si vous passez un gaz avec suffisamment d'énergie, au milieu d’une bobine alimentée d’une tension électrique élevée, les électrons de certains atomes de gaz peuvent se libérer. Ainsi, en plus des particules de gaz d'origine, vous obtenez un mélange d'électrons négatifs et d'ions positifs. Ce « mélange gazeux ionisé » de particules chargées est appelé plasma. Le plasma est considéré comme le quatrième état d'un matériau, en plus des états solide, liquide et gazeux. Dans un équipement ICP, l'argon forme la base du plasma et ce gaz doit être alimenté avec précision grâce aux régulateurs de débit massique. Le plasma affiche une température très élevée d'environ 7 000 degrés Celsius. Comme la composition du plasma doit toujours être juste, le débit d'argon doit être précis et continu. Et pour protéger l’environnement extérieur de ces températures élevées, un gaz de refroidissement (argon) est projeté à l'extérieur du réacteur.

Régulation de la nébulisation (spray)

Quand le spray qui contient les éléments chimiques à mesurer entre en collision avec le plasma, ces éléments sont convertis en plasma. Les éléments sont soumis à une telle quantité d'énergie qu'ils se trouvent dans un état excité. Mais ces éléments sont dans un état instable dans cet environnement et ils préférent retrouver leur état fondamental à un niveau d'énergie inférieur. Quand cette transition se produit, les éléments émettent un rayonnement qui leur est propre. Ce rayonnement est détecté par le spectromètre et son intensité mesurée est parfaitement proportionnelle à la teneur de l'élément en question dans l'échantillon. Étant donné que chaque élément est associé à une série de longueurs d'onde qui lui sont caractéristiques dans le rayonnement émis, cette technique permet d'identifier plusieurs éléments simultanément. Si vous disposez d'une gamme d'étalonnage pour les éléments en question ou si vous avez inclus un étalon interne dans le nébuliseur, vous pouvez également quantifier ces quantités.

Spectromètre, ICP-AES ou ICP-OES

Le spectromètre AES est une combinaison de miroirs, de prismes, de mono-chromateurs et de détecteurs qui contrôlent et mesurent le rayonnement émis. Pour éviter toute perturbation - suite à l'absorption du rayonnement par des gaz contenant de l'oxygène, par exemple - l'environnement dans lequel se trouvent ces objets optiques est constamment purgé à l'azote. Ce débit de gaz n'a pas besoin d'être très précis mais il doit être reproductible. Pour ce faire, l'utilisation de régulateurs de débit est extrêmement importante. Par ailleurs : le terme ICP-AES (spectrométrie d'émission atomique) est parfois remplacé par ICP-OES (spectrométrie d'émission optique). Deux noms pour une seule et même technologie.

ICP-MS

Chromatographie

La technologie ICP-MS est une technique similaire d'analyse des éléments, si ce n'est que la détection n'est pas optique ici. Les particules chargées du plasma arrivent dans un spectromètre de masse (MS). Elles y sont séparées en fonction de leur rapport masse/charge et le rapport relatif de chacune de ces particules chargées est enregistré. La technologie ICP-AES se passe sous pression atmosphérique tandis que la technologie ICP-MS nécessite le vide. La limite de détection pour la technologie ICP-MS est inférieure à celle pour la technologie ICP-AES.

Les analyses environnementales n'étudient pas uniquement la quantité totale d'un élément dans l'échantillon mais également si l'élément est libre ou s'il fait partie d'un composé chimique. Par exemple : les composés inorganiques de l'arsenic sont beaucoup plus toxiques que les organiques. Vous pouvez utiliser les technologies ICP-AES et ICP-MS pour faire la distinction entre ces différentes forme d'éléments, ce que l'on appelle la « spéciation ». Pour ce faire, il est cependant nécessaire que les différentes formes soient séparées les unes des autres avant l'ICP par une chromatographie ionique (IC), par exemple. IC et ICP sont régulièrement combinés.

Débitmètres massiques et régulateurs de débit pour ICP-AES

Solution Manifold

« Au début » de la technologie ICP, l'arrivée des gaz était contrôlée manuellement. Quand l'automatisation a fait son apparition dans ce domaine, la régulation des gaz a été concernée et les débitmètres massiques ont fait leur apparition. Les débitmètres massiques et les régulateurs de débit sont utilisés dans les équipements ICP-AES pour injecter les gaz inertes. Si vous maîtrisez la régulation du débit de gaz, la technique analytique est plus précise et plus stable, ce qui permet d'atteindre des limites de détection plus basses. Ce qui est déterminant compte tenu des exigences de qualité et d'environnement de plus en plus strictes.

Bronkhorst fournit de nombreux débitmètres pour le marché de l'analyse et compte plusieurs grands fabricants d'équipements d'analyse parmi ses clients. Bronkhorst conçoit d'ailleurs souvent des solutions spécifiques « manifolds » pour ses clients. Ces solutions intègrent de multiples fonctionnalités dans un module compact personnalisé. En effet, les instruments compacts et de faible encombrement sont de plus en plus importants pour les laboratoires dont l'espace de travail ne cesse de se réduire.

Lisez la note d'application « Controlled supply of gases in Inductively Coupled Plasma (ICP-AES) for environmental analysis ».