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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Régulation des débits de gaz, de vapeur et de la pression pour les essais catalytiques

Régulateurs de débit massique et systèmes de contrôle de la vapeur pour la recherche et les essais catalytiques

Dirk Jan Boudeling

Aujourd’hui, je souhaite partager avec vous une application avec des débitmètres massiques mise en oeuvre par Umicore à Suzhou (Chine). Umicore est l’un des principaux fabricants mondiaux de catalyseurs pour les systèmes des émissions des gaz d'échappement des automobiles. L’entreprise développe et fabrique des catalyseurs de haute performance qui convertissent les polluants en gaz non dangereux pour les moteurs essence et diesel, ce qui permet d'avoir de l’air ambiant plus propre.

Le site de production d’Umicore à Suzhou, Umicore Technical Materials, utilise les régulateurs de débit massique et les systèmes d'évaporation pour la recherche et les essais sur les matériaux pour les catalyseurs automobiles. Les nouveaux matériaux catalytiquement actifs d’Umicore sont constitués d’oxydes et de métaux précieux, comme le platine et le palladium, incorporés dans une structure poreuse qui permet d'avoir une grande surface de contact avec les gaz d’échappement.

Quels sont les matériaux catalytiques testés par Umicore ?

Umicore à Suzhou utilise différents bancs d’essais pour tester la performance (autrement dit : la capacité à réduire la production d’émissions toxiques) des matériaux catalytiques nouvellement développés. « Umicore développe de nouveaux catalyseurs directement avec les équipementiers automobiles de premier rang. Nous testons la performance de nos nouveaux matériaux et de nos nouvelles formes de catalyseurs. » explique M. Yang Jinliang.

Projet Umicore avec débitmètres Bronkhorst

Projet Umicore avec les débitmètres massiques Bronkhorst

Comment sont utilisés les débitmètres massiques et les régulateurs pour les tests et les simulations reproductibles ?

Les débitmètres massiques et les régulateurs Bronkhorst sont utilisés pour créer un mélange de plusieurs gaz dans des proportions précises afin de simuler les gaz d’échappement d’un moteur dans des situations différentes. « Pour vraiment comparer la performance des produits nouvellement développés, nous devons nous assurer que les conditions opérationnelles de nos tests sont identiques. » M. Yang explique que cela nécessite l’utilisation de régulateurs de débit massique de précision pour créer de façon reproductible les mélanges qui simulent les gaz d’échappement.

« Nous avons besoin d’un équipement de contrôle du débit fiable et qui assure une excellente reproductibilité pendant nos simulations. C’est pourquoi Umicor a développé l’équipement pour ses tests en collaboration avec les spécialistes de la débitmétrie gaz de Bronkhorst. » Umicore effectue différentes simulations. « Nous réalisons de façon artificielle les gaz d’échappement des moteurs pour des cycles de vie variés et dans différentes conditions de fonctionnement. Par exemple, les gaz d’échappement de la voiture sont différents selon que le moteur soit encore froid ou fonctionne à un régime élevé. »

Banc d’essai pour simuler le vieillissement

Un banc d’essai spécial de Umicore simule le vieillissement des matériaux catalytiques. Cela se fait en augmentant la température ambiante du catalyseur jusqu’à 800° Celsius pendant un essai qui dure de 2 à 24 heures tout en ajoutant les gaz d’échappement artificiel. « Les instruments Bronkhorst montrent ici une très grande stabilité dans des conditions d’essai difficiles », indique M. Yang.

Banc d'essais simulation du vieillissement

Banc d'essais pour la simulation du vieillissement des catalyseurs

Recette pour la simulation des gaz d’échappement

Pour simuler le gaz d’échappement de moteur, Umicore mélange plusieurs gaz. En général, les réactions suivantes ont lieu dans le convertisseur catalytique :

  1. Réduction des oxydes d’azote en azote et en oxygène : 2NOx → xO2 + N2
  2. Oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone : 2CO + O2 → 2CO2
  3. Oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone et en eau : CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O.

Des régulateurs de débit massique numériques EL-FLOW Select sont utilisés pour mélanger ces gaz. Afin de maintenir ce mélange de gaz à la même pression, un appareil Régulateur de pression EL-PRESS est utilisé pour la contrôler en même temps que le débit.

Les gaz d’échappement des moteurs contiennent également de la vapeur d'eau. C’est pourquoi le Système de mélange et d’évaporation régulé (CEM) de Bronkhorst est utilisé. Les régulateurs de débit massique numériques, le régulateur de pression et le CEM sont tous connectés à un ordinateur sur lequel un logiciel permet de piloter et faire l'acquisition de mesure des appareils.

Le banc d’essai de simulation du vieillissement de Umicore utilise les régulateurs de débit massique de Bronkhorst. Les régulateurs EL-FLOW Select de Bronkhorst ont leurs composants électroniques déportés pour résister à une température des gaz qui atteint 110° Celsius et continuer à réguler les gaz avec une très grande précision et une excellente reproductibilité.

M. Yang Jinliang d'Umicore

M. Yang Jinliang (devant l’équipement d’essai de simulation du vieillissement des catalyseurs Umicore

Quelle opinion avez-vous du support pour les produits Bronkhorst en Chine ?

À propos du support et du service Bronkhorst en Chine, M. Yang répond de façon très enthousiaste : « Tous les experts Bronkhorst en Chine sont très professionnels et répondent rapidement. C’était particulièrement vrai durant la phase de démarrage de notre projet quand nous avions besoin de plus de soutien, et mes contacts nous aidaient avec constance. Le système fonctionne sans problèmes, mais il est rassurant de savoir que Bronkhorst a l’une des agences de service à Shanghai au cas où nous aurions besoin d’étalonnage ou de maintenance. »

Logo support international Bronkhorst

  • Découvrez une autre application dans ce marché : Simulation des gaz d’échappement pour tester les sondes lambda.

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La technologie MEMS vient renforcer les équipements compacts de chromatographie gazeuse

La régulation du débit et de la pression de gaz en chromatographie gazeuse : des équipements d'analyse plus compacts avec la miniaturisation par la technologie des puces MEMS

Dion OUDEJANS
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La technologie des puces électroniques améliore notre quotidien de bien des façons. Venue de la technologie des semiconducteurs, la technologie de puces MEMS est également présente dans de nombreux appareils tout autour de vous, sous la forme de capteurs. Pensez à votre smartphone qui capture votre voix et détecte la position, l'orientation et le mouvement de l’appareil par des systèmes microélectromécaniques (Micro Electro Mechanical Systems-MEMS). Le cumul de ces fonctionnalités a peu d'impact sur les dimensions physiques d'un smartphone, il tient toujours dans votre main et dans votre poche.

Cet article de blog traite de la miniaturisation des instruments par la technologie de puce MEMS et des avantages des instruments de débit gazeux miniaturisés pour les applications dans le domaine de la chromatographie gazeuse. En tant que responsable produits MEMS au sein de Bronkhorst High-Tech, je vois les avantages de la miniaturisation par la technologie MEMS dans de telles applications.

Solution IQ+

Miniaturisation

Dans un environnement de laboratoire, il est avantageux de travailler avec un équipement de la taille d'un ordinateur de bureau. Les avantages des équipements compacts sont les suivants : faible encombrement, plus grande facilité de fonctionnement et coût global de possession réduit.

Les équipements de chromatographie gazeuse sont un bon exemple de concentration de fonctionnalités dans un très faible encombrement. De nombreux types de composition gazeuse et de composition de vapeurs peuvent être analysés avec une précision élevée et pour des niveaux de concentration très bas. En outre, cela comporte un certain degré d'automatisation. Tout cela est à la portée de main d'un technicien de laboratoire.

Chromatographie gazeuse

Le but de l'analyse par chromatographie gazeuse est d'identifier et de mesurer la concentration de composants gazeux dans un échantillon de gaz. Dans la chromatographie gazeuse (voir photo 3), on a souvent besoin de réguler la pression ou le débit du gaz. La photo montre un régulateur de débit gazeux pour le flux de gaz porteur (en rouge) et un régulateur de pression pour maintenir la pression sur l’entrée de l’injecteur (en jaune).

Chromatographie gazeuse

Principe de la chromatographie gazeuse

Le principe de la chromatographie gazeuse comprend un flux de gaz porteur régulé qui passe devant un injecteur, une colonne et un détecteur. Un gaz échantillon est injecté pendant un temps court, créant une fraction d'échantillon gazeux. La fraction d'échantillon gazeux est séparée en composants gazeux à travers la colonne , ils deviennent visibles en tant que pics durant la détection. La photo 4 montre un exemple d'un signal de sortie de chromatographie gazeuse.

Diagramme de sortie de Chromatographie gazeuse

Diagramme de sortie de chromatographie gazeuse

Échantillonnage d'espace de tête

Je vous propose un zoom sur l’échantillonnage dynamique d'espace de tête utilisé en combinaison avec la chromatographie gazeuse. L'échantillonnage d'espace de tête renvoie à l'espace gazeux dans un flacon de chromatographie contenant un échantillon liquide. L'échantillon liquide est un solvant contenant un matériau à analyser : par ex. composés organiques volatiles dans des échantillons environnementaux, alcool dans le sang, solvants résiduels dans des produits pharmaceutiques, plastiques, composés aromatiques dans des boissons et des aliments, café, fragrances dans des parfums et cosmétiques.

Ceci est expliqué sur la photo 5. L'échantillonnage dynamique d'espace de tête est effectué en purgeant l'espace de gaz et l'adsorbant. L'adsorbant collecte le gaz échantillon. Après le transfert, l'adsorbant est de nouveau désorbé pour libérer le gaz échantillon dans un chromatographe gazeux.

Echantillonnage dynamique d'espace de tête

Échantillonnage dynamique d'espace de tête

Un régulateur de débit gazeux entre en scène à la purge de l'espace de tête et de l'adsorbant avec un flux constant d'hélium ou d'azote. Le débit gazeux, contenant le gaz échantillon d'espace de tête, passe devant un adsorbant qui collecte le gaz échantillon d'espace de tête.

Maintenant, l'adsorbant est transféré vers l'entrée d'un chromatographe gazeux. De nouveau, un flux gazeux d'hélium ou d'azote régulé passe devant l'adsorbant pour libérer le gaz échantillon d'espace de tête dans l'entrée du chromatographe gazeux. Le chromatographe gazeux fait son travail d'analyse de l'échantillon et différents pics montrent les différents composants et leur concentration.

Débitmètres gazeux et régulateurs de pression IQ+FLOW

Pour les débitmètres, certaines spécifications sont importantes dans l'échantillonnage d'espace de tête et la chromatographie gazeuse. La ligne de produit IQ+FLOW basée sur la technologie de puce MEMS tient compte de ces spécifications avec une petite taille d'instrument, une réponse rapide, une bonne répétabilité, une faible consommation d'énergie, un faible coût global de possession et l'excellent support que vous apporte Bronkhorst.

Pour en savoir plus sur la ligne de produits à puce IQ+FLOW

Pour en savoir plus sur la chromatographie gazeuse combinée aux débitmètres, manomètres et régulateurs, consultez notre note d'application "Chromatographie gazeuse".

Débitmètre IQ+ Flow

Le futur de la technologie MEMS

Bronkhorst s'engage à aller de l'avant et à rechercher des applications qui peuvent être améliorées avec la technologie de puce MEMS. N'hésitez pas à nous poser vos questions contactez-nous. Nous vous tiendrons informé(e)s !

Une journée ordinaire au centre d'étalonnage des débitmètres de Bronkhorst

Tout savoir sur le processus d’étalonnage selon la norme ISO/IEC17025:2005 appliqué par le centre Bronkhorst pour un niveau élevé d’assurance qualité.

Mandy Westhoff
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Chez Bronkhorst, nous associons le mot « accréditation » à celui de « confiance ». Et pour mesurer cette forme de confiance, des normes sont élaborées dans le but de mesurer l'expertise, l'impartialité et le niveau d'amélioration continue d'une organisation. Les laboratoires accrédités en vertu de la norme internationale ISO/IEC 17025:2005 ont démontré leurs compétences techniques et leur capacité à produire des données d'étalonnage et/ou des résultats exacts et précis.

Pourquoi des mesures exactes et précises sont-elles importantes ?

Prenons un exemple : lorsque vous payez votre plein à la station essence, vous avez confiance dans le fait que le montant que vous avez à payer correspond à la quantité de carburant que vous avez prise. Le même principe s'applique à de nombreux autres procédés où un appareil de mesure est utilisé pour obtenir le résultat du procédé en question. Une accréditation de la norme ISO/IEC 17025:2005 correspond, à l'international, au plus haut niveau de sécurité de l'étalonnage qui peut être obtenu pour un équipement de mesure. Bronkhorst est le fier propriétaire d'un centre d'étalonnage accrédité ISO/IEC 17025:2005 en interne, le BCC.

Profitons de ce post pour vous emmener faire un tour dans le centre d'étalonnage de Bronkhorst. Celui-ci a été accrédité en 2010 pour ses services d'étalonnage de la pression et des débits de gaz et de liquides.

À cette fin, suivons l'une des opératrices de notre centre d'étalonnage, Mandy Westhoff, dans sa vie quotidienne afin d'avoir une vue réaliste des activités du centre.

Pourquoi les débitmètres doivent-ils être étalonnés ?

En général, tous les débitmètres sont étalonnés lors de la dernière étape de leur production. L'instrument et certains paramètres sont comparés à des références fixes dans certaines conditions environnementales afin d'obtenir des mesures de débit réel. Un appareil de mesure étant utilisé pour s'assurer du résultat d'un procédé, les propriétaires du procédé doivent pouvoir s'appuyer sur ces mesures lorsqu'une grande précision et, de plus en plus, la traçabilité jouent un rôle important. Comme par exemple sur le marché pharmaceutique. Il s'agit là d'un mode de gestion des risques. Au fil des années, nous avons remarqué une augmentation significative des étalonnages ISO/IEC 17025:2005 dans notre centre. Un étalonnage ISO/IEC 17025 est souvent exigé parce qu’il s'agit du plus haut niveau d'étalonnage disponible sur le marché.

Quels types d'étalonnages peuvent être réalisés dans notre centre d'étalonnage ?

Le centre d'étalonnage de Bronkhorst est un département indépendant de l'organisation de Bronkhorst qui ne fait par conséquent l'objet d'aucune forme d'influence commerciale. On peut dire que les tâches du centre d'étalonnage ont un double objectif :

  1. Le centre fait office de laboratoire interne qui assure le maintien de toutes les normes d'étalonnage appliquées au sein de l'organisation Bronkhorst.

  2. Le centre fait office de laboratoire d'étalonnage externe qui réalise des étalonnages ISO/IEC 17025:2005 pour toute organisation qui souhaite que ses instruments bénéficient de cette certification, qu'il s'agisse de Bronkhorst ou d'autres marques. Le centre peut également effectuer des réglages sur des débitmètres, régulateurs de débit et appareils d'étalonnage, nouveaux ou existants.

Le centre d'étalonnage de Bronkhorst, un laboratoire d'étalonnage externe

Le champ d'application du centre d'étalonnage comprend l'étalonnage de la pression et des débits de gaz et de liquides.

60 à 70% environ des étalonnages ISO/IEC 17025:2005 effectués sont conformes à ceux que l'on trouve sur les instruments utilisés. Nombre de nos clients, en particulier sur le marché des produits pharmaceutiques, des universités et de l'industrie automobile, envoient leurs instruments une fois par an à des fins d'étalonnage. Ils disposent ainsi d'un instrument fiable, étalonné conformément au plus haut niveau de sécurité de l'étalonnage, qu'ils peuvent utiliser comme référence pour leurs propres étalonnages sur place.

L'environnement du laboratoire est intégralement contrôlé afin d'offrir aussi le plus haut niveau de précision et d'exactitude des données d'essai et/ou d'étalonnage. Les étalonnages sont réalisés dans un laboratoire high-tech dans des conditions climatisées exceptionnelles, à 21°C ± 2°C, pour une humidité relative de 50 ± 20 %. Même la lumière du soleil à travers les fenêtres a été supprimée, et la circulation des personnes y est réduite au minimum. Il est notamment interdit à tout membre du personnel non autorisé d'entrer dans le centre d'étalonnage.

Banc d'étalonnage BCC

Pouvez-vous expliquer le processus d'étalonnage appliqué dans le centre ?

Après le processus d'acclimatation et de configuration, l'opérateur effectue un test de fuite à l'aide du volumètre Flowbus (FPP). Ce test est effectué avant chaque étalonnage comme contrôle de sécurité afin de maintenir un niveau élevé d'assurance qualité.

Suite à l'approbation des conditions environnementales, l'étalonnage commence. Un étalonnage standard est réalisé sur plusieurs points de mesure. La précision de l'instrument est déterminée par rapport à ces points de mesure.

Une fois l'étalonnage réussi, l'instrument est remis avec une étiquette qui mentionne la date de l'étalonnage et le numéro de certificat afin que chaque détail puisse être associé au dossier d'étalonnage. Le coordinateur du centre vérifie que tout est fait conformément au protocole et que tous les dossiers d'étalonnage ISO/IEC 17025:2005 sont envoyés à l'agent du centre chargé d'effectuer une dernière vérification.

Qu'en est-il de la formation ?

Tous nos opérateurs sont formés pour exécuter des étalonnages de pression et de débit de gaz et de liquides en vertu de la norme ISO/IEC17025:2005. Nous sommes par ailleurs formés à l'entretien des appareils d'étalonnage (par exemple, le nettoyage des tubes de verre et produits chimiques utilisés pour les procédures d'étalonnage).

Ce type de travail est-il dangereux ?

La formation est la partie la plus importante. Tous nos opérateurs sont des employés hautement compétents et qualifiés. L'ensemble de ces activités tournent néanmoins essentiellement autour du travail humain. Pour maintenir un niveau de risque aussi bas que possible, tout est étroitement surveillé pendant le processus d'étalonnage et tout le matériel utilisé est vérifié régulièrement.

Qu'est-ce qui rend votre travail intéressant ?

Ce travail n'est jamais ennuyeux et chaque jour est différent. Le service que nous fournissons est toujours différent parce qu'il est spécifique à chaque client. C'est une belle idée que de pouvoir contribuer au succès du procédé d'un client.

Certificat d'étalonnage BCC

Vous souhaitez en savoir plus sur le sujet? Vous pouvez trouver sur notre site internet les informations concernant le centre d'étalonnage Bronkhorst (BCC) . ou vous pouvez nous contacter, nous serons ravis de vous renseigner.

Compensation de la pression et de la température en temps réel pour optimiser la régulation du débit.

La compensation en temps réel des conditions de service du procédé garantit une mesure et une régulation fiable et précise du débit.

Vincent HENGEVELD
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L'efficacité et le rendement dans un procédé nécessitent un débit de gaz stable. Ce débit de gaz peut être mesuré et régulé par un régulateur de débit massique thermique. En tant que responsable produit au sein de Bronkhorst High-Tech, j'ai été confronté à l’influence des différents facteurs externes pouvant perturber la précision de mesure et la stabilité de régulation des régulateurs de débit massique (MFC/RDM). Voici quelques exemples de facteurs externes :

  • Fluctuations de température
  • Fluctuations de la pression d’alimentation

Ces fluctuations peuvent se produire du fait de la baisse de pression dans une bouteille de gaz ou du fait de l'interférence entre plusieurs régulateurs du débit sur un même réseau. Comment Bronkhorst résoud ces problèmes et quelles solutions offrons-nous ?

Interférence entre régulateurs de débit massique

Qu'est-ce que l'interférence ? Typiquement, l'interférence se produit lorsque plusieurs régulateurs de débit massique sont placés très proches l'un de l'autre sur une même conduite ou sont installés sur le même réseaux de gaz. La pression d’alimentation d'un régulateur de gaz est affectée par la consommation de débit des régulateurs de débit voisins. Lorsque l'instrument change de point de consigne, cela affecte la pression de la ligne d’alimentation. En raison de ce changement de pression, la mesure du débit dans un régulateur de débit conventionnel est affectée, indiquant une mesure de débit incorrecte qui n'est pas représentative du débit réel à travers le régulateur de débit massique. Plus le débit nominal du régulateur de débit est faible, plus l'interférence d’un changement du point de consigne d'un régulateur de débit massique plus grand monté en parallèle sera important sur le premier.

Compensation de pression statique et dynamique

La compensation de pression statique est la compensation des changements lents de pression, par exemple la pression venant d’une bouteille de gaz diminuant lentement. Intégrer un transmetteur de pression au régulateur de débit massique, conjointement avec un algorithme de conversion embarqué, permet de calculer en temps réel les propriétés véritables du fluide. Pour la mesure semi-calorifique, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et la capacité calorifique sont utilisées dans le calcul. Ces propriétés changent sous l'influence de la pression et de la température. Ainsi, la température et la pression réelles sont mesurées et traitées, ce qui donne une mesure de débit précise et une stabilité de régulation.

La compensation de pression dynamique est la compensation de changement de pression rapides. Cela peut se produire lorsqu'un régulateur de débit massique de plus fort débit sur une même ligne d'alimentation change son point de consigne, cela provoque sur un régulateur de plus petit débit un effet indésirable également connu sous le nom "d'interférence". Dès que ces changements rapides de pression sont identifiés par le capteur de pression, la régulation de la vanne est ajustée en conséquence, de façon à ce que le débit reste stable.

Compensation dynamique du débit

Compensation dynamique, insensible aux changements de pression

Régulation du débit stable avec conversion embarquée.

L'algorithme de conversion embarqué permet de convertir les propriétés du fluide d'étalonnage mémorisé par celles des 25 autres gaz embarqués (fonctionnalité multi-fluides/multi-gammes). La température et la pression réelles mesurées sont utilisées dans le modèle de conversion embarqué pour compenser les changements des conditions d’alimentation du gaz. Cela conduit à une conversion plus fiable et plus précise et à une meilleure stabilité de régulation.

Installation simplifiée avec un régulateur de débit Prestige PI

Configuration plus simple avec un débitmètre massique "insensible à la pression"

Les avantages pour l'utilisateur

  1. Premièrement, du fait de la mesure plus précise et de la régulation de débit améliorée, des conditions d’utilisation optimisées et plus constantes sont possibles, résultant en une amélioration des performances de votre procédé.
  2. Deuxièmement, la facilité d'utilisation car il n'y a pas besoin de maintenir précisément les conditions d’alimentation et de procédé pour lesquelles l'instrument a été commandé.
  3. Troisièmement, étant donné que la pression de lignede gaz fournie devient moins importante pour la précision et la stabilité de régulation de l'instrument, moins de composants de précisions sont nécessaires sur la ligne de gaz d’alimentation, le nombre d’équipement nécessaire peut être réduit au stricte nécessaire. Cela permet de limiter les coûts en faisant l’économie d’un régulateur de pression par exemple.

régulateur de débit insensible aux variation de pression

Nouvelle série de débitmètres et régulateurs de débit EL-FLOW Prestige PI, insensibles à la pression

  • Pour obtenir plus d'informations sur l'EL-FLOW Prestige, consultez notre page produits.
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Automatisation d’un régulateur déverseur à dôme

Les régulateurs déverseurs à dôme sont souvent utilisés dans des procédés où une pression constante dans un réacteur (chimique) est souhaitable. Pour automatiser ce procédé, un régulateur de pression électronique est une bonne option.

Armand Bergsma
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Les déverseurs de pression à dôme sont souvent utilisés dans les procédés où une pression constante doit être maintenue dans un réacteur chimique. En vue d’automatiser ce processus, une association avec un régulateur de pression électronique constitue un bon atout. « Pour nos déverseurs à dôme Equilibar, nous utilisons le tout nouveau régulateur de pression électronique Bronkhorst, qui nous permet de piloter à présent 2 vannes de régulation. », déclare Armand Bergsma, fondateur de Pressure Control Solutions à Veenendaal (NL).

Déverseur à dôme

« Comment fonctionne un tel déverseur à dôme ? La pression dans le procédé est réglée en appliquant la pression souhaitée sur une membrane mécanique avec un rapport de 1 sur 1, du côté pression de référence du déverseur. Celle-ci peut être appliquée avec un détendeur manuel. Mais quand il faut automatiser, il est nécessaire d’utiliser des régulateurs de pression électroniques. »

« Jusqu’à récemment, nous utilisions des régulateurs électroniques avec une seule vanne de régulation pour assurer leur mise sous pression. Pour diminuer la pression de référence, une fuite artificielle devait être créée. Cela fonctionne parfaitement dans la pratique ; mais l’inconvénient de cette solution, c’est qu’il y a une consommation continue de gaz inerte (à haute pression). »

« Pour des applications basse pression, pour lesquelles un réseau d’air comprimé est utilisé, ou pour des applications à haute pression, pour lesquelles le client dispose d’un réseau haute pression, cela ne pose généralement aucun problème. Cela peut devenir compliqué lorsque ces équipements ne sont pas présents. »

Process régulation de pression avec équilibar

Déverseur à dôme Equilibar combiné au régulateur de pression de process – source: Zeton, NL

« En cas d’absence d’un réseau haute pression, il est possible de travailler avec du gaz de bouteilles. Ces bouteilles sont disponibles en version 200 ou parfois 300 bars. Les réacteurs avec lesquels des catalyseurs sont testés, fonctionnent généralement sur une pression de 150 à 180 bars. En cas d’utilisation d’une bouteille d’azote sous pression de 200 bars, seuls 50 à 20 bars seront consommés, pour pouvoir maintenir la pression de procédé maximale. Pour pouvoir fonctionner sur une longue période, la consommation de gaz de dôme doit être maintenue par une autre technique. »

Régulateur de pression de process industriel

nouveau régulateur de pression de process EL-PRESS

Nouveau régulateur de pression de process EL-PRESS

« En collaboration avec Bronkhorst (Pays Bas), j’ai cherché une solution pour réduire la consommation de gaz du déverseur. À présent, nous combinons notre déverseur à dôme avec le nouveau régulateur industriel de pression électronique de Bronkhorst, le régulateur de pression EL-PRESS. Du fait que ce régulateur de pression dispose d’un régulateur PID intégré, nous pouvons maintenant réguler les 2 vannes de régulation d’admission et d’échappement, ce qui permet de réduire fortement la consommation du gaz du déverseur à dôme.

Sur ce régulateur de pression, la vanne de régulation en amont du capteur de pression est ouverte. La soupape qui est placée en aval reste fermée, ce qui fait monter la pression de référence. La consommation de gaz est négligeable pendant la montée en pression. La vanne de régulation qui se trouve en aval du capteur de pression, est ouverte uniquement lorsque la pression doit diminuer. La vanne en amont reste alors fermée, bien entendu. En effectuant le bon choix de ces vannes (Kv : taille de l’orifice) et les bons réglages PID, il est possible d’obtenir une régulation stable qui, en fonction du type d’application, met le dôme sous pression et/ou relâche la pression, de manière rapide ou lente.

Paramétrage du maintien en pression des 2 vannes de régulation pour un déverseur à dôme

En plus d’une faible consommation de gaz de dôme, le régulateur industriel de pression de Bronkhorst offre une excellente stabilité. Du fait que le fonctionnement s’effectue avec des gaz purs et propres, les procédés qui utilisent la combinaison d’un déverseur à dôme et d’un régulateur industriel de pression, peuvent réguler la pression avec une stabilité supérieure à 0,1%.

« Les procédés en amont du déverseur à dôme traitent des réactifs et des sous-produits souvent agressifs et à haute température. Pour cette raison, l’Equilibar peut être réalisé avec des alliages chimiquement inertes, tels que l’Hastelloy SS316, le Zirconium et le monel. La conception du déverseur à orifices multiples est capable de réguler aussi bien des gaz que des liquides, et même des flux diphasiques. »

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