Bubblersystemen versus Controlled Evaporation and Mixing-systemen voor luchtbevochtiging

Bubblersystemen versus Controlled Evaporation and Mixing-systemen voor luchtbevochtiging

Ric Besseling
Cover Image

Bij uiteenlopende toepassingen, bijvoorbeeld rijpingsprocessen, validatietests en/of bij onderzoek naar plantgroei, is vaak een gespecificeerde stroom vochtige lucht nodig om specifieke omgevingsomstandigheden in een testruimte te verkrijgen. Tegenwoordig beschikken wij over meerdere oplossingen voor dergelijke toepassingen. Bij een van die oplossingen wordt gebruik gemaakt van gecontroleerde verdampings- en mengsystemen. Ik zal hierna in het kort toelichten wat de voordelen van die systemen zijn vergeleken met de meer conventionele bubblersystemen.

Hoe werkt een bubblersysteem?

Met een bubblersysteem kunnen kleine concentraties vochtige lucht worden gecreëerd. Deze conventionele methode vereist een optimale regeling van de druk en temperatuur van het bubblersysteem. Een volledig meetsysteem op basis van de bubblermethodiek bestaat dan ook uit een persluchtbron, een debietbegrenzer, een sensorbuis en een drukregelaar. Dit laatste component converteert de tegendruk om output naar een regelaar te sturen zodat het vloeistofniveau berekend kan worden. De kwaliteit van de vochtige lucht is volledig afhankelijk van de theoretische berekening van de verzadigingsgraad van de lucht die door de vloeistof stroomt en van de nauwkeurigheid van de druk- en temperatuurregeling. Met deze conventionele aanpak is het niet eenvoudig om een specifieke luchtvochtigheidswaarde te realiseren.

Samenstelling van het conventionele bubblersysteem

Samenstelling van het conventionele bubblersysteem

De verdampingssystemen van Bronkhorst

In aanvulling op deze methode heeft Bronkhorst een CEM-systeem (op basis van Controlled Evaporation and Mixing) ontwikkeld dat voor de meeste toepassingen met vochtige lucht kan worden gebruikt. Dit CEM-systeem is een innovatieve oplossing voor gaslevering op basis van een vloeistof flowregelaar (LIQUI-FLOW of mini CORI-FLOW), een gas flowregelaar en een meng- en verdampingsapparaat met temperatuurregeling.

Een CEM-systeem werkt op een directere manier dan het meer conventionele bubblersysteem. De methode werkt heel eenvoudig en in theorie kan elke concentratie zeer nauwkeurig en herhaalbaar binnen enkele seconden worden gecreëerd. Daarnaast kan een relatieve luchtvochtigheid tussen de 5 en 95% worden ingesteld.

Samenstelling van het CEM-systeem van Bronkhorst Samenstelling van het CEM-systeem van Bronkhorst

De vochtigheidssamenstelling wordt nauwkeurig geregeld door de vloeistof flowregelaar waarbij de luchtstroomhoeveelheid met de gas flowregelaar ingesteld kan worden. Met een mengkraan op het CEM-systeem kan de verneveling van water in de luchtstroom adequaat geregeld worden. Vanwege de relatief lage drukverhouding van de waternevel in de luchtstroom kan het water op lage temperatuur in de spiraalvormige verwarmingsbuis aan de uitvoer van de mengkraan worden verdampt.

Meer over het CEM-systeem:

Een CEM-systeem bestaat in beginsel uit de volgende componenten:

  1. Een massflowregelaar voor gassen, waarmee de stroom van het transportgas wordt gemeten en geregeld (bijv. de EL-FLOW Select-serie).
  2. Een massflowregelaar voor vloeistoffen om de stroom van de vloeistofbron te meten (bijv. de LIQUI-FLOW-serie, de mini CORI-FLOW-serie).
  3. Een meng- en verdampingsapparaat met temperatuurregeling (CEM) voor het regelen van de stroom van de vloeistofbron en het mengen van de vloeistof met de stroom van het transportgas, wat tot een volledige verdamping leidt; aangevuld met de warmtewisselaar met temperatuurregeling voor het toevoegen van warmte aan het mengsel; de CEM-basissystemen van Bronkhorst zijn verkrijgbaar als totaaloplossing (inclusief een elektronisch regelmechanisme) die in vrijwel alle omstandigheden een optimale flexibiliteit biedt voor verdampingsoplossingen.

Meer weten over de CEM-technologie? Ga dan naar Bronkhorst Vapour Flow Control op onze website waar u alles kunt lezen over onze producten en toepassingen op het gebied van dampregeling.

Hoe selecteer je de juiste flowmeter voor jouw applicatie?

Dankzij flowmetertechnologie zijn de keuzemogelijkheden voor alle soorten applicaties tegenwoordig aanzienlijk vergroot. Maar dat maakt de keuze voor een flowmeter des te lastiger

Chris King
Cover Image

Het kiezen van de juiste flowmeter is van wezenlijk belang voor het succes van de applicatie, omdat een verkeerde flowmeter niets dan ellende met zich meebrengt. Dankzij flowmetertechnologie zijn de keuzemogelijkheden voor alle soorten applicaties tegenwoordig aanzienlijk vergroot. Het gebruik van de juiste flowmeter is essentieel voor het verzamelen van cruciale data. En een verkeerde flowmeter kan tot budgettaire problemen en een kostbaar verlies aan productietijd leiden. In dit blog zal ik een aantal elementen bespreken die van belang zijn bij de besluitvorming over de aanschaf van een nieuwe flowmeter.

Prijs versus populariteit / de meest gebruikte criteria bij het kiezen van een flowmeter

Baseer je keuze niet alleen op de twee meest gebruikte criteria, namelijk prijs en populariteit. Indien je de hoogste prioriteit aan prijs geeft, loop je al snel het risico dat je de verkeerde flowmeter voor jouw applicatie kiest of een flowmeter die fysiek of qua prestaties niet aan je eisen voldoet. Dat koopje verandert dan al snel in een budgettaire nachtmerrie. Wanneer het meetinstrument en de randapparatuur veel en duur onderhoud vergen, is het geld dat je op de aanschaf van de flowmeter bespaart, snel verdampt. Een flowmeter waarvan de aanschafkosten in eerste instantie hoger zijn, kan die meerprijs in een later stadium echter 'terugverdienen' doordat de kosten voor onderhoud en gebruik bijvoorbeeld lager zijn. De Coriolis massflowmeters zijn wat de aanschaf betreft weliswaar duurder dan veel andere soorten flowmeters, maar hiermee kan in de loop der tijd veel geld worden bespaard omdat zij eenvoudiger te onderhouden zijn en dat leidt weer tot minder uitval in de productie.

mini-cori-dosingbox Coriolis mass flowmeter (mini CORI-FLOW) Coriolis mass flowmeter (mini CORI-FLOW)

Hoewel het van belang is om na te gaan welk soort flowmeter in jouw sector het meest wordt gebruikt, kan een automatische keuze voor de meest populaire flowmeter ook rampzalige gevolgen hebben. Indien de betreffende flowmeter namelijk niet geschikt is voor de applicatie, kan dat tot te hoge of te lage metingen leiden, wat betekent dat kostbaar materiaal verloren kan gaan met minder inkomsten tot gevolg.

Nieuwe flowtechnologieën bieden nieuwe oplossingen

Dankzij nieuwe ontwikkelingen in de technologie zijn er instrumenten op de markt beschikbaar die misschien niet zo bekend zijn, maar die wel voor betere oplossingen zorgen. In het verleden moesten inline ultrasone flowmeters bijvoorbeeld opnieuw gekalibreerd worden bij het gebruik van een andere vloeistof. Dergelijke meetinstrumenten konden ook niet gebruikt worden bij applicaties waar de hygiëne van doorslaggevend belang was. De nieuwe ultrasone flowmeters van vandaag de dag hebben die problemen echter opgelost waardoor inline ultrasone flowmeters nu ook voor dergelijke toepassingen gebruikt kunnen worden. Een flowmeter is een technisch gecompliceerd apparaat dat door veel variabelen wordt beïnvloed. Ik zal de belangrijkste variabelen hier nader onder de loep nemen, maar bedenk wel dat elke applicatie uniek is.

Meten van volume- of massaflow

Er zijn twee primaire methoden om gassen of vloeistoffen te meten, namelijk door het vaststellen van de volumeflow of de massaflow. Dat wil zeggen dat dat een flowmeter ofwel een volumeflowmeter ofwel een massflowmeter is. Het is echter mogelijk om aan de hand van het volume de massa te berekenen en vice versa mits de dichtheid en de afgesproken variabelen bekend zijn. De vraag of een volumeflowmeter of een massflowmeter de beste oplossing is, is afhankelijk van de applicatie, de bijbehorende componenten en het doel van de meting.

Ultrasone volume flowmeter (ES-FLOW) Ultrasone volume flowmeter (ES-FLOW)

Categorieën flowmeters

Sommige flowmeters blijken al heel snel niet in aanmerking te komen omdat zij niet geschikt zijn voor de betreffende applicatie. Zo zijn elektromagnetische flowmeters [https://www.bronkhorst.com/products/liquid-flow/mag-view/] bijvoorbeeld niet geschikt voor koolwaterstoffen en moet er gebruik gemaakt worden van een geleidende vloeistof om die meters goed te laten functioneren. Veel flowmeters kunnen daarnaast geen gassen of slurry meten. Een overzicht van de belangrijkste categorieën flowmeters in combinatie met het medium dat zij kunnen meten;

  • GasCoriolis massa, thermische massa, ultrasoon, variabele doorlaat, variabele differentiële druk, positieve verplaatsing, turbine
  • VloeistofCoriolis massa, thermische massa, ultrasoon, variabele differentiële druk, positieve verplaatsing, turbine, elektromagnetisch
  • Slurry – Coriolis massa, sommige subcategorieën van variabele differentiële druk, elektromagnetisch, ultrasoon
  • Damp – vortex, ultrasoon, diafragma, vlotter

Vloeistofeigenschappen

Het is van cruciaal belang dat de eigenschappen van de te meten vloeistof bekend zijn. Een aantal van de belangrijkste componenten;

  • soort vloeistof – vloeibaar, gas, slurry, damp;
  • dichtheid;
  • viscositeit;
  • temperatuur;
  • druk;
  • toestand van de vloeistof – bevat deze oneigenlijke objecten, zwevende deeltjes, luchtbellen;
  • andere verontreinigende stoffen;
  • consistentie van de flow – consistent of wisselend, wordt de buis volledig of gedeeltelijk gevuld of wisselt dat?;
  • flowbereik – de minimale en maximale flow;
  • Corrosieve kenmerken van het materiaal – corrosieve vloeistoffen of gassen kunnen de inline sensoren aantasten.

Fysieke eigenschappen

Het is ook belangrijk om inzicht te hebben in de fysieke aspecten van de applicatie-omgeving. Zo moet onder andere rekening worden gehouden met de volgende fysieke eigenschappen:

  • configuratie van de buis vóór en na de flowmeter en de lengte van de rechte buis bij invoer en uitvoer van de flowmeter;
  • de diameter van de buis. Sommige flowmeters presteren slecht met hele dunne buizen, terwijl andere flowmeters niet in staat zijn om vloeistoffen in buizen met een grotere doorsnede te meten;
  • het materiaal waarvan de buis is gemaakt;
  • de onmiddellijke omgeving van de applicatie en de vraag of die stabiel of variabel is;
  • moet de flowmeter onder een bepaalde hoek werken? Dit kan namelijk het functioneren van de flowmeter aanzienlijk beïnvloeden.

Thermische mass flowmeter voor gas (EL-FLOW Prestige) Thermische mass flowmeter voor gas (EL-FLOW Prestige)

Specificaties van flowmeters

Last but not least moeten bij de keuze van de juiste flowmeter uiteraard ook de specificaties van het meetinstrument zelf in aanmerking worden genomen.

Nauwkeurigheid – Natuurlijk is nauwkeurigheid een belangrijke factor voor een flowmeter. Het lijkt vergezocht om nauwkeurigheid een van de variabelen van meetapparaten te noemen. Wie zou er namelijk een flowmeter aanschaffen die niet nauwkeurig is? Maar niet alle flowmeters hebben dezelfde nauwkeurigheid; en voor sommige applicaties is die nauwkeurigheid niet eens van belang.

Herhaalbaarheid – Herhaalbaarheid duidt op het aantal keren (in %) dat het uitvoeren van dezelfde test of meting onder gelijke omstandigheden hetzelfde resultaat oplevert. Voor een adequate nauwkeurigheid is die herhaalbaarheid een vereiste, maar voor die herhaalbaarheid is nauwkeurigheid geen randvoorwaarde. Daarvoor is alleen maar consistentie vereist. Dat betekent dat de mate van herhaalbaarheid vaak als een belangrijker aspect van flowmeters wordt beschouwd dan nauwkeurigheid.

(Regel)bereik – Hiermee wordt aangegeven wat het bereik is van een flowmeter om gassen of vloeistoffen nauwkeurig te kunnen meten. Doorgaans verdient het aanbeveling om een flowmeter te kiezen met een zo groot mogelijk bereik zonder dat dit ten koste gaat van andere, meer kritische componenten.

Hygiënevereisten – Met name flowmeters voor de voedingsindustrie en de farmaceutische en medische sector vereisen steriele applicatieomgevingen.

Kosten – Zoals eerder al aangegeven, moet hierbij ook rekening worden gehouden met de installatie, het onderhoud en de reparaties tijdens de levenscyclus van het meetapparaat. Door de kosten voor het gebruik van de meters in aanmerking te nemen (zoals het energieverbruik), kunnen de totaalkosten voor een flowmeter hoger uitvallen.

Zoals je merkt, komen er bij de zoektocht naar de juiste flowmeter veel variabelen om de hoek kijken. En de variabelen die ik hier heb toegelicht, zijn weliswaar belangrijke variabelen, maar er zijn er nog veel meer. Ik heb het bijvoorbeeld nog niet gehad over de diverse opties van de verschillende modellen. De beste manier om de juiste meter te kiezen, is het inschakelen van relevante expertise tijdens je zoektocht. Ervaring is wel degelijk van belang.

Het is belangrijk om informatie in te winnen bij mensen die deze complexe en belangrijke apparaten door en door kennen. Als je de ondersteuning van Bronkhorst op prijs stelt tijdens jouw zoektocht naar de flowmeter die het beste bij jouw behoeften aansluit, neem dan contact met ons op.

  • Nadat je de juiste flowmeter heeft geselecteerd, is het installeren van dat meetinstrument de volgende stap. Graham Todd geeft je een aantal nuttige tips voor het installeren van een massflowmeter. Lees hier meer!

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Gerhard Bauhuis
Cover Image

Vanuit de Europese Commissie is het ‘Graphene Flagship’ ontstaan, een onderzoeksinitiatief gecreëerd met als doel om voor 2020 de ontwikkeling van Grafeen concreet te maken, van laboratoria naar de (consumenten) markt.

Wat is grafeen?

Grafeen kan onderverdeeld worden in 3 verschillende typen: enkellaags, dubbellaags en multi-laags grafeen:

  • Enkellaags grafeen is de puurste vorm die verkrijgbaar is en de vorm die bijzondere eigenschappen heeft. Deze eigenschappen maken (enkellaags) grafeen een aantrekkelijk product voor een groot aantal toepassingen.
  • Dubbellaags en multi-laags grafeen beschikken over andere (minder kwalitatieve) eigenschappen. Naarmate het aantal lagen toeneemt, wordt het steeds voordeliger om te produceren.

In deze blog beperk ik mij tot enkellaags grafeen, gezien dit vooralsnog het beste resultaat geeft in het onderzoek.

Grafeen is ‘s werelds eerste 2D materiaal bestaande uit een enkele atoomlaag koolstof; het materiaal waar ook diamant en een potloodpunt van zijn gemaakt. De koolstofatomen van grafeen zijn gerangschikt in een hexagonale (honingraat/kippengaas) structuur. Hierdoor beschikt enkellaags grafeen over de volgende eigenschappen:

  • 200 keer sterker dan staal
  • 1.000.000 keer dunner dan één menselijk haar
  • Het lichtste materiaal ter wereld (1 m² weegt ongeveer 0,77 milligram)
  • Flexibel
  • Transparant
  • Ondoordringbaar voor moleculen
  • Bijzonder goede elektrische geleiding en warmte geleiding

Grafeen kan ook worden gecombineerd met andere materialen, zoals gassen en metalen, om nieuwe materialen met de bovengenoemde eigenschappen te produceren of bestaande materialen te verbeteren.

Afbeeldingsomschrijving “3D model structure of graphene”

Productie van grafeen

Op dit moment lijkt er nog geen methode beschikbaar om grafeen op grote schaal tegen acceptabele kosten te produceren. Hier wordt nog onderzoek naar verricht.

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD)

Er zijn een aantal methoden om grafeen te produceren. Eén van de bekendste methoden die momenteel wordt gebruikt voor productie van enkellaags grafeen is Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bij deze methode wordt een mix van gassen, waarvan ten minste één gas (deels) uit koolstof bestaat, verhit, totdat er een plasma ontstaat. Massflowmeters en -controllers worden in CVD processen gebruikt om de benodigde gassen en vloeistoffen in de correcte verhoudingen in het proces te doseren.

In PE-CVD zorgt het plasma ervoor dat een laagje grafeen op een substraat van nikkel of koper wordt gedeponeerd. De verhitting kan plaats vinden in een vacuüm. Er zijn ook zogenoemde ‘groene’ CVD productiemethodes, hierbij vindt verhitting plaats onder atmosferische druk. Met behulp van Chemical Vapour Deposition kunnen grotere vellen grafeen geproduceerd worden.

In dit proces worden precursors gebruikt; stoffen die een gewenste chemische reactie op gang brengen. Deze precursors zijn vaak vloeibaar, waardoor verdamping noodzakelijk is om een gas te vormen dat in het CVD proces gebruikt kan worden.

Wanneer er gebruik wordt gemaakt van (Plasma Enhanced) Chemical Vapour Deposition, PE-CVD, is het cruciaal dat het plasma met de juiste verhoudingen en precisie wordt gecreëerd, dit wordt gedaan met behulp van zeer nauwkeurige flow instrumenten. Een afwijking in het plasma kan er namelijk voor zorgen dat er defecten ontstaan in de grafeenlaag. Defecten zijn onzuiverheden in de 2D structuur die de unieke eigenschappen van grafeen kunnen veranderen.

Grootschalige productie van grafeen door plasma gebaseerde technieken

Onlangs heeft Iberfluid Instruments S.A., onze Spaanse distributeur, samengewerkt met de Universiteit van Cordoba aan een onderzoek over de mogelijkheden voor grootschalige productie van grafeen door gebruik te maken van een op plasma gebaseerde techniek met atmosferische druk. Hierbij werd ethanol verdampt door middel van een Bronkhorst verdampingssysteem, het zogenaamde Controlled Evaporation and Mixing (CEM) systeem voor de vorming van plasma.

Bij gebruik van een verdampingssysteem worden vloeistoffen direct verdampt om zo het juiste gas voor het plasma te creëren. Een mogelijke samenstelling van een verdampingssysteem kan bestaan uit een Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing – CEM - systeem met een vloeistofmeter (bijv. een Coriolis Mass flowmeter uit de serie mini CORI-FLOW voor ethanol, een gasregelaar (bijv. EL-FLOW Mass flowregelaar) voor argon dat fungeert als een draaggas en een ixventiel met daaraan gekoppelde warmtewisselaar.

Een verdampingssyteem zoals het Bronkhorst CEM-systeem kan goede prestaties leveren op gebied van stabiliteit en nauwkeurigheid. Deze eigenschappen zorgen voor een betrouwbare totstandkoming van het plasma en leidt uiteindelijk tot een hogere kwaliteit grafeen.

Afbeeldingsomschrijving

Bronkhorst CEM-Systeem gebruikt voor het onderzoek van de Universiteit van Cordoba

In het onderzoekdocument ‘Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch, staat beschreven waarom de Universiteit van Cordoba (ES) het Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing systeem toepast in een PE-CVD grafeen productieproces.

Toepassingsgebieden voor grafeen

Door de vele bijzondere eigenschappen is men bezig met onderzoek in een groot aantal toepassingsgebieden. Hierbij wordt vooral gekeken naar enkellaags- en dubbellaags grafeen. Vooralsnog lijkt het erop dat enkellaags grafeen de beste resultaten geeft. Ook wordt er gekeken naar het toepassen van flakes; dit zijn kleine stukjes grafeen die vermengd kunnen worden met ander materiaal, zoals polymeren. De eigenschappen van deze materialen kunnen door toevoeging van graphene flakes verbeterd worden.

Door de vele bijzondere eigenschappen van grafeen worden veel mogelijke toepassingen gezien in verschillende industrieën. Een aantal voorbeelden van toepassingen op basis van enkellaags grafeen:

  1. Waterzuivering: Wetenschappers zijn op dit moment bezig met het maken van een geavanceerd filtersysteem gebaseerd op grafeenoxide dat ervoor moet zorgen dat vervuild water drinkbaar wordt.

  2. Medische industrie: Aangezien grafeen niet giftig voor het lichaam is, doet men onderzoek naar de mogelijkheden om grafeen in te zetten bij medicijntransport in het lichaam, waarbij het medicijn wordt vastgemaakt aan het grafeen. Grafeen heeft ook als eigenschap bacterievorming te voorkomen waardoor het ook gebruikt kan worden als coating voor implantaten.

  3. Energie industrie: Vanwege het grote oppervlak en de goede elektrische geleiding zou grafeen gebruikt kunnen worden voor energie opslag. Het doel hierbij is om grafeen batterijen vele malen compacter te maken dan nu het geval is, terwijl ze over meer capaciteit beschikken en binnen enkele seconden volledig opgeladen zouden zijn.

  4. Textiel industrie: Grafeen zou gebruikt kunnen worden om elektronica in textiel te verwerken zoals effectieve, efficiënte en zeer nauwkeurige sensoren. Verder kunnen met grafeen anti-corrosie coatings en geleidende inkten worden gemaakt.

  5. Semiconductor industrie: Door de goede elektrische- en thermische geleiding biedt grafeen mogelijkheden om de snelheid en capaciteit van chips (voor computers en smartphones) te vergroten.

Wij blijven de ontwikkelingen van grafeen nauwlettend volgen. We houden u op de hoogte.

Download het applicatieverhaal m.b.t. de setup gebruikt bij de Universiteit van Cordoba.

Lees ook de gastblog van John S. Bulmer, wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge, over het onderzoek naar de productie van Carbon Nanotubes.

Meten en regelen van NO2 – niet alledaags, wel mogelijk

Meten en regelen van NO2 – niet alledaags, wel mogelijk

Christian Monse
Cover Image

De emissie van stikstofoxiden (bijvoorbeeld NO2) in onze atmosfeer is vandaag de dag een wereldwijd probleem. Overal zijn onderzoekers en ontwikkelaars volop in beweging om verbeterde en nauwkeurigere simulatie- en meetmethoden te ontwikkelen, evenals efficiëntere katalysatoren. Dit geldt overigens voor zowel stationaire verbrandingsprocessen (bijvoorbeeld krachtcentrales, staalproductie en materialen voor de chemische sector) en mobiele toepassingen in de automotive om de NO2 te verminderen met Selective Catalytic Reduction (SCR). Ammoniak of ammoniakvormende verbindingen (ureum) worden toegevoegd om zuivere stikstof en water te vormen.

NOx is de verzamelnaam voor luchtvervuilende stikstofoxiden, waaronder stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2). De nadruk ligt in dit geval op de radicale stikstofdioxide en zijn dimeer-distikstof-tetroxide N2O4. NO2 is giftig en daarom moet de emissie in de directe omgeving zo beperkt mogelijk gehouden worden. Hoewel NO2 veelal als bijproduct ontstaat bij verschillende verbrandingsprocessen, hebben zowel technische ontwikkelaars in de industrie, alsmede ontwikkelaars van preventieve medicijnen hiermee te maken.

Het evenwicht hiertussen legt ook het probleem bloot van het meten en regelen van de gasflow die NO2 in hogere concentraties bevat. Vooral als het gaat om pure NO2, die perfect in balans is met zijn dubbele vorm N2O4, want die is afhankelijk van temperatuur en druk en bovendien zijn licht en oppervlaktecondities ook van invloed (bij 27oC is slechts 20% aanwezig als NO2, de resterende 80% als dimeer N2O4). Het mengsel is zeer gevoelig voor vocht en kan reageren met vocht tot salpeterzuur (HNO3) en salpeterig zuur (HNO2), die op hun beurt zeer corrosief zijn.

Gasmengsels met NO2

In onderzoek naar verbrandingsprocessen met NO2-emissie of het testen annex ontwikkelen van katalysatoren, moet een nauwkeurig bekende stroomsnelheid van gasmengsels met NO2 worden gerealiseerd. Dit geldt niet alleen voor de katalyse, maar ook voor het effect van NO2 op het organisme en de omgeving, omdat NO2 vanwege zijn reactiviteit erg giftig is.

Afbeeldingsomschrijving

In één van onze projecten is een systeem opgebouwd dat bestaat uit een gasfles, naaldventiel, spoelunit, overdrachtsleidingen en een massflowregelaar, die stikstofdioxide (NO2) kan doseren binnen het bereik van 0 – 6 g/h bij kamertemperatuur.

Uitdagingen met thermische massflow

Gebruikelijke massflowmeters en –regelaars werken met thermische meetprincipes (met bypass sensor of volgens het CTA-principe (Constant Temperature Anemometry). Thermische sensoren gaan uit van warmtetransport in het sensorelement. Dit principe is afhankelijk van het type gas, omdat het warmtetransport direct afhankelijk is van de warmtecapaciteit en de thermische geleidbaarheid van het te meten gas. Omdat NO2 een temperatuur- en drukafhankelijk evenwicht heeft met N2O4, kunnen de parameters in de sensor continu veranderen. Het is alleen niet voldoende om binnen dit evenwicht alleen conversiefactor te gebruiken voor een referentiegas, vooral niet als het gaat om NO2 of N2O4. Door gravimetrische tests uit te voeren is vastgesteld dat er enorme onderdosering op kan treden bij dosering van zuivere NO2 (ongeveer 10% van de streefwaarde). Een andere uitdaging hierin is dat een thermische massflowregelaar in gesloten toestand, dat wil zeggen een stroomsnelheid van 0 ml/min, pseudosignalen kan produceren tot 10% van het maximale doseerbereik. Dat komt door het feit dat het sensorelement een mengsel van NO2 en N2O4 bevat, dat voortdurend wordt beïnvloed door de actieve verwarming van het element. Daarmee wordt dus een warmtetransport nagebootst en dus wordt er een stroomsnelheid aangegeven.

De oplossing: een Coriolis massflowregelaar

De oplossing in dit probleem is een Coriolis massflowregelaar in plaats van een thermische, die werkt met een ander principe. Het maakt namelijk niet uit in hoeverre de balans tussen NO2 en N2O4 aan de ene of andere kant bevindt, want het gaat uiteindelijk om de getransporteerde massa. Punt van aandacht is in het geval van een Coriolis massflowregelaar wel dat het te doseren medium zich in een gedefinieerde fysische toestand bevindt, dus volledig vloeibaar of volledig gasvormig. Het kookpunt van NO2 is 21oC bij atmosferische druk, dus het complete doseersysteem inclusief gasfles, naaldventiel, spoelunit, transportleidingen en massflowregelaar kunnen worden verwarmd. Omdat koeling door verdamping pas plaatsvindt binnenin de massflowregelaar op het moment van NO2 dosering bij het drukontlastingspunt, moet de temperatuur aanzienlijk hoger worden ingesteld dan 21oC. Pas bij een temperatuur van 45oC is kan een dosering binnen het bereik van 0 – 6 g/h worden gerealiseerd zonder fluctuaties door condensering en herverdamping van NO2. In deze opstelling is een Bronkhorst mini CORI-FLOW ML120 gebruikt. Dat is een Coriolis instrument met het laagste flowbereik ter wereld en dus zijn deze kleine doseringen van NO2 daarmee goed mogelijk.

Controleer de dosering van stikstofoxide (NO2)

De hoeveelheid NO2 die gedoseerd is, wordt gecontroleerd met gravimetrische metingen. NO2 wordt via een verwarmde leiding overgebracht naar een glazen U-buis met shut-off ventielen, waar het wordt bevroren tot een temperatuur van -50oC. De ventielen zijn dan gesloten en het condensaat wordt ontdooid tot kamertemperatuur en vervolgens gewogen. In totaal werden er vijf verschillende massflows getest. De afbeelding laat het resultaat zien van de controle en bevestigt dus de zeer kleine afwijkingen tussen de gewenste en de werkelijke doseringshoeveelheden. Bovendien is goed te zien dat de massflowregelaar lineair werkt in het geteste bereik tussen 0,1 en 4,0 g/h.

Afbeeldingsomschrijving

Dit bewijst dus dat zelfs bij lage druk een nauwkeurige regeling van kleine hoeveelheden NO2 kan worden bereikt. Zoals eerder is vermeld is stikstofdioxide (NO2) een onderdeel van een mengsel van stikstofoxiden (NOx). Vermindering van NOx kan ook worden gerealiseerd met Selective Catalytic Reduction (SCR). In dit geval wordt ammoniak of ammoniakvormende verbindingen toegevoegd om zuivere stikstof en water te vormen.

Lees in de blog van Chris King hoe dit proces precies werkt en hoe massflowmeting kan bijdragen aan de ammoniakregulatie.

Wilt u automatisch onze maandelijkse updates in uw inbox ontvangen? Registreert u zich nu!

Afbeeldingsomschrijving

Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

John S. Bulmer (Cambridge University)
Cover Image

Als wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge ben ik nauw betrokken bij een interessant project met betrekking tot Carbon Nanotubes (CNT, letterlijk vertaald: koolstof nanobuisjes). Samen met Bronkhorst zitten we momenteel midden in de ontwikkeling van een reactor waarmee we de productie van dit uitzonderlijk sterke en geleidende materiaal kunnen controleren. In deze blog ga ik dieper op dit onderwerp in en probeer ik uit te leggen waarom ik ervan overtuigd ben dat Carbon Nanotubes wel eens hét materiaal van de toekomst zou kunnen zijn.

De geschiedenis én toekomst van Carbon Nanotubes (CNT)

Oorspronkelijk kennen we koolstof in drie moleculaire vormen:

  • diamand
  • grafiet
  • amorfe koolstof

En toen ineens was daar halverwege de jaren ’80 een nieuwe moleculaire vorm van koolstof die in een onderzoek het licht zag. Dat betekende gelijk de start van de multidisciplinaire wereld van de nanotechnologie. Dit nieuwe molecuul bestaat uitsluitend uit koolstof en draagt de naam Buckminsterfullereen. Het is als het ware een kooi van koolstofatomen op nanometerschaal en de molecuulstructuur lijkt op de vorm van een voetbal.

Een paar jaar later verscheen het moleculaire koolstof broertje van Buckminsterfullereen: Carbon Nanotubes (CNT). Voor CNT geldt eigenlijk praktisch dezelfde structuur, maar in deze variant strekken de nanobuisjes zich uit tot een lengte die miljoenen keren zo groot is dan zijn diameter. Saillant wetenschappelijk detail; de sterke en perfect geordende koolstofbindingen van CNT maken het het sterkste materiaal dat ooit is gemaakt. Electronen kunnen moeiteloos als eendimensionale geleiders door de nanobuisjes bewegen; dat maakt CNT vier keer zo geleidend als koper, met een maximale stroomcapaciteit die maar liefst duizend keer hoger ligt dan die van koper.

3D model van Buckminsterfullereen 3D model van Buckminsterfullereen

In het begin van deze eeuw, kwamen onderzoekers met processen op de proppen om vezels te produceren die bestonden uit dicht op elkaar gepakte CNT’s in een geordende microstructuur. Aanvankelijk bleven de typische eigenschappen van deze vezels ver achter bij de bijzondere eigenschappen van de individuele moleculen. Na een aantal tussentijdse verbeteringen, is de innovatieve CNT-vezel net zo sterk als het gebruikelijke carbon en vier keer zo geleidend. Naarmate de ontwikkelingen vorderen verwachten we dat CNT-vezels substantieel sterker zullen worden dan carbon en zal de geleidbaarheid en warmtecapaciteit zo’n vier keer groter zijn dan die van traditionele metalen als koper en aluminium.

Toepassingen van CNT-vezels zit met name in ontwikkeling van textielsoorten die bestand zijn tegen extreme omstandigheden (beschermende kleding, kogelvrije vesten etc.), composieten, materialen voor auto’s en kabels, vanwege de enorme sterkte. De intrede van CNT zou een gigantische impact kunnen hebben op ons dagelijkse leven, net als de invloed die plastic had op de wereld halverwege de vorige eeuw.

Carbon Nanotubes (CNT) op de Universiteit van Cambridge

Ons laboratorium heeft een productieproces ontwikkeld dat niet alleen CNT’s maakt in grote volumes, maar ook met een ongeëvenaarde perfectie in macroscopische textiel; alles in slechts één productiestap. Het productieproces an sich is in principe simpeler dan andere productieprocessen, zoals bijvoorbeeld de processen van het gangbaardere carbon of kevlar.

De Floating Chemical Vapour Deposition reactor (F-CVD) gebruikt in dit geval een ‘zwevende’ katalysator. Deze katalysator heeft slechts één koolstofbron nodig (tolueen), een katalysatorbron (ferroceen) en een op zwavel gebaseerde promotor (thiofeen). Deze drie componenten worden door middel van een draaggas (waterstof) met elkaar vermengd in een 1300 °C buisreactor, waardoor een zwevende CNT-wolk wordt gevormd. Het mechanisch extraheren van de CNT-wolk uit de buisreactor condenseert de wolk tot een bulkvezel met een strak geordende microstructuur. Dit wordt "CNT-spinnen" genoemd, dat gedaan wordt door “spinners”; speciaal beschermd personeel dat de vezel uit de CNT-wolk extraheert.

Het is een aardige uitdaging om de reactie onder controle te krijgen. De eigenschappen van het CNT materiaal variëren namelijk aanzienlijk tussen de productieseries, in relatie tot de gecontroleerde en ongecontroleerde parameter input. Hoe dat precies kan, is nog niet helemaal duidelijk.

Controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Door een feedbacklus te implementeren proberen we om de CNT-materiaaleigenschappen van de reactor te reguleren. De in- en outputvariabelen zijn specifiek geselecteerde materiaaleigenschappen, die automatisch worden gemeten en vastgelegd in een database; een overzicht van o.a. het buitenweer, het bedienend personeel, de leeftijd van de buis, de tussenstofconcentraties, gasstromen, etc. De database wordt voortdurend doorgespit voor correlaties, parameterinteractie en multidimensionale lineaire regressiemodellen die het reactorgedrag statistisch voorspellen. Dat gebeurt met behulp van de dataverkenningssoftware JMP ™.

Ter illustratie; afbeelding 1 laat een statistisch model zien voor de G:D ratio van het material. Dat is de ratio tussen grafiet (G) en grafietdefecten (D) van Raman spectroscopie, die een indicatie geeft van de mate van grafitische perfectie. Dit model is een functie van verschillende input parameters die statistische gezien het meest relevant zijn met betrekking tot de G:D ratio. Op de x-as is een voorspelde G:D waarde te zien van het model en op de y-as de gemeten waardes. Als het model perfect zou zijn geweest, dan was de verwachting dat de lijn volledig recht zou zijn in een hoek van 45 graden. Zoals te zien is, liggen de gemeten datapunten wijd verspreid rondom de lijn en dat geeft de geringe mate van beheersing van het reactieproces weer.

Afbeeldingsomschrijving

De opstelling die we hier gebruiken vermengt eerst de tussenstoffen (tolueen, ferroceen en thiofeen) en deze worden daarna via een draaggas (waterstof) in de oplossing geinjecteerd met behulp van een standaard pomp. Hiermee werd duidelijk dat er toch een geavanceerder systeem nodig was voor een betere controle over de reactor.

Bronkhorst’s oplossing voor controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Afbeelding 2 laat het verbeterde systeem zien. Afzonderlijke vloeibare tussenstoffen worden nu onafhankelijk gecontroleerd met Bronkhorst Coriolis instrumenten (mini CORI-FLOW series). Deze Coriolis massflowmeters geven uiterst precieze flows, zonder dat er calibratie nodig is tussen de twee tussenstoffen. Dat zorgt ervoor dat er geëxperimenteerd kan worden met verschillende CNT recepten. Het is Bronkhorst als enige gelukt om het uiterst nauwkeurige Coriolis principe op zeer kleine schaal toe te passen in dit onderzoek, door gebruik te maken van µCoriolis MEMS technologie.

Het flowbereik van tolueen gaat tot 200 g/h en voor thiopheen geldt zelfs een bereik van beneden de 100 mg/h. Het waterstof draaggas wordt geregeld door een robuuste, plug-and-play Bronkhorst massflow controller. Tot slot worden de precies gedoseerde tussenstoffen verdampt en samengebracht met het draaggas door middel van verdampertechnologie.

Afbeeldingsomschrijving

Met deze nieuwe en geavanceerdere instrumentatie is statistische modellering van F-CVD veel effectiever. De werkelijke waarde versus de voorspelde waarde geeft aan dat de respons van de reactor een stuk voorspelbaarder is en een veel hogere herhaalbaarheid heeft. Tot dusverre hebben we met dit beheersbare en goed vormgegeven reactorsysteem de CNT-productie verdubbeld en de grafiet kristallisatiegraad zelfs verdrievoudigd.

Houd ons in de gaten! Met Bronkhorst en andere belangrijke commerciële, academische en regeringspartners hopen we conventionele koolstofvezel binnenkort te overtreffen!

Bronkhorst informatie

Als je betrokken bent bij reactortechnologie, aarzel dan niet om contact op te nemen voor oplossingen voor je processen.

• Lees meer over de MEMS technologie dat is toegepast bij het onderzoek naar Carbon Nanotubes in de blog van Wouter Sparreboom.

Wilt u automatisch onze maandelijkse updates in uw inbox ontvangen? Registreert u zich nu!

Afbeeldingsomschrijving

Massflowmeting in ammoniakbeheersing om boetes te voorkomen

Massflowmeting in ammoniakbeheersing om boetes te voorkomen

Chris King
Cover Image

Het gebruik van watervrije ammoniak om stikstofoxiden te verminderen

Het is een techniek die al jaren bestaat, ‘Selective Catalytic Reduction’ ofwel SCR. Letterlijk vertaald betekent het selectieve katalytische reductie; een proces waarin stikstofoxiden (NOx) worden omgezet in diatomisch stikstof (N2) en water (H2O). Deze techniek zorgt voor sterk verminderde uitlaatgassen in bijvoorbeeld ovens en ketels. Het typische reductiemiddel dat gebruikt wordt is watervrije ammoniak (NH3), dat via een speciale katalysator in de uitlaatstroom wordt geïnjecteerd.

Eén van de klanten van Bronkhorst verkoopt en onderhoudt al ruim vijftig jaar ketels en pompen voor diverse commerciële en industriële toepassingen, waarbij ze een massflowregelaar gebruikten die niet betrouwbaar én niet robuust genoeg bleek te zijn voor hun toepassingen. Logischerwijs had dat natuurlijk ook negatieve gevolgen voor hun klanten, die te maken kregen met een slechte ammoniakbeheersing.

Massflowregeling en ammoniak, waarom?

Sommige NOx reductiesystemen zijn gebaseerd op het gebruik van vloeibare ammoniak of gasvormige ammoniak. Bronkhorst kan daarin uiterst nauwkeurig de dosering van ammoniak meten en reguleren, ongeacht de fase. De systemen van tegenwoordig maken gebruik van onder andere de MASS-STREAM (gas), IN-FLOW (gas) en de mini CORI-FLOW (vloeistof) om uiterst nauwkeurig de dosering van ammoniak te regelen die wordt geinjecteerd in de uitlaatstroom. Een belangrijk aspect daarin is dat de juiste reactie plaatsvindt, zonder verspilling van ammoniak. Als teveel ammoniak wordt geïnjecteerd bestaat de kans dat dat niet reageert en dus niet gebruikt wordt. Dat is niet alleen zonde van de ammoniak, maar brengt ook onnodige kosten met zich mee. Er bestaan strenge kwaliteitsvoorschriften die het toelaatbare niveau van NOx specificeren dat in de atmosfeer mag worden afgegeven. Worden die normen overschreden, dan zijn hoge boetes het gevolg. Het bedrijf moet haar klanten dus voorzien van een uiterst betrouwbare en robuuste oplossing voor deze toepassing. Dat vraagt om een massflowregelaar met een hoge herhaalbaarheid die geschikt is voor industriële omgevingen.

Afbeeldingsomschrijving

Welke massflowmeter kan hiervoor worden gebruikt?

In het NOx-reductiesysteem van onze klant worden de massflowregelaars gebruikt om de dosering van watervrije ammoniak in de uitlaatstroom te reguleren, die wordt geadsorbeerd op een katalysator. Het uitlaatgas reageert vervolgens met de katalysator en de ammoniak, waardoor stikstofoxiden worden omgezet in stikstof en water.

Bronkhorst raadde een massflowregelaar (MASS-STREAM) met behulp van de CTA (Constant Temperature Anemometer) technologie die ideaal is om verstopping te voorkomen in potentieel vervuilde industriële gastoepassingen.

Afbeeldingsomschrijving

Ik zal in het kort de werking van dit type massflowregelaar uitleggen en waarom deze geschikt is voor toepassingen als deze.

Het CTA-principe (Constant Temperature Anemometer) werkt met een rechte buis i.c.m slechts twee roestvrijstalen sondes (een verwarmingselement en een temperatuursensor ) in de gasflow . Een constant temperatuurverschil tussen de twee sondes wordt aangehouden met het vereiste vermogen om evenredig te zijn aan de massflow van het gas. Dit betekent dat de MASS-STREAM minder gevoelig is voor vuil, vocht of andere verontreinigingen in het gas, ten opzichte van een flowmeter met een bypass, die afhankelijk is van een perfecte flowverdeling tussen twee doorstroompaden. Het CTA-principe is dus ideaal om verstopping bij mogelijk vervuilde industriële gastoepassingen te voorkomen. Dankzij de rechte buis en de hoge herhaalbaarheid in meet- en regelmogelijkheden, kan de MASS-STREAM met robuuste IP65 behuizing gebruikt worden in zware toepassingen.

Lees meer over CTA technologie in onze blog

Wil je meer weten over welke Bronkhorst massflowmeters en –regelaars die werken met het CTA-principe? Kijk dan eens naar onze animaties