Meten en regelen van NO2 - niet alledaags, wel mogelijk

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.

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 21°C 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 21°C. Pas bij een temperatuur van 45°C 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.

mini CORI-FLOW™ ML120 Coriolis Mass Flow Controller

mini CORI-FLOW ML120 Coriolis Massflowregelaar

no2-dosierung-per-coriolis-massenflussregler

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 -50°C. 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.

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.

In een vorige blog legt Chris King hoe dit proces precies werkt en hoe massflowmeting kan bijdragen aan de ammoniakregulatie. Volg de onderstaande knop om meer te lezen.

Lees meer over het verminderen van het NOx-niveau

Meten en regelen van NO2 – niet alledaags, wel mogelijk

Gasmengsels met NO2

Uitdagingen met thermische massflow

De oplossing: een Coriolis massflowregelaar

Controleer de dosering van stikstofoxide (NO2)