Superkritische vloeistof; Hoe meten en regelen we de flow?

Ik werk al tien jaar bij Bronkhorst Frankrijk en de instrumentatiecarrière laat me ook vandaag de dag nog nieuwe toepassingen in verschillende markten ontdekken. Markten zoals de chemische industrie, de milieu-industrie, onderzoekstoepassingen en dergelijke, waarvoor flowcontrole- en meetoplossingen vaak essentieel zijn. De toepassingen waarbij superkritische vloeistoffen gebruik worden, zijn vaak complex vanwege de aard van de vloeistoffen.

Tijdens een van mijn bezoeken heb ik Jérémy Lagrue ontmoet, directeur en oprichter van SFE. Ik heb met hem gesproken over het gebruik van Coriolis-flowmeters in superkritische CO₂ processen.

Wat noemen we 'superkritische vloeistoffen'?

Superkritische kooldioxide bijvoorbeeld, is kooldioxide in vloeibare toestand en tegelijkertijd op of boven zijn kritische temperatuur en druk, wat vrij opgewone eigenschappen oplevert. De dichtheid, de viscositeit en de diffusie van de vloeistof liggen dan tussen die van de vloeibare fase en die van de gasvormige fase in.

Superkritisch diagram

Superkritische CO2 in extractieprocessen

Superkritische CO₂ is, geloof ik, de meeste bekende superkritische. Het is een belangrijk commercieel en industrieel oplosmiddel vanwege de rol die het speelt bij de chemische extractie, naast de lage toxiciteit en de impact op het milieu.

Superkritische CO₂ kan worden gevonden in extractieprocessen, zoals algen, oliën, smaken en actieve bestanddelen. Het wordt ook gebruikt in splitsingsprocessen, zoals drankfermentatie, ontgeuring van vetstoffen op het gebied van cosmetica en zuiveringsprocessen voor polymeren.

Deze inerte vloeistof is interessant omdat het zijn superkritische fase bereikt bij een relatief lage druk (73.8 bara) en een lage temperatuur (31,1 °C). Door de relatief lage temperatuur van het proces en de stabiliteit van CO₂kunnen de meeste verbindingen ook met weinig schade of denaturering worden geëxtraheerd.

Kooldioxide gedraagt zich meestal als een gas bij standaardtemperatuur en -druk (STP) of als een vaste stof die droogijs wordt genoemd wanneer het wordt ingevroren. Als de temperatuur en druk van de STP allebei worden verhoogd om op of boven het kritische punt voor kooldioxide te komen, kan het eigenschappen aannemen die het midden houden tussen een gas en een vloeistof.
Meer specifiek, het gedraagt zich als een superkritische vloeistof, boven zijn kritische temperatuur (31,1 °C) en kritische druk met de eigenschappen van een gas maar met de dichtheid gelijkend op die van een vloeistof.

Bovendien biedt CO₂ het voordeel dat het geurloos, niet giftig en niet brandbaar is. Het verandert niets aan het te extraheren of te zuiveren product. Om milieuredenen gebruiken steeds meer industrieën superkritische CO₂in hun proces omdat het gepositioneerd is als een alternatief voor organische oplosmiddelen. In tegenstelling tot oplosmiddelen die uit aardolie geproduceerd worden, is CO₂immers van nature beschikbaar en overvloedig aanwezig, waardoor het minder duur is. Er zijn echter zeer weinig oplossing om het te implementeren, omdat de installaties duur blijven.

Jérémy Lagrue, directeur en oprichter van SFE Process

Wat is SFE Process?

Jérémy Lagure: ''Bij SFE Process houden we ons bezig met toepassingen in hogedrukapparatuur en accesoires. De specialiteit van SFE Process is de productie van speciale machines of apparaten voor superkritische vloeistoffen (zoals CO₂). We leveren ook advies, metrologie-advies, onderhoud en training. SFE heeft een innovatief ontwerp van hogedrukpompen ontwikkeld voor processen met superkritische vloeistoffen, die gebruikt worden voor het comprimeren van vloeibare CO₂ tot 1000 bar of voor superkritische recirculatie.''

Welk probleem wil SFE oplossen?

''Onze klanten die actief zijn op de chemische markt, zoals de biotechnologie of de farmaceutische markt, willen CO₂ injecteren in een proces van moleculenscheiding of -fractie. Het doel is hier de scheiding van de moleculen. Om deze scheiding te realiseren is speciale apparatuur nodig. SFE Process fabriceert dit soort apparatuur, bovendien maken ze de pomp om het debiet deze specifieke vloeistof te genereren. De belangrijkste vereisten van deze pompen zijn stabiliteit, herhaalbaarheid en nauwkeurigheid.''

Bronkhorst Coriolis flowmeter en SFE-procespomp

Welke oplossing heeft SFE Process gekozen?

''Ik wilde mijn klanten de mogelijkheid bieden om hun massabalans in deze chemische processen vast te stellen. Aangezien ik lang met vele industrieën en laboratoria gewerkt heb, ken ik het belang van de flow parameter om de efficiëntie van het proces, de productiekosten en het rendement te bepalen en om de overgang van laboratoriumschaal naar industriële schaal te maken.''

SFE Process heeft goede ervaringen met superkritische CO₂, maar ze moesten de betrouwbaarheid van de apparatuur bewijzen en ook garanderen dat de CO₂-injectie zeer nauwkeurig en herhaalbaar is.

''Het probleem was om een nauwkeurige en betrouwbare flowmeter te vinden die de waarheidsgetrouwheid van de resultaten kan garanderen en die zich natuurlijk perfect leent voor het gebruik van superkritisch CO₂. Ik heb gekozen voor de Coriolis-flowmeter die Bronkhorst aanbiedt. Naast het ontwerp heeft de reputatie van deze flowmeter en de drie jaar fabrieksgarantie invloed op mijn keuze gehad, en de testen die met deze flowmeter zijn uitgevoerd, voldeden aan mijn verwachtingen.''

Wat zijn de resultaten van deze oplossing?

''De verbetering die ik ervaar, is dat uiteindelijke klanten zeker kunnen zijn van de hoeveelheid vloeistof die ze in hun proces stoppen. SFE Process kan de goede nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van de pomp verantwoorden door middel van flowmeting van de Coriolis-flowmeter. De nauwkeurigheid is dus verbeterd. Ik heb de Coriolis-flowmeter geïntegreerd in alle apparatuur die ik aan gebruikers aanbied met de fundamentele noodzaak om hun massabalans op te bouwen en te verwijzen naar een betrouwbare flowwaarde.''

Lees meer over de Coriolis producten die in deze oplossing worden gebruikt.