Design and simulations of SOI CMOS micro-hotplate gas sensors

This paper describes a new generation of integrated solid-state gas-sensors embedded in SOI micro-hotplates. The micro-hotplates lie on a SOI membrane and consist of MOSFET heaters that elevate the operating temperature, through self-heating, of a gas sensitive material. These sensors are fully compatible with SOI CMOS or BiCMOS technologies, offer ultra-low power consumption (under 100 mW), high sensitivity, low noise, low unit cost, reproducibility and reliability through the use of on-chip integration. In addition, the new integrated sensors offer a nearly uniform temperature distribution over the active area at its operating temperatures at up to about 300-350°C. This makes SOI-based gas-sensing devices particularly attractive for use in handheld battery-operated gas monitors. This paper reports on the design of a chemo-resistive gas sensor and proposes for the first time an intelligent SOI membrane microcalorimeter using active micro-FET heaters and temperature sensors. A comprehensive set of numerical and analogue simulations is also presented including complex 2D and 3D electro-thermal numerical analyses. © 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Gain saturation in gas flow and chemical lasers

A theoretical model for gain saturation in gas flow and chemical lasers is presented. The theory is applicable to all possible numerical values of τ/τc, where τ is the characteristie flow time for the flowing gas to move across the laser action region and τc is the characteristic collision relaxation time. The saturation effects of the convection and the "source flow" of the inverted population are revealed. A general relation of gain coefficient and some new gain saturation laws are obtained. For the special case of τ/τc1, the present theoretical results agree with the experimental results on the "anomalous" saturation phenomena in the supersonic diffusion HF chemical laser determined recently by Gross and Coffer[8]. The theory also agrees with the measured results of saturation intensity varying with τ/τc in gas flow CO2 lasers[7]. For the special case of τ/τc1, the present theory is consistent with both the standard theory[1] for gas lasers where the gas has no macroscopic motion and the known gain saturation theory[2-5] for gas flow and chemical lasers.

Monte Carlo Valuation of natural gas investments

This paper deals with the valuation of energy assets related to natural gas. In particular, we evaluate a baseload Natural Gas Combined Cycle (NGCC) power plant and an ancillary instalation, namely a Liquefied Natural Gas (LNG) facility, in a realistic setting; specifically, these investments enjoy a long useful life but require some non-negligible time to build. Then we focus on the valuation of several investment options again in a realistic setting. These include the option to invest in the power plant when there is uncertainty concerning the initial outlay, or the option's time to maturity, or the cost of CO2 emission permits, or when there is a chance to double the plant size in the future. Our model comprises three sources of risk. We consider uncertain gas prices with regard to both the current level and the long-run equilibrium level; the current electricity price is also uncertain. They all are assumed to show mean reversion. The two-factor model for natural gas price is calibrated using data from NYMEX NG futures contracts. Also, we calibrate the one-factor model for electricity price using data from the Spanish wholesale electricity market, respectively. Then we use the estimated parameter values alongside actual physical parameters from a case study to value natural gas plants. Finally, the calibrated parameters are also used in a Monte Carlo simulation framework to evaluate several American-type options to invest in these energy assets. We accomplish this by following the least squares MC approach.

Guide to best practices for ocean CO2 measurements

CHAP 1 - Introduction to the Guide CHAP 2 - Solution chemistry of carbon dioxide in sea water CHAP 3 - Quality assurance CHAP 4 - Recommended standard operating procedures (SOPs) SOP 1 - Water sampling for the parameters of the oceanic carbon dioxide system SOP 2 - Determination of total dissolved inorganic carbon in sea water SOP 3a - Determination of total alkalinity in sea water using a closed-cell titration SOP 3b - Determination of total alkalinity in sea water using an open-cell titration SOP 4 - Determination of p(CO2) in air that is in equilibrium with a discrete sample of sea water SOP 5 - Determination of p(CO2) in air that is in equilibrium with a continuous stream of sea water SOP 6a - Determination of the pH of sea water using a glass/reference electrode cell SOP 6b - Determination of the pH of sea water using the indicator dye m-cresol purple SOP 7 - Determination of dissolved organic carbon and total dissolved nitrogen in sea water SOP 7 en Español - Determinacion de carbono organico disuelto y nitrogeno total disuelto en agua de mar SOP 11 - Gravimetric calibration of the volume of a gas loop using water SOP 12 - Gravimetric calibration of volume delivered using water SOP 13 - Gravimetric calibration of volume contained using water SOP 14 - Procedure for preparing sodium carbonate solutions for the calibration of coulometric CT measurements SOP 21 - Applying air buoyancy corrections SOP 22 - Preparation of control charts SOP 23 - Statistical techniques used in quality assessment SOP 24 - Calculation of the fugacity of carbon dioxide in the pure gas or in air CHAP 5 - Physical and thermodynamic data Errata - to the hard copy of the Guide to best practices for ocean CO2 measurements

Development of catalytic methane reforming systems integrating hydrogen selective PdCu membrane modules

En la presente tesis doctoral se ha estudiado la integración del proceso de producción de hidrógeno con su purificación mediante el empleo de membranas selectivas de hidrógeno. La producción de hidrógeno se realiza empleando catalizadores no convencionales de níquel soportado sobre magnesia y alúmina en un reactor catalítico. Se analiza la actividad de los catalizadores y la producción de hidrógeno mediante distintos procesos con metano como son la oxidación parcial catalítica (OPC), OPC húmeda y reformadoLa purificación de hidrógeno se realiza en un módulo provisto de una membrana selectiva de hidrógeno de PdCu depositado en un soporte poroso cerámico. Una vez optimizada su preparación mediante deposición no electrolítica se caracterizan. Para ello se determina su permeabilidad a distintas temperaturas y realizando ciclos térmicos en atmósferas inerte y de hidrógeno, que puede fragilizar el metal. Una vez preparados los catalizadores y las membranas se integran los dos sistemas y se determinan los parámetros de operación óptimos como la presión de la línea de alimentación y el caudal de gas de arrastre en el módulo de membrana. Ambos parámetros se optimizan para lograr la máxima recuperación de hidrógeno en el módulo de membrana. Por últimos se realizan ensayos completos de producción y purificación, que permiten observar el rendimiento del sistema y también el efecto que los compuestos de la mezcla compleja alimentada a las membranas tienen en su comportamiento. Para concluir la integración de procesos se realizan ensayos añadiendo azufre de forma que el sistema sea más similar al proceso real. Esto permite también analizar el efecto del azufre tanto en los catalizadores como en las membranas.

Avaliação das propriedades de barreira a gases de membranas obtidas a partir de dispersões aquosas à base de poliuretanos e argila

Materiais nanoestruturados têm recebido destaque na comunidade científica, destacando-se, dentre eles, os nanocompósitos à base de polímeros e argila. Quando esses materiais são obtidos no estado líquido, ressalta-se também o uso de água em substituição a solventes orgânicos, devido a questões ambientais. Neste trabalho foram sintetizadas dispersões aquosas à base de poliuretanos (WPUs) e argila hidrofílica do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica, com o objetivo de avaliar as propriedades de barreira a gases conferidas pela presença de argila e pela variação nas proporções entre os segmentos flexíveis poli(glicol propilênico) (PPG) e o copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG). Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e etilenodiamina (EDA), como extensor de cadeia. Foram sintetizadas dispersões aquosas com e sem a presença de argila, fixando-se a razão entre o número de equivalentes-grama de grupos diisocianato e hidroxila (razão NCO/OH) em 1,5. Nas formulações foi variado também o teor de argila em relação à massa de prepolímero em 0,5% e 1%. Foi adicionada uma etapa de agitação adicional com dispersor Turrax em algumas formulações. A argila foi previamente deslaminada em água deionizada e incorporada à formulação na etapa da dispersão do prepolímero. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade aparente. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR) e permeabilidade ao CO2. A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG). Foram observadas modificações nas propriedades dos filmes obtidos com a inserção da argila e com a variação no teor de segmentos à base de poli(glicol etilênico). A inserção da argila promoveu uma melhoria na resistência térmica das membranas bem como uma redução na permeabilidade das mesmas. Foi observado um aumento na permeabilidade das membranas obtidas a partir das formulações com maior percentual de copolímero (EG-b-PG), com e sem argila.

Avaliação técnico-econômica da implementação de um sistema de cultivo de microalgas na usina termelétrica Barbosa Lima Sobrinho com vista à biofixação de CO2

Este estudo teve como finalidade levantar dados para uma avaliação das alternativas tecnológicas (cultivos de microalgas e reflorestamento) para a biofixação de CO2 da atmosfera próxima à usina termelétrica; tendo sido utilizada como referência a Usina Barbosa Lima Sobrinho. Já existe um projeto de avaliação do efeito do reflorestamento na fixação do CO2 nesta usina e, neste trabalho, foi avaliada a alternativa do cultivo de microalgas. Uma pesquisa inicial foi feita na literatura para verificar qual a espécie de microalga seria a mais adequada para ser utilizada no estudo, tendo sido a espécie Chlorella sp. a selecionada. Posteriormente os sistemas de cultivo de microalgas mais comumente empregados no mercado foram levantados e foi selecionado o cultivo em tanques abertos como referência para a modelagem do processo. Utilizando os dados da termelétrica e da literatura foi possível estimar a quantidade de CO2 que será retirada da atmosfera caso um sistema de cultivo seja efetivamente instalado na usina termelétrica. Uma análise econômica foi realizada para determinar a viabilidade do projeto. Os resultados indicam que a utilização deste tipo de tecnologia é promissora

Preparation, characterization and gas sensing properties of high soluble metal (II) phthalocyanine thin films by spin-coating method

Three novel metal (II) phthalocyanine complexes were synthesized by cyclic tetramerisation reaction of a dicyano benzene component and different metal ions (Pd2+, Co2+, Zn2+). The structure of complexes was confirmed by elemental analysis, mass and IR spectrum. The excellent solubility of the complexes in benzene enabled us to obtain films by a spin-coating method. The films were characterized by IR, electronic spectral and AFM. The gas sensing properties to NO2 of the metal (II) phthalocyanine complex films were studied. In addition, the effects of different metal ions and the gas sensing temperature on the sensing properties were studied. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Caracterização de filmes formados por dispersões aquosas de poli(uretano-uréia)s para aplicação em membranas para permeação de gases

Entre os polímeros considerados promissores para a remoção seletiva de CO2, destacam-se aqueles que contêm os grupos glicol etilênico (EG). Nesta dissertação, foram obtidos filmes a partir de dispersões aquosas de poliuretano (PU), sintetizadas em trabalho anterior, à base de poli(glicol propilênico) (PPG), copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) (PEG) e PPG (EG-b-PG), ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e etilenodiamina (EDA). PPG, EG-b-PG e DMPA formaram as regiões flexíveis nas proporções de: PPG 100% e 0% EG-b-PG, PPG 75% e 25% EG-b-PG, PPG 50% e 50% EG-b-PG e PPG 25% e 75% EG-b-PG em termos de equivalentes-gramas. A influência da quantidade dos segmentos de PEG foi avaliada por ensaios de permeação com os gases CO2, CH4 e N2. Os filmes obtidos das dispersões foram caracterizados por espectrometria de infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), difração de raios x (DRX) e espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS). Espectros de FTIR mostraram que os segmentos de EG influenciaram a frequência da banda de carbonila. Curvas de perda de massa (TG) mostraram perfis semelhantes de degradação, enquanto que as curvas derivadas apresentaram diferenças. DRX e SAXS mostraram que os segmentos de PEG promoveram uma maior ordenação na estrutura da membrana. Testes de permeação de gases mostraram que o aumento do teor de PEG aumentou o valor da permeabilidade para o CO2, indicando que os segmentos de PEG interagiram favoravelmente com este gás. Em relação ao CH4 e N2, houve uma diminuição na permeabilidade quando comparados com os valores encontrados para o CO2, sendo atribuído a perda de mobilidade segmental. Em termos de seletividade, para o par CO2/CH4 foi obtido um valor médio de 61,7 para a membrana contendo o maior teor de PEG, e o par CO2/N2 um valor médio de 121,5, sendo superior aos valores encontrados na literatura, tornando o material promissor

Síntese e caracterização de filmes de nanopartículas de prata dispersas em poli(uretano-ureia) para separação de gases petroquímicos

A utilização de novos materiais aplicados aos processos de separação por membranas tem sido objeto de constante pesquisa acadêmica e tecnológica. Na permeação de gases petroquímicos, a modificação de estruturas poliméricas e o uso de membranas de transporte facilitado por adição de sais contendo metais ou nanopartículas destacam-se dentre as opções disponíveis. Os objetivos deste trabalho foram avaliar alterações químicas, estruturais e térmicas na matriz polimérica de poli(uretano-ureia) (PUU) provocadas pela adição de nanopartículas de prata (AgNps) e obter dados de pemeabilidade de gases petroquímicos (C2H4, C2H6, CO2 e N2) para avaliar a influência das AgNps no transporte desses gases através do filme polimérico. Alterações nos espectros de FTIR nas bandas de estiramento das ligações C-O-C e C=O (uretânica e ureica), e deslocamentos nos picos de difração, demonstram que houve interação entre as AgNps e o oxigênio éter do PUU. A interação com as AgNps diminuiu a estabilidade térmica dos domínios flexíveis do polímero, região onde são encontrados os grupos éteres. As imagens de TEM mostraram que houve baixa dispersão das Nps na matriz polimérica. A interação das AgNps com o grupo éter diminuiu a permeabilidade de todos os gases, porém a redução da permeabilidade do CO2 e do C2H4 foi muito mais significativa, mostrando a interferência das AgNps na sorção desses dois gases. O transporte facilitado de olefinas através dos filmes poliméricos não foi observado, em parte, causado pela baixa dispersão das AgNps na matriz polimérica. Apesar da interação, não foi possível responder se a superfície das Nps estava ativada para o transporte facilitado. Contudo, através dos resultados do trabalho foi possível propor um mecanismo de interação entre as AgNps e o PUU, e verificar como a presença das Nps pode alterar a interação da matriz polimérica com gases petroquímicos

Diesel Cylinder Charge Properties: Feed-Forward Control and Cycle-by-Cycle Analysis Using an In-Cylinder Gas Sampling System

Common-rail fuel injection systems on modern light duty diesel engines are effectively able to respond instantaneously to changes in the demanded injection quantity. In contrast, the air-system is subject to significantly slower dynamics, primarily due to filling/emptying effects in the manifolds and turbocharger inertia. The behaviour of the air-path in a diesel engine is therefore the main limiting factor in terms of engine-out emissions during transient operation. This paper presents a simple mean-value model for the air-path during throttled operation, which is used to design a feed-forward controller that delivers very rapid changes in the in-cylinder charge properties. The feed-forward control action is validated using a state-of-the-art sampling system that allows true cycle-by-cycle measurement of the in-cylinder CO2 concentration. © 2011 SAE International.

UEGO based measurement of EGR rate and residual gas fraction

A technique is presented for measuring the exhaust gas recirculation (EGR) and residual gas fraction (RGF) using a fast UEGO based O2 measurement of the manifold or in-cylinder gases, and of the exhaust gases. The technique has some advantages over the more common CO2-based method. In the case of an RGF measurement, fuel interference must be eliminated and special fuelling arrangements are is required. It is shown how a UEGO-based measurement, though sensitive to reactive species in the exhaust (such as H 2), as a system reports EGR/ RGF rates faithfully. Preliminary tests showed that EGR and RGF measurements using the O2 approach agreed well with CO2-based measurements. © 2011 SAE International.

Dynamic behaviour of gas jets in laser cutting

The efficiency and overall quality of a laser cutting operation is highly dependent on the assist gas parameters. The desire to cut thicker material has led to the observation of small process operating windows for thicker sections. The gas jet delivery and subsequent dynamical behaviour have significant effects on the cutting operation as the sample thickness increases. To date, few workers have examined the dynamical behaviour of the gas jet. This paper examines the characteristics of oxygen gas jets during CO2 laser cutting of steel. Particular emphasis is placed on the mass transfer effects that are operating within the kerf. Oxygen concentration levels within a model kerf are measured for various laser cutting set-ups. The results show a substantial reduction in oxygen concentration within the kerf. A system for oxygen concentration maintenance is described and cutting results from this system are compared with conventional techniques for cutting steels in the range 10 to 20mm thick. A theoretical analysis of turbulent mass transfer within a kerf is presented and compared with experiment.

A 5-step reduced mechanism for combustion of CO/H2/H2O/CH4/CO2 mixtures with low hydrogen/methane and high H2O content

In this study a 5-step reduced chemical kinetic mechanism involving nine species is developed for combustion of Blast Furnace Gas (BFG), a multi-component fuel containing CO/H2/CH4/CO2, typically with low hydrogen, methane and high water fractions, for conditions relevant for stationary gas-turbine combustion. This reduced mechanism is obtained from a 49-reaction skeletal mechanism which is a modified subset of GRI Mech 3.0. The skeletal and reduced mechanisms are validated for laminar flame speeds, ignition delay times and flame structure with available experimental data, and using computational results with a comprehensive set of elementary reactions. Overall, both the skeletal and reduced mechanisms show a very good agreement over a wide range of pressure, reactant temperature and fuel mixture composition. © 2012 The Combustion Institute..

The roles of energy and material efficiency in meeting steel industry CO2 targets.

Identifying strategies for reducing greenhouse gas emissions from steel production requires a comprehensive model of the sector but previous work has either failed to consider the whole supply chain or considered only a subset of possible abatement options. In this work, a global mass flow analysis is combined with process emissions intensities to allow forecasts of future steel sector emissions under all abatement options. Scenario analysis shows that global capacity for primary steel production is already near to a peak and that if sectoral emissions are to be reduced by 50% by 2050, the last required blast furnace will be built by 2020. Emissions reduction targets cannot be met by energy and emissions efficiency alone, but deploying material efficiency provides sufficient extra abatement potential.