Dr. Jens Rother
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Jeder industriell umgesetzte Prozess hatte und hat seinen Ursprung in einem Laborversuch und die Abbildung von bereits bekannten industriellen Verfahren im kleineren Maßstab gewinnt zunehmende Bedeutung. Parameterstudien an Laborsystemen erlauben die effiziente Auslegung neuer Systeme, sowie die Optimierung bereits bestehender Industrieanlagen. Neben der eigentlichen „Ausbeute“ wie es bei den Chemikern genannt wird rücken auch Parameter wie Energie- und Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit wie die Vermeidung von Abfällen immer mehr in den Fokus der Aufmerksamkeit.

Substanzen für die Reinigung von Biogas

Druckwechseladsorptionsanlagen (PSA) beispielsweise nutzen Adsorptionsprozesse zur Aufbereitung von Bio- oder Erdgas. Dabei wird die bevorzugte Adsorption von Kohlendioxid (CO2) an Zeolithen oder kohlenstoffbasierten Sorbentien ausgenutzt, um hochreines Methan zu erzeugen. Dieses Methan kann u.a. in Blockheizkraftwerken zur Energieerzeugung verwendet werden und bietet eine Alternative zu anderen fossilen Brennstoffen. Gerade im Bereich der Druckwechseladsorption werden fortwährend neue Materialien entwickelt, welche durch optimierte sorptive Trenneigenschaften eine höhere Effizienz der Systeme versprechen. In frühen Entwicklungsstadien sind diese Materialien oft nur in sehr begrenzen Mengen verfügbar. In diesem Zusammenhang sind Untersuchungen im Labormaßstab von größter Bedeutung. Auf diese Weise kann vorab das Potential dieser Materialien und die damit verbundene Wirtschaftlichkeit der industriellen Prozesse bewertet werden.

Durchbruchsmessungen im Labormaßstab

Die Rubolab GmbH ist ein Spin-Off der Ruhr-Universität Bochum und der Firma Rubotherm und bietet ein breites Portfolio von verschiedenen Analyseinstrumenten für Sorptionsstudien. In 2012 wurde von uns das weltweit erste manometrische Screening-Instrument für Hochdrucksorption. In den letzten Jahren haben dynamische Adsorptionsstudien immer mehr an Bedeutung gewonnen. Zur Evaluierung neuartiger Sorbentien in kleinsten Probenmengen bietet Rubolab maßgeschneiderte Laboranlagen an. Hierbei werden Hochdruckbehälter mit dem zu analysierenden Materialien befüllt. Dieses Festbett wird dann mit definierten Gasflüssen unter verschiedenen Drücken beaufschlagt. Ein entsprechendes Fließbild ist der folgenden Abbildung zu entnehmen.

Rubolab Durchbruchs-Analyse

Im vorliegenden Beispiel wird die sorptive Trennung von CO2 und CH4 untersucht. Hierbei wird CO2 beim Durchströmen des Festbettes vom Material adsorbiert. Am oberen Ausgang des Adsorbers wird dabei ein hochreiner Methanstrom gewonnen. Das Festbett enthält drei verschiedene Temperatursensoren auf unterschiedlichen Höhen. Da Adsorptionsprozesse exotherm, d.h. unter Wärmeabgabe ablaufen, kann auf diese Weise die Massentransferzone (MTZ) detektiert werden. Nach Erreichen dieser Zone am Adsorberkopf wird ein Durchbruch mittels nachgeschalteter Gasanalytik registriert. Die gemessene CO2-Konzentration des Gasstromes nimmt dabei den Wert der Konzentration im Feedstrom an. In großindustriellen Systemen sollte der Adsorber zu diesem Zeitpunkt regeneriert werden. Die experimentellen Daten der Durchbruchmessung geben Aufschluss über das Adsorptionsvermögen des untersuchten Stoffes und bieten eine fundierte Grundlage für die Auslegung entsprechender Prozesse. Die hochgenaue Einstellung der Massenflüsse und die Regelung der gewünschten Staudrücke wird in diesen Systemen mit Hilfe von Massendurchflussreglern und Regelventilen der Fa. Bronkhorst sichergestellt. Insbesondere die neuste Generation der thermischen Durchflussregler, die Bronkhorst Prestige Reihe, werden in derartigen Laborsystemen verwendet.

Massendurchflussregelung und Druckregelventile

Zur hochgenauen Regelung von Massenströmen und Minderdrucken sind diese Geräte mit Bronkhorst-Massenstromregler und Druckregelventilen ausgestattet. Insbesondere Geräte der neuesten Generation von Massendurchflussreglern, die Bronkhorst EL-FLOW Prestige Serie, werden in entsprechenden Laborgeräten für hohe Präzision und Vielseitigkeit eingesetzt. In anderen Geräten, bei denen die Baugröße von großer Bedeutung ist, wird die Bronkhorst IQ+FLOW Serie verwendet, um die Vorteile der sehr kompakten Bauform und die Möglichkeit der Aufstellung kleiner Verteiler zu nutzen.

Massendurchflussregler der Baureihe EL-FLOW Prestige

EL-FLOW Prestige Massendurchflussmesser und -regler sind äußerst vielseitige Geräte mit ihrer Onboard-Datenbank für Gase und Gemische. So ist es einfach, auf sich ändernde Kundenbedürfnisse zu reagieren, ohne dass ein weiteres Gerät angeschafft werden muss, wenn sich das Prüfgas ändert. Die Prestige garantiert einen hochgenauen und reproduzierbaren Gasstrom durch eine automatische Temperaturkorrektur, neu entwickelte Sensor- und Ventiltechnik.

EL-FLOW Prestige

Massendurchflussregler der IQ+FLOW Serie

Die IQ+FLOW-Serie besteht aus ultrakompakten Massendurchflussmessern, Reglern und auch Druckreglern, die für Analysegeräte mit begrenztem Platzangebot konzipiert sind. Die integrierte Chiptechnologie ermöglicht eine schnelle Messung und Regelung bis in kleinste Mengen. 3-Kanal-Geräte für kundenspezifische Anwendungen sind ebenfalls erhältlich.

IQ+-Serie

Damit können wir von Rubolab ganz individuell auf die speziellen Anforderungen unserer Kunden eingehen und ein auf den Endanwender abgestimmtes Sorptionsinstrument konfigurieren.

Für weitere Informationen über Massendurchflussregler können Sie hier das White-Paper herunterladen:

Bitte füllen Sie das Formular aus, das Whitepaper wird Ihnen dann zum Download zur Verfügung gestellt.

Weitere Informationen über Rubolab finden Sie hier.

Sandra Wassink
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Es passiert uns allen..... Sie wollen joggen, spazieren gehen oder Fahrrad fahren und es regnet! Glücklicherweise gibt es wasserdichte Kleidung oder Regenmäntel. Was mich interessiert ist, wie diese Art von Bekleidung hergestellt wird. Wie wird ein Stoff wasserdicht oder wasserabweisend und dennoch atmungsaktiv? Was ist also für diese Eigenschaften verantwortlich? Eine Antwort auf diese Frage kann eine hydrophobe Beschichtung sein.

In unserem aktuellen Blog möchte ich gerne eine erfolgreiche Anwendung zur Hydrophobierung von Textilien mit einem CEM-Verdampfermodul (Controlled Evaporation and Mixing System) vorstellen.

CEM-Aufbau

Hydrophobe Beschichtung

Wasserdichte und dennoch atmungsaktive Kleidung verhindert das Eindringen von Regenwasser und lässt gleichzeitig Dampf, der beim Schwitzen entsteht, passieren - eine sehr wünschenswerte Eigenschaft bei allen Aktivitäten im Regen. Wie können nun Stoffe und Textilien hydrophobieren oder mit anderen Funktionalitäten versehen werden, ohne die Bulk-Eigenschaften ihrer Fasern zu beeinträchtigen?

Empa – die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Die Empa ist eine schweizerische Forschungsinstitution für anwendungsorientierte Materialwissenschaften und Technologien mit drei Standorten in der Schweiz und Teil der ETH (Eidgenössische Technische Hochschule) in Zürich. Hier erforscht eine Arbeitsgruppe die Anwendung von Plasmapolymerisation zum Aufbringen extrem dünner nanoskaliger Schichten auf Textilien und Fasern. Darüber wird die Oberfläche der Fasern gezielt funktionalisiert und bestimmte Eigenschaften erzeugt. In diesem Fall wird sie wasserabweisend gemacht.

Eine wichtige Rolle spielte dabei ein geregeltes Verdampfungs- und Mischsystem, auch CEM-System genannt, insbesondere bei der kontrollierten Versorgung mit Polymer-Vorläufern. Ein CEM-System ist ein innovatives System für die Verdampfung von Flüssigkeiten (Liquid Delivery System - LDS), das für atmosphärische oder Vakuumprozesse eingesetzt werden kann. Das Dampferzeugungssystem besteht aus einem (thermischen oder Coriolis) Flüssigkeits-Durchflussregler, einem MFC für Trägergas und einer temperaturgesteuerten Misch- und Verdampfungseinrichtung. Weitere Informationen über das CEM-System finden Sie auf in unserem Blog über Verdampfersysteme.

CEM mit mini CORI-FLOW

Plasmapolymerisation

In Labormaßstab eines Niederdruck-Plasmapolymerisationsprozesses (0,1 mbar) wird der flüssige Polymer-Precursor (das Monomer) Hexamethyldisiloxan (HMDSO) verdampft und sukzessive durch das Plasma aktiviert, um auf der Faseroberfläche als hydrophobe Beschichtung polymerisiert und abgeschieden zu werden. Um einen stabilen und reproduzierbaren Polymer-Precursor-Dampffluss zu erhalten, muss der flüssige HMDSO-Durchfluss sowie ein Trägergasfluss exakt geregelt werden.

Zur Verdampfung des HMDSO wird ein CEM-System eingesetzt. In diesem Aufbau wird HMDSO flüssig aus einem Behälter bei Raumtemperatur entnommen und mit einem Coriolis-Durchflussmesser gemessen. Anschließend wird das flüssige HMDSO mit Argonträgergas aus einem thermischen Massendurchflussregler vermischt und in einem Wärmetauscher kontrolliert verdampft. Der Dampfstrom wird mit 0,1 mbar Absolutdruck in die Plasma-Reaktionskammer eingeleitet. Alle Systeme werden von einer SPS gesteuert und mit der LabView-Software visualisiert.

Der thermisch relativ instabile Precursor HMDSO ermöglicht die Abscheidung von Polysiloxanschichten bei niedrigen Temperaturen. Dadurch ist es möglich, Textilfasern zu beschichten, die hohen Temperaturen nicht standhalten. Die Versuche der Empa, die Plasmapolymerisation unter niedrigem Druck durchzuführen, zielen darauf ab, die Produktionsausbeute durch Förderung der heterogenen Abscheidung auf der Faseroberfläche und durch Reduzierung des Chemikalienanteils zu erhöhen.

Nach erfolgreichem Versuchsaufbau und Test ist es das Ziel der Empa, den Prozess vom Labormaßstab bis zum industriellen Maßstab zu entwickeln und so eine neue Methode der Hydrophobierung zu entwickeln.

EMPA

Adam Mumford
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Was ist FLUIDAT?

FLUIDAT ist die Online-Kalkulationssoftware von Bronkhorst. Diese Software ermöglicht es Ihnen als Anwender, verschiedene theoretische Berechnungen für Ihre Instrumente durchzuführen. Wir alle, die mit Gasen und Flüssigkeiten bei sich immer wieder verändernden Prozessbedingungen arbeiten, kennen die Herausforderungen, die so etwas mit sich bringt. Insbesondere wenn es darum geht, Prozesse zu verstehen, ist die genaue Kenntnis des Fluidverhaltens bei den aktuellen Drücken, Temperaturen und Durchflüssen extrem wichtig.

Hinzu kommt, dass auch das Instrument selbst geeignet sein muss, um Ihre Applikation effektiv zu unterstützen, es muss also den Anforderungen in puncto Genauigkeit und Reproduzierbarkeit entsprechen, es müssen aber auch, insbesondere bei korrosiven oder empfindlichen Fluiden und Mischungen, Materialbeständigkeiten mit berücksichtigt werden. Die Auswahl des passenden Instrumentes ist also fundamental für eine erfolgreiche Applikation. Auch für zukünftige Anwendungen ist es wichtig, die Möglichkeiten eines Instrumentes genau zu kennen, häufig wird dasselbe Gerät in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.

Hierbei kann FLUIDAT Sie direkt unterstützen, denn der Anwender kann instrumentenbezogen den Anwendungsbereich seines Gerätes berechnen. Zum Beispiel können Sie hier berechnen, ob ein Instrument bei abweichenden Drücken, Durchflüssen oder für andere Fluide Ihrer Anwendung gerecht wird. In manchen Fällen führt kein Weg an einer Neuanschaffung oder einer Rekalibrierung vorbei, aber häufig kann ein vorhandenes Gerät eingesetzt werden. Mit FLUIDAT können Sie herausfinden, ob Ihr Gerät geeignet ist und entsprechend auf die aktuellen Bedingungen umrechnen.

Seit langer Zeit existiert Literatur über Fluidparameter in Form von technischen und physikalisch/chemischen Handbücher mit Graphen und Tabellen für die Parameterbestimmung oder die Koeffizientenberechnung. Da dies in der Vergangenheit für den Endanwender häufig schwierig war, hat Bronkhorst die Online-Datenbank FLUIDAT bereitgestellt. Die enthaltenen Programme ermöglichen die Kalkulation von Parametern für tausende Fluide (Reinstoffe und Multikomponentengemische) für verschiedene Arbeitsbedingungen. Auch komplexe Berechnungen werden so möglich.

Ein Beispiel ist das Berechnungstool für unser Verdampfersystem CEM (Controlled Evaporation Mixing device)

Wird für einen Prozess eine bestimmte Menge Dampf benötigt, lassen sich mit diesem Programm die entsprechenden Prozessparameter für verschiedene Temperaturen und Durchflüsse bestimmen. Mit dem CEM-Berechnungsprogramm ist das jetzt eine einfache Aufgabe, die in kürzester Zeit erledigt ist.

Die vor kurzem integrierte Berechnung von Dampfdruckkurven erlaubt es dem Anwender, einfach mit dem Cursor über die berechnete Kurve zu gehen, die entsprechenden Werte werden direkt angezeigt. Außerdem können im Programm Gemische erstellt, berechnet und für die spätere Verwendung gespeichert werden. Allein das erspart dem Anwender oft stundenlange Rechnereien.

Lassen Sie uns nun einen genaueren Blick auf die Programme in FLUIDAT werfen:

Konversionsfaktoren für Gase (Gas Conversion Factor):

Hier kann der Anwender ein reines Gas auswählen oder ein Gasgemisch herstellen, um den Konversionsfaktor für ein anderes Gas zu finden, auf das ein Instrument eingestellt werden kann. Wie bei den meisten thermischen Massendurchflussreglern wird das Ausgangssignal des MFC bestimmt, mit welchem Gas es kalibriert wurde. Mit dem Gaskonversionsfaktor-Tool wählt man einfach die 'Fluid from' und 'Fluid to', um den entsprechenden Konversionsfaktor zu bestimmen. Zusätzlich kann der Anwender sein exaktes Modell auswählen, um die Genauigkeit der Umwandlung zu verbessern. Diese Funktion ermöglicht es Ihnen auch, die spezifischen Druck- und Temperaturverhältnisse, die Sie konvertieren, von und zu, für noch mehr Genauigkeit hinzuzufügen. Der Umrechnungsfaktor kann dann auf die Ausgangsmessung des MFC angewendet werden, um den tatsächlichen Fluss des neuen Gases zu kennen.

Ein Beispiel für eine Konversionsfaktor-Berechnung in FLUIDAT:

Konversionsfaktor-Berechnung in FLUIDAT

Das CEM-Berechnungstool:

Ein CEM-System (Verdampfersystem) kann eine äußerst vielseitige Ergänzung zu jeder Dampferzeugungsanforderung sein. FLUIDAT ermöglicht es dem Anwender, verschiedene Berechnungen durchzuführen. Hier kann nicht nur die korrekte Einstellung der CEM-Heizung bestimmt werden, sondern auch die für die Flüssigkeits- und Gas-Instrumente und die relative Feuchtigkeit des zu erzeugenden Dampfes erforderlichen Durchflussraten kalkuliert werden. Es ist auch möglich, die erforderlichen Strömungsraten zu berechnen, um eine bestimmte relative Feuchtigkeit Ihres Dampfes zu erreichen. Alle Fluiddaten sind in der FLUIDAT Software gespeichert, die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Verdampfungswärme, um nur einige zu nennen. Diese Daten können auch vom Benutzer unter der Berechtigung 'Fluid Properties' abgerufen werden.

Die Möglichkeiten des CEM-Berechnungswerkzeugs sind endlos. Von der Kenntnis der Drücke, die benötigt werden, um die Flüssigkeits- und Gas-MFCs zur Berechnung der Dampftemperatur am Auslass zu liefern, oder den Durchfluss der Dampfleistung zu kennen bis dahin, die Möglichkeit zu haben, zwischen tausenden von verschiedenen Flüssigkeiten zu wählen um deine Berechnungen zu machen. Dies macht FLUIDAT, ein 'must-have' für jeden Bronkhorst Kunden mit unseren CEM Verdampfersystemen.

Ein Beispiel für eine CEM-Berechnung in FLUIDAT:

CEM-Berechnung in FLUIDAT

Druckverlust-Berechnungen:

Für die meisten Anwendungen ist es für den Anwender wichtig, den Druckabfall über ein Instrument zu kennen. Es ist nicht nur wichtig, den Druckverlust über ein Gerät zu kennen, manchmal kann es auch unerlässlich, den erforderlichen Druck zu wissen, damit das Instrument richtig funktioniert. Insbesondere bei der Verwendung von Regelventilen ist es wichtig, dass Druckdifferenzen zwischen Vor-und Nachdruck eingehalten werden. In FLUIDAT kann sowohl der Druckverlust für die Gas-Instrumente als auch der mini Cori-FLOW-Instrumente von Bronkhorest direkt berechnet werden. Die Berechnung ist einfach. Alles, was Sie tun müssen, ist das richtige Programm für MASS-STREAM, EL-FLOW/IN-FLOW oder Coriolis-Instrumente aufzurufen.

Das Berechnungstool für die Coriolis Instrumente heißt 'CoriCalc', die für die anderen Instrumente werden als "pressure drop D-6300" oder "pressure drop LOW-dP-FLOW und EL-FLOW" bezeichnet. Sobald Sie das richtige Werkzeug und Instrumententyp ausgewählt haben, können Sie dann die Flüssigkeit und die Durchflussrate auswählen und einfach die Schaltfläche "Berechnen" drücken. Sie können den Druckabfall in vielen verschiedenen Einheitenwie zum Beispiel mbar, psi oder MPa auszulesen. Für Massendurchflussmesser ist das ziemlich einfach, der Druckabfall wird über den Sensor und die Anschlüsse angezeigt und ja, Sie können auch die passende Größe wählen.

Die Druckverlustberechnung kann außerdem den kleinsten benötigten Vordruck für ein Instrument mit einem bestimmten Fluid und Durchfluss bestimmen. Bei Massendurchflussmesser, also ohne Verkomplizierungen durch Stellorgane wie Regelventile, ist die Berechnung relative einfach. Wird nun ein Ventil in die Berechnung mit einbezogen (es handelt sich also um einen Massendurchflussregler), so muss bei der Berechnung auch die korrekte Düsengröße mit in Betracht gezogen werden, indem der Vordruck und der Nachdruck mit berücksichtigt werden.

Ein Beispiel für eine Druckverlustberechnung in FLUIDAT:

Druckverlustberechnung

FLUIDAT ist ein äußerst nützliches und leistungsstarkes Werkzeug für alle, die mit Bronkhorst-Instrumenten arbeiten oder arbeiten wollen. Es ermöglicht einem Endbenutzer Zugriff auf zusätzliche Informationen, die dazu genutzt werden können, nicht nur das Potenzial unserer Instrumente zu verbessern, sondern auch unseren Kunden einen Wissensvorteil zu verschaffen und ein Massenfluss zu verstehen. Die obigen Beispiele sind nur ein Ausschnitt aus den verfügbaren Berechnungstools.

Registrieren Sie sich hier für Online-Datenbank FLUIDAT und nutzen Sie die Vorteile, die die Datenbank bietet.

Yann LeGuenniou
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In diesem Blog möchte ich eine Applikation aus dem Bereich Katalyse vorstellen, wo unser Kunde und wir mit hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeiten. Der Endanwender, eine Forschungsinstitution aus dem Bereich Energie, untersucht chemische Katalysereaktionen von Kohlenwasserstoffen.

Katalysatoren werden eingesetzt, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen ohne selbst dabei verbraucht zu werden. Nur eine sehr geringe Menge Katalysator wird hierbei benötigt, um eine große Menge Reaktionsprodukt zu generieren.

Feste Katalysatoren sind oft kleine, hochporöse Partikel mit einer großen Innenfläche in einem kleinen Volumen. Diese innere Oberfläche enthält aktive Stellen, auf denen die eigentliche Reaktion stattfindet. Gasförmige oder flüssige Chemikalien diffundieren in die Poren dieser Partikel und reagieren an den katalytisch aktiven Stellen auf Reaktionsprodukte, die aus dem Partikel diffundieren. Oft treten diese Reaktionen bei extremen Prozessbedingungen auf.

Was sind die Reaktionsbedingungen bei dieser Applikation?

Eine relativ einfache und verlässliche Möglichkeit musste gefunden werden, um einen Flüssigkeitsstrom bei hohem Druck zu injizieren. Diese Injektion erfolgt bei einem Druck zwischen 30 und 60 bar und erfordert ein kontinuierliches Dosieren ohne Pulsation. Weiterhin muss der Flüssigkeitsstrom hochgenau kontrolliert werden, während des Prozesses muss genau bekannt sein, wie viel Flüssigkeit tatsächlich dosiert wurde.

Wie lassen sich diese Anforderungen realisieren?

Die Lösung besteht aus einem Coriolis-Massendurchflussmesser, der eine HPLC-Kolbenpumpe an der Einlassseite des Reaktors steuert und einen unabhängig betriebenen Gegendruckregler an der Auslassseite aufweist. Der hier benutzte Coriolis Massendurchflussmesser (Mini CORI-FLOW ML120) hat sich als sehr stabiler und präziser Massendurchflussmesser erwiesen. Die WADose HPLC Pumpe vermittelt einen sehr stabilen Durchfluss ohne Pulsation. Die Kombination aus einer HPLC-Pumpe und einem Massendurchflussmesser arbeitet als Massendurchflussregler. Das integrierte Steuerventil des Coriolis-Durchflussmessers ist nicht erforderlich, da die Pumpe als Stellantrieb verwendet wird.

Katalyse bei hohen Drücken

Die Pumpe kann für Medien bis zu einer dynamischen Viskosität von 40 mPa*s (upstream) eingesetzt werden, die maximale Betriebstemperatur des kombinierten Systems beträgt 70 °C. Die Ofentemperatur des Reaktors mit einer kleinen Testmenge Katalysator ist deutlich höher. Der Druck am Auslass des Reaktorröhrchens muss konstant auf hohem Druck gehalten werden. Hinter dem Reaktor befindet sich eine Kühlfalle um flüssige Kondensate wie Wasser und Kohlenwasserstoffe aus dem Gasstrom zu entfernen, sowie ein Vordruckregler mit einem Regelventil und einem Regelbereich bis 400 bar Druckdifferenz und einem Auslass für gasförmige Produkte. Der Druckregler ist für Gase, Flüssigkeiten und Mischphasen geeignet und ermöglicht einen sehr stabilen und geregelten Durchfluss. Insbesondere bei sehr geringen Durchflüssen hat dieser Druckregler eine sehr viel bessere Regelperformance als ein mechanischer Druckminderer. Der Auslass wird benutzt, um das in der Reaktion produzierte Gas abzuführen.

Die Pumpe verfügt über drei Kotrollmodi: Druck, Volumen (wobei nur die Geschwindigkeit des Kolbens geregelt wird) und Massenfluss. Der letzte ist eine Besonderheit, die angeboten werden kann und insbesondere für Chemiker sehr hilfreich. Da der Durchfluss direkt kontrolliert werden kann, ist auch die exakte Menge (in Mol) des injizierten Stoffes genau bekannt.

MADose mit Mini Cori_Flow

Die Steuerung und Überwachung erfolgt über die digitale Schnittstelle. Die Massendurchflussmessung und Sollwert, Dichte, Temperatur und Zählerstand sind über diese einzelne digitale Schnittstelle sichtbar. Inzwischen hat sich dieses Konzept bewährt und es sind bei diesem Anwender inzwischen mehrere dieser Systeme im Einsatz. Mehr Informationen finden Sie in unserer Application Note.

Katalyse-Webinar

Sie möchten mehr wissen über Massenduchflussregelung in der Katalyseforschung? Melden Sie sich für unser Webinar am 26. oder 28. September an!

Bronkhorst Calls for Prosposals Arbeiten Sie an einem innovativen Katalyseprojekt mit Einsatz von Massendurchflussmessung oder Massendurchflussregelung? Bronkhorst belohnt das innovativste Projekt mit unserem Wissen und Bronkhorst-Instrumenten im Wert von 12500 € (Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.). Bewerben Sie sich bis zum 17. November 2017 mit Ihrem Projekt

Stefan von Kann
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Ein Regelventil dient dazu, einen Durchfluss durch Änderung des Durchmessers einer Öffnung (Düse) zu regulieren, indem ein Stellsignal – z.B. durch einen integrierten PID-Controller - angelegt wird. Das Regelventil ist das bei weitem am häufigsten verwendete Zubehör in der Durchflussregelung.

Regelventile können als integraler Teil von Massendurchflussreglern und Druckreglern oder als separates Bauteil in Kombination mit einem Durchfluss- oder Druckmessgerät geliefert werden. Zusammen mit einer Rückkopplungsschleife vom Massendurchflussregler oder Druckregler steuert das Ventil die Durchflussmenge, die durchläuft, um auf einen vorgegebenen Durchfluss- oder Drucksollwert zu gelangen.

Je nach Anwendung ist meistens sofort klar, ob Ihr Massendurchflussregler eine Absperr- (Öffnungs-) oder ein Regelventil benötigt oder ob ein normal geöffnetes oder normal geschlossenes Ventil benötigt wird. Innerhalb der Gruppe der Regelventile gibt es eine Reihe von verschiedenen Ventilen, die jeweils ihre eigenen Parameterbereiche, Vor- und Nachteile haben.

In unserem aktuellen Blog möchte ich einige Ventile vorstellen, die für hohe absolute Drücke oder Differenzdrücke geeignet sind und solche, die für große Durchflüsse bei sehr kleinen Differenzdrücken zum Einsatz kommen.

Das Direktregelventil

Dieses Ventil besteht aus einer Düse, das den Durchfluss reguliert und einer Dichtfläche, die die Größe der Düsenöffnung reguliert. Damit ergibt sich eine direkte Regelung des Durchflusses, der je nach Öffnungsgrad den Durchfluss durch das Ventil begrenzt. Ein Direktregelventil ist relativ schnell, kostengünstig und benötigt wenig Energie, um einen Durchfluss zu regeln. Der Nachteil ist allerdings, dass solche Ventile nur für begrenzte Druck- und Durchflussbereiche geeignet ist.

Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:

Bei einem Ventil wird die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft (F) durch den Düsendurchmesser (d) und die Druckdifferenz (Δp) über das Ventil bestimmt (F ~ Δp * ¼ d2). Wenn entweder die Druckdifferenz oder der Öffnungsdurchmesser höher wird, öffnet sich das Direktsteuerventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung, die Kraft so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.

Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es ist natürlich eine Möglichkeit, eine stärkere Spule zu verwenden, damit mehr Kraft aufgebracht werden kann, allerdings wird dann auch mehr Energie benötigt. Massendurchflussregler haben häufig nur sehr begrenzte Spannungsversorgung, hinzu kommt außerdem, dass sich die Spule damit auch viel stärker erwärmt und dies kann die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen. Daraus resultiert ein begrenzter Durchflussbereich, der proportional zum Druck ist und quadratisch vom Düsendurchmesser abhängt.

Summa summarum sind diese Ventile auf Grund dieser Restriktionen nicht geeignet für hohe Durchflüsse, hohe Absolut- und Differenzdrücke. Das Direktregelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.

Welche Alternativen gibt es?

1) Re-Design des Ventils für höhere Drücke 2) Wir benutzen ein 2-stufiges Ventil. 3) Wir benutzen ein druckkompensiertes Ventil, um große Durchflüsse bei kleinen Druckdifferenzen zu erreichen.

1) Direktregelventil für hohe Drücke

Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken fertig zu werden, ist eine Neugestaltung des direkten Steuerventils. Da die Öffnungsgröße begrenzt ist, kann sie für relativ kleine Ströme (bis zu 20ln / min) verwendet werden. Um die größeren Druckunterschiede, bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Ventile können nicht mit einem Druckstoß von 200 bar d umgehen; entweder kann das Dichtungsmaterial zerreißen, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftpausen, die bei 200 bar d möglich sind, nicht bewältigen. Die Abmessungen dieses Ventils sind nur wenig größer als die eines Standardventils, das gilt auch für den gesamten Massendurchflussregler in Kompaktbauweise. Auf der anderen Seite sind sehr geringe Durchflüsse allerdings häufig begrenzt auf Grund von Leckage durch das Ventil bei hohen Druckdifferenzen.

2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil

Für höhere Drücke und höhere Durchflüsse bis zu 200ln/min müssen andere Ventile zum Einsatz kommen. Mit den so genannten indirekten Regelventilen (s. Bild 1) können höhere Durchflüsse und höhere Absolut- und Differenzialdrücke realisiert werden.

Bild 1: indirektes Regelventil

Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:

einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das auch keine zusätzliche Stromversorgung benötigt einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), die für die Aufrechterhaltung ein konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil. Damit ist es möglich, dass sich Eingangs- und Ausgangsdruck ändern, ohne dass es das Regelverhalten des Ventiles beeinflusst. Die Kraft über die Druckkompensation hält das Ventil geschlossen, nur wenn das Ventil selbst öffnet, wird die Druckkraft soweit reduziert, dass das eigentliche Regelventil öffnet und den Durchfluss regelt.

Das indirekte Regelventil besteht also aus zwei Ventilen in Serie, sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.

Die Nachteile eines solchen Ventils sind seine Größe und seine relativ hohen Kosten. Außerdem ist eine gewisse minimale Druckdifferenz zwischen Vordruck und Nachdruck notwendig, um den druckkompensierenden Teil zu schließen. Die Düsengröße selbst ist ebenfalls limitiert, so dass zum Beispiel für einen Durchfluss von 200 ln/min ein Vordruck von > 150 bar a notwendig ist. To get such flows at lower pressures, a whole different kind of valve is needed, like a pressure compensated valve, a bellow valve.

3) Druckkompensierte Ventile

Es ist möglich, größere Düsenquerschnitte einzusetzen, um mit einem Direktregelventil höhere Durchflüsse zu regeln. Um dies zu erreichen muss die Druckkraft im Ventil reduziert werden. Das ist zum Beispiel mit einem druckkompensierten Balgenventil passieren, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert ist (s. Bild 2). Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der der Vordruck aufgrund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales Direktregelventil.

Bild 2: druckkompensiertes Ventil

Fazit: In Abhängigkeit vom Druck und vom Durchfluss haben Sie diese Möglichkeiten:

Ein direktgesteuertes Hochdruckventil (bis 200 bar a und 20 ln/min), oder Ein indirektes druckkompensiertes Ventil (bis 700 bar a und 200 ln/min) Für hohe Durchflüsse bei geringem Druck ist ein druckkompensiertes Balgenventil die beste Lösung.

Bild 3: Übersicht Ventile

Ron Tietge
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Der Einsatz von Massendurchflussreglern zur Pumpensteuerung öffnet neue Wege für die hochgenaue Dosierung von Farben bei der Herstellung von Haushaltschemikalien wie Waschmitteln und Reinigungschemikalien

Dosierung unverdünnter Farbstoffe mittels Pumpenregelung

Weltweit setzen die führenden Hersteller von Haushaltschemikalien flüssige Farbstoffe ein, um ihre Produkte mit Farbe zu versehen. Dazu gehören Waschmittel, Weichspüler und alle anderen Arten von Reinigungsprodukten, sowohl für den Haushalt als auch für die persönliche Hygiene. Diese Farbstoffe sind hochkonzentriert, häufig wird nur eine sehr geringe Menge benötigt, um dem Endprodukt die richtige Farbe zu verleihen.

Die beiden wichtigsten Anforderungen sind hier:

  • Reproduzierbarkeit; eine immer gleichbleibende Farbe des fertigen Produktes ist von höchster Wichtigkeit, jede Flasche muss exakt die gleiche Farbe haben. Folglich muss die Farbdosierung sehr gleichmäßig sein und zwar immer.
  • Genauigkeit; Farbstoffe sind keine kostengünstigen Materialien, daher ist eine hochgenaue Dosierung dringend erforderlich.

Wie dosiert man am besten flüssige Farbstoffe?

Die erste Lösung zur Dosierung von Flüssigkeiten ist eine Pumpe, um exakt die richtige Menge Farbstoff in ein Produkt zu bekommen. Allerdings ist dies nicht sonderlich exakt, zumindest nicht bei dieser Anwendung. Kombiniert man nun die Pumpe mit einem Coriolis Massendurchflussregler, so ist der Anwender in der Lage, die Pumpe zu kontrollieren und ermöglicht so eine hochgenaue Dosierung des Farbstoffes.

mini Cori-Flow mit Pumpe

Wie funktioniert die Pumpenregelung?

Der von einer Pumpe generierte Durchfluss ist ein Volumenfluss mit all den Charakteristiken, die ein Volumenfluss mit sich bringt. Die Genauigkeit ist stark abhängig von den Fluideigenschaften, der Durchfluss ist also abhängig von der Temperatur und dem Druck. Darüber hinaus können die meisten Pumpen keinen schwankenden Gegendruck bewältigen, da dies Schlupf, Instabilitäten und hohe Abweichungen der Durchflussrate verursacht.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit ist die Messung des Durchflusses (Fördermenge) der Pumpe mit einem Coriolis-Massendurchflussmesser, da diese Instrumente einen realen Massenstrom (z.B. in kg/h, g/h etc.) messen. Der Ausgang des Messgerätes ist oft mit einem PID-Regler verbunden, der wiederum die Frequenz der Rotation (RPM) der Pumpe korrigiert.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings, dass die Fördermenge einer Pumpe nicht stabil ist, was eine Filterung des Coriolis-Ausgangssignals erforderlich macht. Dies verursacht ein langsames Ausgangssignal. Da dieses Signal auch als Steuersignal verwendet wird, ist das Ergebnis eine langsame Antwort und eine langsame Steuerung.

Bronkhorst setzt Coriolis-Massendurchflussregler zur Pumpensteuerung ein

Um solche Effekte zu vermeiden, setzt Bronkhorst einen Coriolis-Massendurchflussmesser mit integrierter PID-Regelung ein, ein separates elektronisches Signal regelt die Drehzahl der Pumpe. Da dieses Steuersignal im Gegensatz zum Ausgangssignal nicht durch den Filter gestört wird, kann die Kombination von Durchflussmesser und Pumpe eine unübertroffene Regelgeschwindigkeit und Stabilität erreichen. Der Durchfluss wird sofort korrigiert, wenn eine Änderung des Gegendrucks vorliegt, indem die Pumpe direkt schneller oder langsamer läuft und die erforderliche Genauigkeit beibehalten wird.

Diese Methode der Durchflussmessung ist unabhängig von den Fluideigenschaften und daher besteht keine Notwendigkeit für eine Nachkalibrierung oder die Bearbeitung von Umwandlungsfaktoren im Falle eines Fluidwechsels.

Pumpenregelung für niedrige Durchflüsse

In unserem Beispiel für die Dosierung von flüssigen Farbstoffen ist Coriolis-Massendurchflussregler für (ultra-)kleine Durchflüsse für die Dosierung unverdünnter Farbstoffe von Vorteil. Es ist dann unnötig, den Farbstoff mit Wasser zu mischen, um einen ausreichend hohen Durchfluss zu erzeugen. Nicht nur ist unverdünnter Farbstoff viel konzentrierter und damit höher in der Qualität als Mischungen mit Wasser, sondern auch Einsparungen beim Wasserverbrauch und Algenwachstum im Gerät können vermieden werden.