Stefan Kuhlich
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Nichts ist so wichtig wie die Luft, die wir atmen. Neben den aktuell im Fokus stehenden klima- und umwelt-relevanten Gasen Kohlendioxid und Stickoxid, stellt Kohlenmonoxid (CO) ebenfalls ein Risiko dar, nicht nur weil CO giftig, sondern auch entscheidend an der Bildung bodennahen Ozons beteiligt ist. CO entsteht, wenn ein Verbrennungsprozess „nicht sauber“, d.h. mit zu wenig Sauerstoff stattfindet. Hauptquelle für die CO–Belastung der Luft ist der Kraftfahrzeugverkehr. Wissenschaft, Forschung, Entwicklung und Politik versuchen durch Aufklärung, Innovationen und Regulierung Emissionen zu reduzieren. Dies äußert sich in schärferen Abgas-Grenzwerten, die einerseits optimierte Verbrennungs-Technologien, andererseits differenziertere Prüfmethoden erfordern. In diesem Zusammenhang möchte ich Ihnen heute einen kundenspezifisch für die AG „Verkehrsemissionen“ der PTB –Braunschweig angefertigten, OIML R99-1&2 konformen Teststand für die Konformitätsbewertung von Abgas-Analysatoren vorstellen, den wir in enger Kooperation mit dem staatlichen Endanwender gebaut haben und mit dessen Hilfe die erforderliche Baumusterprüfung der am Markt befindlichen Abgasmessgeräte umgesetzt wird.

Komplexe Aufgabenstellung – Integrierte Lösung

Die Aufgabenstellung bestand darin, ein Test-Modul zu konstruieren, durch welches man definierte Prüfsituationen für die Abgasmessgeräte (Prüflinge) realisieren kann.

  • 30 vorgemischte und kalibrierte Prüf-Gasgemische mit unterschiedlich definierten Massenströmen und gleichbleibendem Druck zum selbstfördernden Prüfling leiten. Dies haben wir mit einer Kombination von nur einem Massenstromregler mit einem Druckregler realisieren können!
  • Erfassen der zeitlichen Reaktionsfähigkeit des Prüflings
  • Erkennung von Leckagen
  • Detektieren von Gas-Unterversorgung des Prüflings
  • Protokollieren der Zwischen- und Gesamtergebnisse

HMI – Steuern, Messen und Regeln mit K(n)öpfchen

Die Steuerung und Teil-Automatisierung der Anlage erfolgt über eine von Bronkhorst entwickelte und auf die PTB speziell angepasste Benutzeroberfläche. Hierbei werden auf der Programm-Oberfläche (HMI) die unterschiedlichen Testsequenzen ausgewählt und angezeigt. Schaltflächen erlauben eine ergonomische Bedienung der Anlage. Soll und Ist-Werte der jeweiligen Sequenzen werden in einem Anlagenfließschema angezeigt. Editierbare Textfelder ermöglichen neben automatisch generierten Logs (Datum, Zeit, Aktionen, Werte, Alarme,…) händische Vermerke, die in den Test-Berichten mit Zeitstempel archiviert werden. Die Open-Source Software erlaubt eine nachträgliche Modifikation/Erweiterung von Programm-Modulen durch den Benutzer. Zum Monitoring der Anlage gehören sowohl interne Messgrößen, wie Eingangs- und Ausgangsdrücke aus dem Prüfling, Prozesstemperatur, Massenströme, als auch Umgebungsdaten wie Luftdruck, Temperatur und relative Feuchte, die in der Steuerung der Anlage mit den Prozessdaten abgeglichen werden. Bildbeschreibung

Von den bewährten Bronkhorst-Produkten kamen Massendurchflussregler der Serien Mini-Cori, El-Flow-Prestige, El-Press Druckregler und Automatik-Ventile zum Einsatz. In unsere Planung wurden hochwertige Fremdkomponenten mit einbezogen. Alle Mess- und Regel-Komponenten sind in einem Bus-System integriert und kommunizieren kontinuierlich mit dem Steuerungs-PC.

(K)NOW HOW – Der Weg ist das Ziel:

Aufgrund der Komplexität der Aufgabenstellung haben wir gemeinsam mit dem Kunden ein differenziertes Lastenheft inklusive Fliessbildern und Prozessbeschreibungen erstellt. Die wesentlichen Meilensteine des eigentlichen Projekts waren: Bildbeschreibung Eine transparente Kommunikation innerhalb des Teams führte dazu, dass der erste reale Kontakt des Anwenders mit dem Teststand, nämlich die Werksabnahme bei Bronkhorst in Ruurlo, kein „Entdecken“ sondern bereits ein „Wieder-Erkennen“ der schon virtuell bekannten Anlage war. Der Nutzer war praktisch sofort in der Lage, die Testläufe eigenständig zu übernehmen. Haben wir Ihr Interesse an komplexen Flow-Lösungen geweckt? - Nehmen Sie einfach mit uns Kontakt auf.

Wir freuen uns auf Sie!

Hier erfahren Sie mehr über unsere Produkte und Lösungen.

Chris King
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Reduktion von Stickstoffoxiden (NOx) mit wasserfreiem Ammoniak

Unter dem Begriff NOx werden verschiedene Stickstoffoxide (z.B. NO, NO2, N2O, N2O2, N2O4, N2O5, usw.) zusammengefasst. In der Regel handelt es sich um ein Gemisch der verschiedenen Stickstoffoxide. Diese treten bei der Verbrennung als Schadstoffe und werden als stark gesundheitsgefährdend eingestuft.

Eine deutliche Reduktion von NOx in Abgasen sowohl aus dem Straßenverkehr als auch in stationären Verbrennungseinheiten wie Brennern oder Öfen hat oberste Priorität. Mittels selektiver katalytischer Reduktion (Selective Catalaytic Reduction – SCR) wird schon seit längerer Zeit das in einer Verbrennung entstandene NOx in unbedenkliche Stoffe umgewandelt. Über die SCR-Technologie werden Stickoxide und Ammoniak mit Hilfe eines Katalysators in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umgewandelt, der wasserfreie Ammoniak (NH3) dient hierbei als Reduktionsmittel.

SCR-Prozess

Ein Kunde von Bronkhorst, der seit über 50 Jahren Kessel und Pumpen für gewerbliche und industrielle Anwendungen verkauft und gewartet hat, hatte bereits ein System zur Regelung der Ammoniakzufuhr im Einsatz. Allerdings erwies sich dieses System als unzuverlässig und nicht robust genug, so dass es immer wieder zu Ausfällen kam und damit sowohl die Regelung als auch das Monitoring lückenhaft war. Dieser Zustand war für die Endkunden hinsichtlich der Umweltverträglichkeit und auch der resultierenden Geldbußen bei Überschreitung der Grenzwerte nicht akzeptabel.

Warum benutzt man Massendurchflussregler für die Zuführung von Ammoniak zum Abgasstrom?

In dem NOx-Reduktionssystem werden die Massendurchflussregler verwendet, um die Strömung von wasserfreiem Ammoniak in das Abgas eines Kessels oder Ofens zu steuern, wo es an einem Katalysator adsorbiert wird. Der Katalysator aktiviert die adsorbierten Moleküle und es kommt zur Reaktion von NOx und NH3. Dabei entstehen Stickstoff (N2) und Wasser (H2O).

Es gibt in vielen Teilen der Welt sehr strikte Gesetzesvorgaben für die Freisetzung von Stickoxiden. Das Überschreiten dieser Grenzwerte wird oft mit hohen Geldstrafen geahndet. Die Anwender benötigten also eine zuverlässige und robuste Lösung, um immer die benötigte Menge Ammoniak zuzusetzen und dieses auch belegen zu können. Es wurde also ein Massendurchflussregler benötigt, der dieses leisten kann und im industriellen Umfeld zu Hause ist.

Die Experten von Bronkhorst schlugen hierfür einen Massendurchflussregler mit CTA-Technologie (Constant Temperature Anemometry) vor, weil dieser auf Grund seiner linearen Bauweise optimal für die Anwendung bei verunreinigten Gasen ist. Der Bronkhorst MASS-STREAM Massendurchflussregler vereinigt Funktionalität mit sehr guter Reproduzierbarkeit in der Messung und Regelung; das robuste IP-65-Gehäuse ermöglicht den Einsatz in industrieller Umgebung.

MASS-STREAM

Nachdem unser Kunde zunächst nur die einzelnen defekten Altsysteme gegen MASS-STREAM Instrumente ersetzt hatte wurden im nächsten Schritt alle bestehenden Anlagen ausgetauscht und wurden so den Anforderungen der Endanwender für einen störungsfreien und compliance-konformen Prozess gerecht.

Lesen Sie mehr über das CTA-Prinzip!

Dirk Jan Boudeling
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Heute möchte ich Ihnen eine Anwendungsgeschichte mit Massendurchflussmessgeräten in einer Anwendung bei Umicore in Suzhou (China) vorstellen. Umicore ist einer der weltweit führenden Hersteller von Katalysatoren für Fahrzeugabgasanlagen. Das Unternehmen entwickelt und produziert Hochleistungs-Katalysatoren unter anderem für Benzin- und Dieselmotoren, die Schadstoffe in unschädliche Gase umwandeln und so saubere Luft erzeugen.

Umicores Produktionsstandort in Suzhou,' Umicore Technical Materials', verwendet Bronkhorst Massendurchflussregler und Verdampfersysteme für die Forschung und Entwicklung von Katalysatormaterialien für Kraftfahrzeugemissionen. Neu entwickelte katalytisch aktive Materialien von Umicore bestehen aus Oxiden und Edelmetallen wie Platin und Palladium, die in eine poröse Struktur eingearbeitet sind und so einen engen Kontakt mit dem Abgas ermöglichen.

Welche Katalysatormaterialien testet Umicore?

Umicore in Suzhou verwendet verschiedene Prüfstände, in denen neu entwickelte Katalysatormaterialien auf ihre Leistungsfähigkeit getestet werden (z.B. für einen geringeren Ausstoß toxischer Emissionen). Umicore entwickelt neue Katalysatoren direkt mit führenden Automobilherstellern in China. "Wir testen neue Formulierungen von Werkstoffen und Formen der Katalysatoren auf ihre Leistungsfähigkeit", erklärt Yang Jinliang.

Umicore-Projekt mit Bronkhorst

Heute möchte ich Ihnen eine Applikationsgeschichte mit Massendurchfluss erzählen. Wie werden die Massendurchflussmesser und -regler für identische Tests und Simulationen eingesetzt? Die Bronkhorst-Massendurchflussmesser und -regler werden eingesetzt, um die richtige Menge mehrerer Gase in einem Gemisch zu fördern. Dieses Gemisch simuliert den Abgasaustritt eines Motors unter verschiedenen Bedingungen. "Um die Leistungsfähigkeit neu entwickelter Formulierungen wirklich vergleichen zu können, müssen wir sicherstellen, dass die Einsatzbedingungen unserer Tests identisch sind", erklärt Yang, dass die simulierten Abgase mit Hilfe von Hochleistungs-Massendurchflussreglern exakt vermischt werden.

"Wir brauchen eine zuverlässige und reproduzierbare Durchflussregelung während unserer Simulationsläufe. Deshalb entwickelte Umicore die Testausrüstung zusammen mit den Bronkhorst-Flow-Spezialisten. Umicore führt verschiedene Simulationen durch. Wir simulieren Abgase von Motoren unter verschiedenen Lebenszyklus-Simulationen und Betriebsbedingungen. Zum Beispiel ist das Abgas des Autos anders, wenn der Motor noch kalt ist oder wenn der Motor eine hohe Drehzahl hat."

Prüfstand für Alterungssimulation

"Ein spezieller Prüfstand von Umicore simuliert die Alterung der Katalysatormaterialien. Dies wurde erreicht, indem die Umgebungstemperatur des Katalysators in einem Testlauf für einige Stunden bis zu 24 Stunden auf 800° Celsius aufgeheizt und das simulierte Abgas addiert wurde. Hier beweisen die Bronkhorst-Instrumente eine hohe Stabilität unter den harten Testbedingungen", sagt Yang.

Alterung von Katalysatioren

Künstliche Abgase zur Simulation

Um Motorabgase zu simulieren, mischt Umicore mehrere Gase. Im Allgemeinen finden die folgenden Reaktionen im Katalysator statt: Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff und Sauerstoff: 2NOx ⇨ xO2 + N2 Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid: 2CO + O2 ⇨2CO2 Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid und Wasser: CxH2x+2 +[ (3x+1)/2]O2 ⇨ xCO2 + (x+1)H2O.

Zum Mischen dieser Gase werden digitale EL-FLOW Select Massendurchflussregler verwendet. Um das Gasgemisch unter gleichem Druck zu halten, wird ein EL-PRESS Druckreglergerät verwendet, um den Druck gleichzeitig mit dem Durchfluss zu regeln.

Die Abgase von Motoren enthalten auch verdampftes H2O. Zu diesem Zweck wird der Bronkhorst' Controlled Evaporation Mixer' (CEM) eingesetzt. Alle digitalen Massendurchflussregler, Druckregler und der CEM sind mit einem Computer verbunden, auf dem ein Softwareprogramm zur Steuerung der Geräte läuft.

Im Alterungssimulations-Prüfstand von Umicore werden Hochtemperatur-Massendurchflussregler von Bronkhorst eingesetzt. Die Bronkhorst EL-FLOW Select-Regler von Bronkhorst verfügen über eine abgesetzte Elektronik, die Gastemperaturen von bis zu 110° Celsius widersteht und dennoch die Gase mit hoher Genauigkeit und exzellenter Wiederholgenauigkeit regelt.

Herr Yang Jinliang (vor der Umicore Catalyst Alterungssimulationstesteinrichtung

Wie gefällt Ihnen der Support für Bronkhorst-Produkte in China?

Auf die Frage nach Bronkhorst Support und Service in China ist Yang begeistert:"Alle Bronkhorst-Experten in China sind sehr professionell und haben eine schnelle Antwort. Gerade in der Anfangsphase unseres Projektes, als wir es am meisten brauchten, waren meine Kontakte entschlossen, uns zu unterstützen. Das System läuft reibungslos, aber es ist angenehm zu wissen, dass Bronkhorst eine seiner Global Service Offices in Shanghai unterhält, wenn wir Kalibrierung oder Service benötigen."

Logo Global Services Offices

• Lesen Sie mehr über Anwendungen im Katalysebereich

• Sie möchten mehr wissen über Massenduchflussregelung in der Katalyseforschung? Sehen Sie sich unseren Webinar an.

Dr. Jens Rother
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Jeder industrielle Prozess hatte und hat seinen Ursprung in einem Laborversuch. 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.

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 entwickelt. 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 den 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 Minderdrücken 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.