Dr. Angela Puls
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In der Lebensmittelindustrie gibt es viele Anwendungen, in denen Gase oder Flüssigkeiten gemessen oder geregelt werden müssen. Diese Anwendungen umfassen beispielsweise das kontrollierte Eindosieren von Luft oder die Dosierung von Zusatzstoffen wie Aromen und Farbstoffen. Indirekt sind auch Oberflächenbehandlungsanwendungen wie die Sterilisation von Verpackungen von großer Bedeutung. Bronkhorst hat vieles über die allgegenwärtige und anspruchsvolle Lebensmittelindustrie veröffentlicht, und ich möchte einige dieser spannenden Geschichten mit Ihnen teilen.

Additiv-Dosierung in der Suesswarenproduktion Additiv-Dosierung in der Süßwarenproduktion

Es gibt sehr viele verschiedene Süßigkeiten in den Regalen, jede Sorte mit ihrem eigenen Geschmack, ihrer eigenen Textur und ihrem eigenen Aussehen. Unser Kollege Erwin Broekman hatte die Gelegenheit, Haas-Mondomix zu besuchen, einen Maschinenbauer, der auf Anlagen für die Lebensmittelindustrie spezialisiert ist. Mit Ultraschall-Volumenstrommessgeräten misst Haas-Mondomix die Menge der Zusatzstoffe - Aromen, Farbstoffe und Säuerungsmittel -, die der Hauptmenge des Produktionsprozesses zugeführt werden. In unserem Blog erfahren Sie mehr!

Auch in der Schokoladenindustrie gibt es immer mehr Geschmacksvariationen. Durch dieses enorme Wachstum finden Massendurchflussmesser und -regler ihren Weg in die Süßwarenindustrie. Coriolis-Durchflussmesser in Kombination mit einer Pumpe sind eine ideale Lösung zur Dosierung von Aromen und funktionellen Inhaltsstoffen. Lesen Sie mehr über die Dosierung von Aromen in Schokolade.

Kontrollierte Luftzufuhr im Produktionsprozess von Leckereien wie Eis und Kuchen

Eiscreme wird durch Einfrieren und gleichzeitiges Einmischen von Luft zu einer Mischung aus Fetten, Zucker und Milchfeststoffen hergestellt. Der Anteil der Luft am Gesamtvolumen der Eiscreme liegt zwischen 30% und 50%, weshalb die Belüftung während der Produktion entscheidend ist. Ein Nebeneffekt der Zugabe von Luft zu Eiscreme ist, dass sie dazu neigt, schneller zu schmelzen. Um eine optimale Struktur des Eises zu erreichen, ist es daher wichtig, einen stabilen Zuluftstrom im Produktionsprozess mit einem konstanten Creme-Luft-Verhältnis zu haben. Dies kann durch den Einsatz eines Massenstromreglers erreicht werden. Lesen Sie den Blog über die Produktion von Eiscreme erfahren Sie mehr über unser aller liebste Sommerleickerei.

Industrielle Schaumproduktion

Aufschäumungsanlage der Firma Hansa Industrie-Mixer

Sterilisation von Lebensmittelverpackungen – Lebensmittel länger haltbar machen

Allerdings hat all diese Nahrungsmittelproduktion einen Nachteil: die Verschwendung von Lebensmitteln. Weltweit gehen Lebensmittel an verschiedenen Stellen der Lieferkette verloren oder werden verschwendet. Eine der Möglichkeiten, Lebensmittelabfälle zu reduzieren, besteht darin, die Sterilisation der Verpackungen, in denen Lebensmittel platziert werden, zu verbessern. So lässt sich die Verderblichkeit reduzieren und die Haltbarkeit verlängern. An dieser Stelle kommen CEM-Systeme (Controlled Evaporation Mixing) ins Spiel. Unser Kollege James Walton berichtet über sterilsierungstechniken in der Verpackungsindustrie.

Hoffentlich haben Sie mehr über die Rolle von Durchflussmessern und -reglern in der Lebensmittelindustrie erfahren. Bronkhorst hat eine breite Palette von Produkten für diese spezielle Branche, die wir Ihnen gerne auf der ProSweets näher erläutern.

ProSweets Köln

Bronkhorst ist auf der ProSweets in Köln vom 27. Januar bis 30. Januar in Kombination mit der Internationalen Süßwarenmesse ISM vertreten. Besuchen Sie uns auf der ProSweets 2019, Halle 10.1, Stand A020!

Sie benötigen Eintrittskarten? Melden Sie sich!

Ric Besseling
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In verschiedenen Anwendungsbereichen wie Alterungsprozessen, Validierungstests, der medizinischen Forschung oder in der Pflanzenwachstumsforschung wird oft ein bestimmter Feuchtluftstrom benötigt, um bestimmte Umgebungsbedingungen in einer Prüfkammer zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Heutzutage haben wir mehrere Lösungen für diese Art von Anwendungen, eine davon mit Hilfe von kontrollierten Verdampfungs- und Mischsystemen. Lassen Sie mich erklären, was die Vorteile dieser Systeme im Vergleich zu den konventionelleren Bubblersystemen sind.

Wie funktioniert ein Bubbler-System?

Kleine Konzentrationen von feuchter Luft können mit einem Bubblersystem erzeugt werden. Diese konventionelle Methode erfordert eine sehr genaue Druck- und Temperaturregelung des Bubblersystems, um Schwankungen im Dampfgehalt zu vermeiden. Ein komplettes Bubbler-Füllstandsmesssystem besteht daher aus einer Druckluftquelle, einem Luftmengenbegrenzer, einem Sensorrohr und einem Druckregler. Letzterer misst den Druck im System, über eine Steuereinheit wird dann der Füllstand des Bubblers ermittelt. Die Qualität der Luftbefeuchtung hängt vollständig von der theoretischen Berechnung des Sättigungsgrades der durch die Flüssigkeit strömenden Luft und der Genauigkeit der Druck- und Temperaturregelung ab. Mit diesem konventionellen Ansatz ist es schwierig, einen bestimmten Luftfeuchtigkeitsgehalt zu generieren und längerfristig aufrecht zu halten.

konventionelles Bubbler-System

konventionelles Bubbler-System

Verdampfersysteme von Bronkhorst

Zusätzlich zu diesem Befeuchtungskonzept entwickelte Bronkhorst das CEM-System (Controlled Evaporating and Mixing System), das auf kontrollierter Verdampfung und Mischung mit einem Trägergas basiert und für Feuchtluftanwendungen eingesetzt werden kann. Dieses CEM-System ist eine innovative Lösung für die Dampfherstellung, basierend auf einem Flüssigkeitsdurchflussregler (LIQUI-FLOW oder mini CORI-FLOW), einem Gasdurchflussregler und einer temperaturgesteuerten Misch- und Verdampfer-Einheit.

Im Vergleich zum herkömmlichen Bubblersystem bietet ein CEM-System einen direkteren Ansatz. Die Methode ist sehr einfach, und theoretisch kann jede Konzentration in Sekundenschnelle mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit eingestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine relative Luftfeuchtigkeit zwischen 5 und 95 Prozent einzuregeln.

Bronkhorst CEM

Set-up Bronkhorst CEM System

Der Feuchtigkeitsgehalt wird durch den Flüssigkeitsdurchflussregler genau gesteuert und die Luftmenge kann durch den Gasdurchflussregler eingestellt werden. Auf der Oberseite des CEM sorgt ein Misch-Regel-Ventil für eine korrekte Zerstäubung des Wassers im Luftstrom. Aufgrund der Zerstäubung in sehr kleine Tropfen im Luftstrom kann (Aerosol) kann das Wasser im spiralförmigen Heizrohr am Ausgang des Misch-Regel-Ventils bei niedriger Temperatur verdampft werden.

Was ist drin im CEM?

Das CEM-Systems besteht im Wesentlichen aus:

  1. Einem Massendurchflussregler für Gase zur Messung und Regelung des Trägergasstroms (z.B. EL-FLOW Select Serie.
  2. Einem Massendurchflussmesser für Flüssigkeiten zur Messung des Durchflusses der Flüssigkeit (z.B. LIQUI-FLOW-Serie, mini CORI-FLOW-Serie.
  3. Temperaturgesteuerte Misch- und Verdampfervorrichtung (CEM) zur Steuerung des Flüssigkeitsquellenstroms und zum Mischen der Flüssigkeit mit dem Trägergasstrom, was zu einer vollständigen Verdampfung führt; komplett mit dem temperaturgeregelten Wärmetauscher, um dem Gemisch Wärme zuzuführen; Basis-CEM-Systeme von Bronkhorst sind als Komplettlösung einschließlich Steuerelektronik erhältlich und bieten völlige Flexibilität bei der Realisierung einer Verdampfungslösung in praktisch jeder Situation.

Möchten Sie mehr über die CEM-Technologie erfahren? Hier erfahren Sie mehr!

Gerhard Bauhuis
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Das sogenannte „Graphen-Flaggschiff“ ist eine Initiative der Europäischen Union und hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung von Graphen bis Anfang 2020 aus dem Labor in den Verbrauchermarkt zu bringen.

Was ist Graphen?

Graphen ist eine Modifikation (Erscheinungsform) das Kohlenstoffes, in der der Kohlenstoff in 2-dimensionale Schichten so angeordnet ist, dass sich ein bienenwabenförmiges (hexagonales) Muster bildet. Graphen kann in drei Typen unterteilt werden: einschichtiges (single-layered), doppelschichtiges (double-layered) and mehrschichtiges (multi-layered) Graphen.

  • Einschichtiges Graphen ist sozusagen die reinste Form mit einzigartigen Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen (einschichtiges) Graphen zu einem attraktiven Produkt für eine Vielzahl von Anwendungen.

  • Sowohl zwei- als auch mehrschichtiges Graphen haben andere (weniger ausgeprägte) Eigenschaften.

Mit zunehmender Anzahl der Schichten wird die Herstellung immer kostengünstiger, allerdings werden die Eigenschaften auch schlechter.

In diesem Blog beschränke ich mich auf einschichtiges Graphen, da dieser Typ bis heute immer noch das beste Ergebnis in verschiedenen Untersuchungen liefert.

Graphen-Molekularstruktur

Graphen ist das weltweit erste 2D-Material, das aus nur einer einzigen Atomschicht Kohlenstoff besteht. Kohlenstoff kommt in seiner elementaren Form auch als Diamant und als amorpher Kohlenstoff (z.B. Aktivkohle) und Graphit vor. Graphit wird seit Jahrtausenden zum Zeichnen und Schreiben verwendet (z.B. in Bleistiften).Seine Struktur ist ähnlich dem Graphen. Die Kohlenstoffatome im Graphen sind wie bereits gesagt in einer Sechseckstruktur angeordnet. Wir alle wissen aus dem Chemieunterricht, dass Kohlenstoff 4-bindig ist. Da jedes Kohlenstoffatom 2-dimansional von 3 anderen Kohlenstoffatomen umgeben ist, wird die 4. Bindung als delokalisierte Doppelbindung ausgebildet und so ein mesomeres System aus sich ständig verändernden Doppelbindungen ausgebildet (die Elektronen werden quasi über die gesamte Ebene "verschmiert"). Das ist die Ursache der einzigartigen Eigenschaften.

Einschichtiges Graphen zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • 200 Mal stärker als Stahl
  • einschichtiges Graphen hat einen dicke von weniger als 250 pm
  • 1.000.000 Mal dünner als ein menschliches Haar
  • Das leichteste Material der Welt (1 m² wiegt etwa 0,77 Milligram)
  • Flexibel
  • Transparent
  • Undurchdringlich für Moleküle
  • Exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit

Graphen kann außerdem mit anderen Materialien wie Gasen oder Metallen kombiniert werden zur Herstellung neuer Materialien mit den oben genannten Eigenschaften oder zur Verbesserung bestehender Materialien.

Graphen-Herstellung

Aktuell gibt es noch keine Methode, um Graphen in größerem Umfang und zu akzeptablen Kosten herzustellen. Weltweit wird daran intensiv geforscht.

Plasma-gestütze chemische Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition , PE-CVD)

Es gibt eine Reihe von verschiedenen Methoden, um Graphen herzustellen. Eine der gebräuchlichsten Methoden in der einschichtigen Graphenherstellung ist die Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch - in dem mindestens ein Gas Kohlenstoff enthält – stark erhitzt, so dass sich ein Plasma bildet. Hier kommen unsere Massendurchflussmesser und -regler in CVD-Prozessen zum Einsatz, um Gase und Flüssigkeiten präzise zu dosieren. IM PE-CVD-Prozess bildet das Plasma eine Graphen-Monoschicht auf einem Nickel- oder Kupfersubstrat.

Das Erhitzen erfolgt im Hochvakuum, aber es kann auch ein "grüner" CVD-Prozess verwendet werden, bei dem die Erwärmung unter Atmosphärendruck erfolgt. Durch den Einsatz von Chemical Vapour Deposition können große Graphenplatten hergestellt werden. Einige der verwendeten Precursoren (Ausgangsstoffe) sind Flüssigkeiten (z.B. Ethanol), die zuerst verdampft werden müssen, um im CVD-Prozess in ihrer gasförmigen Form verwendet zu werden. Es ist sehr wichtig, dass das Plasma mit der richtigen Zusammensetzung und der richtigen Präzision erzeugt wird. Dies kann durch den Einsatz von hochpräzisen Durchflussinstrumenten erreicht werden. Eine Abweichung im Plasma kann zu Defekten in der Graphenschicht führen. Fehler können z.B Verunreinigungen (Störstellen) in der 2D-Struktur sein, die die einzigartigen Eigenschaften des Materials verändern können.

“Grüner” CVD-Prozess: Herstellung von hochwertigem Graphen bei Atmosphärendruck

Unser spanischer Vertriebspartner, Iberfluid Instruments S.A., hat kürzlich mit der Universität Cordoba zusammengearbeitet, um die Möglichkeiten der Graphenproduktion im großen Stil unter Verwendung einer plasmagestützten Technik unter Atmosphärendruck zu untersuchen. In dieser Forschung wurde Ethanol mit Hilfe des Bronkhorst-Verdampfungssystems, dem sogenannten Controlled Evaporation and Mixing (CEM) System, zu einem Plasma verdampft. Mit dem Einsatz eines Verdampfersystems werden Flüssigkeiten direkt verdampft, um das richtige Gemisch für das Plasma zu erzeugen. Ein möglicher Aufbau eines solchen Verdampfungssystems kann aus einem CEM-System mit einem zusätzlichen Flüssigkeitsströmungsmesser (d.h. einem Coriolis-Massendurchflussmesser aus der mini CORI-FLOW-Serie) für Ethanol, einem Gasdurchflussregler (d.h. einem EL-FLOW-Massendurchflussregler) für Argon, der als Trägergas fungiert, und schließlich einem temperaturgesteuerten Regel- oder Mischventil bestehen.

Ein Verdampfungssystem wie das Bronkhorst CEM-System kann hervorragende Leistungen in Bezug auf Stabilität und Genauigkeit liefern. Diese Eigenschaften garantieren eine zuverlässige Erzeugung von Plasma, was letztendlich zu einer höheren Qualität des Graphens führt.

Bronkhorst CEM System Cordoba

Im Applikationsbericht "Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch" erfahren Sie mehr, warum die Universität Cordoba (Spanien) das Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing System im PE-CVD Graphenherstellungsprozess einsetzt.

Anwendungsgebiete für Graphen

Aufgrund einer Vielzahl von einzigartigen Eigenschaften findet die Forschung in zahlreichen Anwendungsbereichen statt. Der Schwerpunkt liegt auf ein- und zweilagigem Graphen. Im Moment scheint es, dass einschichtiges Graphen immer noch die besten Ergebnisse liefert. Gleichzeitig wurde die Verwendung von sogenannten Flakes (Flocken) berücksichtigt. Diese Flakes sind winzige Graphenstücke, die mit einem anderen Material, wie beispielsweise Polymeren, vermischt werden können. Die Eigenschaften dieser Materialien können durch Hinzufügen von Graphen-Flakes verbessert werden, wodurch Graphen in verschiedenen Branchen breit einsetzbar ist. Ein paar Beispiele, die auf einschichtigem Graphen basieren:

  1. Wasseraufbereitung: Wissenschaftler entwickeln derzeit ein fortschrittliches Filtersystem auf Basis eines Graphenoxids, das verwendet wird, um verunreinigtes Wasser trinkbar zu machen.

  2. Medizinische Anwendungen: Da Graphen für den menschlichen Körper nicht giftig ist, wird untersucht, wie man Graphen für den medizinischen Transport im Körper verwenden kann, indem man das Medikament an das Graphen anbringt. Graphen hat auch die Eigenschaften, die Bakterienbildung zu verhindern, was es ideal als Beschichtung für Implantate macht.

  3. Energiewirtschaft: Aufgrund der großen Oberfläche und der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit kann Graphen als Energiespeicher eingesetzt werden. Ziel ist es, Graphenbatterien kompakter als bisher zu machen und gleichzeitig die Kapazität zu erhöhen, damit Batterien innerhalb von Sekunden geladen werden können.

  4. Textilindustrie: Graphen könnte zur Verarbeitung von Elektronik in Textilien verwendet werden, wie beispielsweise effektive, effiziente und hochpräzise Sensoren. Darüber hinaus können Graphen-Korrosionsschutzbeschichtungen und leitfähige Farben hergestellt werden.

  5. Halbleiter-Industrie: Dank der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit bietet Graphen Möglichkeiten, die Geschwindigkeit und Kapazität von Chips (für Computer und Smartphones) zu erhöhen.

Graphen ist ein sehr spannendes Thema. Wir verfolgen die Entwicklung von Graphen weiterhin aufmerksam und werden Sie auf dem Laufenden halten. Lesen Sie weiter in unserem Blogbeittrag von John S. Bulmer (Universität Cambridge) über Carbonnanotubes.

John S. Bulmer
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Als Wissenschafter an der Universität Cambridge (Macromolecular Materials Laboratory, Cambridge University bin ich direkt an einem faszinierenden Projekt über Carbon Nanotubes (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) beteiligt. In Zusammenarbeit mit Bronkhorst arbeiten wir an einem Reaktor, um dieses außergewöhnlich starke und leitfähige Materials kontrolliert herzustellen. In diesem Blogbeitrag möchte ich Ihnen mehr zu diesem Thema berichten und erläutern, warum ich carbon nanotubes für den Werkstoff der Zukunft halte.

Geschichte und Zukunft der Carbon Nanotubes (CNT)

Seit langem bekannt sind diese drei Arten (Modifikationen) des Kohlenstoffes:

  • Diamant
  • Graphit
  • Amorpher Kohlenstoff

Plötzlich, Mitte der 80er Jahre, tauchte in der Forschung eine neue molekulare Form von Kohlenstoff auf und dies war die Initalzündung für das multidisziplinäre Feld der Nanotechnologie. Diese Kohlenstoffmoleküle, die sogenannten Buckminsterfullerene ("Bucky-Balls"), sind nanometerskalige Käfigstrukturen aus Kohlenstoffatomen mit einer Molekularstruktur, die einem Fußball ähnelt.

Bucky-Ball

Abbildung 1: Buckminster-Fulleren

Einige Jahre später kam ein weiterer molekularer Kohlenstoff-Cousin ans Licht: Carbon Nanotubes (CNT). Ähnlich wie bei Buckminster-Fullerenen ist die Fußballstruktur zu einer nanometerbreiten Röhre mit einer Länge, die Millionen mal größer als ihr Durchmesser ist, stark verlängert. Die CNTs rückten mit ihren äußerst interessanten Eigenschaften sofort in den Fokus der Forschung: Die CNTs sind Kohlenstoffverbindungen mit einer geordneten Molekularstruktur und sehr stabilen Bindungen. Diese machen CNTs zu dem stärksten Material, das je hergestellt wurde. Die Festigkeit ist aber nicht alles, Elektronen gleiten mühelos als stabile eindimensionale Leiter über die CNTs, was die elektrische Leitfähigkeit von CNT viermal höher macht als bei Kupfer, bei einer maximalen Kapazität sogar 1.000 mal höher als bei Kupfer.

Anfang der 2000er entwickelten die Forscher Verfahren zur Herstellung von Textilien aus CNT's mit dicht gepackter und ausgerichteter Mikrostruktur. Zunächst blieben die Masseneigenschaften von CNT-Textilien deutlich hinter den spannenden Eigenschaften ihrer einzelnen Moleküle zurück. Nach stetiger Weiterentwicklung ist die hochmoderne CNT-Faser so stark wie herkömmliche Kohlefaser und etwa viermal so leitfähig. Mit der Weiterentwicklung erwarten wir CNT-Fasern, die wesentlich stärker sind als herkömmliche Kohlefasern mit einer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, die höher ist als bei herkömmlichen Metallen wie Kupfer und Aluminium.

Carbon Nanotube Fasern werden aufgrund ihrer Festigkeit in strapazierfähigen Textilien (Schutzkleidung, kugelsichere Westen), Verbundwerkstoffen, Baumaterialien (Keramik, leichtere Karosserien) und Kabeln eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnte enorme Auswirkungen auf das tägliche Leben haben, ähnlich wie Kunststoffe Mitte des 20. Jahrhunderts die Welt verändert haben.

Carbon Nanotubes (CNT) an der Universität Cambridge

In unserem Labor haben wir einen Produktionsprozess entwickelt, mit dem nicht nur Carbon Nanotubes in industriell wettbewerbsfähigen Mengen herstellt werden können, sondern dies mit beispielloser graphitischer Perfektion zu einem makroskopischen Textil mit ausgerichteter Mikrostruktur in einem Produktionsschritt tut. Dieser Produktionsprozess ist an sich einfacher als andere Faserherstellungsverfahren wie herkömmliche Kohlefaser und Kevlar.

Der für diesen Prozess verwendete Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition Reactor (F-CVD) benötigt lediglich eine Kohlenstoffquelle (Toluol), eine Katalysatorquelle (Ferrocen) und einen schwefelbasierten Promotor (Thiophen), die zusammengemischt und durch ein Trägergas (Wasserstoff) in einen 1300°C-Rohrreaktor eingespeist werden. Es entsteht eine schwebende CNT-Wolke. Durch die mechanische Extraktion der CNT-Wolke aus dem Rohrreaktor wird die Wolke zu einer Schüttgutfaser mit ausgerichteter Mikrostruktur verdichtet. Dies wird als "CNT-Spinnen" bezeichnet. Ein mit besonderer Schutzausrüstung ausgestatteter Mitarbeiter, auch "der Spinner" genannt, extrahiert die CNT-Wolke mechanisch zu einer Faser.

Eine konsistente Reaktorregelung ist jedoch eine Herausforderung. Die CNT-Materialeigenschaften variieren zwischen den Läufen erheblich und das Verhältnis zwischen kontrollierten und unkontrollierten Reaktor-Eingangsparametern ist noch nicht vollständig verstanden.

Die Herausforderung: Kontrollierte Regelung des CNT-Reaktors

Unsere Forschung zielt darauf ab, eine robuste Rückkopplungsschleife zur Steuerung der CNT-Materialeigenschaften des Reaktors zu implementieren. Alle Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Reaktors, die spezifisch ausgewählte CNT-Materialeigenschaften sind, werden automatisch gemessen und in einer Datenbank erfasst; von der Außenwitterung über das Bedienpersonal, das Alter des Rohres bis hin zu den Vorläufer-Konzentrationen, Gasströmen usw..... Die Datenbank wird kontinuierlich für Korrelationen, Parameterinteraktionen und multidimensionale lineare Regressionsmodelle abgefragt, die das Reaktorverhalten mit der Datenexplorations-Software JMP™ statistisch vorhersagen.

So zeigt beispielsweise Abbildung 2 ein statistisches Modell für das G:D-Verhältnis des Materials, dies ist das Verhältnis zwischen Graphit (G) und graphitischen Defekten (D) aus der Raman-Spektroskopie, das den Grad der graphitischen Perfektion anzeigt. Das Modell ist eine Funktion verschiedener Reaktor-Eingangsparameter, die als die statistisch signifikantesten für das G:D-Verhältnis gefunden wurden. Auf der horizontalen Achse im folgenden Diagramm befinden sich die vorhergesagten G:D-Werte des Modells und auf der vertikalen Seite die tatsächlich gemessenen Werte. In einem perfekten Modell mit perfekter Kontrolle würden wir eine gerade 45 Grad Linie erwarten. Offensichtlich sind die Datenpunkte entlang der roten Linie weit gestreut, was auf ein niedriges Niveau der Reaktorregelung hinweist.

Ratio ohne Regelung

Abbildung 2: G/D-Verhältnis bei ungeregelter Precursor-Zufuhr

Dabei wurden die Vorläufer (Toluol, Ferrocen und Thiophen) einfach miteinander vermischt und die Lösung über eine einfache Zahnradpumpe in ein Wasserstoffträgergas eingespritzt. Es zeigte sich, dass ein ausgeklügelteres System für eine bessere Reaktorsteuerung erforderlich war.

Die Bronkhorst-Lösung zur Regelung des Carbon Nanotube Reaktors

Abbildung 2 zeigt unser weiterentwickeltes System. Die flüssigen Ausgangsmaterialien werden nun unabhängig voneinander mit Bronkhorst Coriolis Instrumenten (mini CORI-FLOW Serie geregelt . Die Coriolis-Massendurchflussmesser liefern präzise Massendurchflussraten, ohne dass eine Neukalibrierung bei Eduktwechseln nötig ist. Das erleichtert das Ausprobieren verschiedener CNT-Rezepturen erheblich. Nur Bronkhorst ist es gelungen, das bekannte hochpräzise Coriolis-Prinzip durch den Einsatz der MEMS-Technologie in extrem kleinem Maßstab anzuwenden.

CNT-Reaktor

Abbildung 3: Schematischer aufbau des Carbon Nanotubes -Reaktors

Die Durchflussmengen liegen im Bereich bis 200 g/h für Toluol und sogar unter 100 mg/h für Thiophen. Die Wasserstoff-Trägergasströme werden durch robuste, Plug-and-Play-Bronkhorst-Massendurchflussregler gesteuert. Abschließend werden die genau dosierten Precursor-Substanzen verdampft zusammen mit den kontrollierten Trägergasströmen (Wasserstoff) im Verdampfer verdampft und in den Reaktor eingebracht.

Bildbeschreibung

Abbildung 3: G/D-Verhältnis mit geregelter Precursor-Verdampfung

Mit dieser neuen und anspruchsvolleren Instrumentierung ist die statistische Modellierung des chemischen Gasphasenabscheidungsreaktors mit schwebendem Katalysator wesentlich effektiver. Hier sind die tatsächlichen versus prognostizierten Werte für die graphitische Perfektion sehr viel besser, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dieses Modell hat wesentlich weniger Rauschen, was bedeutet, dass die Reaktion des Reaktors vorhersehbar und wiederholbar ist. Mit diesem steuerbaren und gut modellierten Reaktorsystem haben wir bisher die typischen CNT-Produktionsraten mehr als verdoppelt und den Grad der graphitischen Kristallinität verdreifacht.

Bleiben Sie auf dem Laufenden bei Bronkhorst mit spannenden Applikationen, nützlichen Informationen und Tipps und Tricks in unseren regelmäßigen Blogbeiträgen.

Sie sind selbst aktiv im Bereich Reaktortechnologie? Sprechen Sie mit uns über individuelle Lösungen für Ihre Applikation.

  • Lesen Sie mehr über die Entwicklung von Coriolis-Massendurchflussmessern für kleinste Durchflüsse in unserem Blog-Beitrag von Wouter Sparreboom.
James Walton
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Warum die Dampferzeugung heutzutage einfacher, schneller und genauer ist?

Die Herstellung von Dampf ist ein perfektes Beispiel dafür, wie die Technologieentwicklung in einem Bereich in vielen Branchen hilfreich sein kann. Durch die Kombination der Genauigkeit und der digitalen Leistung der modernen Massendurchflussmess- und Regeltechnik kann der Anwender neben der Temperaturregelung auch die Eigenschaften von Dampf kontrollieren.

Die kontrollierte Dampferzeugung war schon immer ein notwendiger, aber komplexer und kostenintensiver Prozess. Es sind bereits mehrere verschiedene Verfahren in der Anwendung, um die Dispersion und Verdamfung von Flüssigkeit in einer Gasphase zu erreichen. Die große Vielfalt der Methoden zur Dampfherstellung rührt auch daher, dass die Existenz kommerziell erhältlicher Lösungen oftmals nicht bekannt ist.

Einige der Beispiele, auf die wir gestoßen sind:

  • Taupunktgenerator (Bubbler)
  • Mischstromgenerator
  • Statische Methode der Feuchtigkeitsbildung
  • Zwei-Druck-Prozess
  • Zwei-Temperatur-Prozess
  • Gesättigte Salzlösungen

Jede dieser Verfahren wurde entwickelt, um die Konzentration (Volumen pro Volumen) der Flüssigkeit in einem Gas zu regeln und so das gewünschte Endergebnis zu erzielen.

Prinzipeller Aufbau eines CEM-Systems Abb. 1: Prinzipeller Aufbau eines CEM-Systems

Was ist das Ziel?

Es gibt viele Anwendungen in der Industrie und in der Forschung, wo Dampf benötigt wird, um das gewünschte Reaktionsprodukt zu erhalten oder wo eine kontrollierte Dampfatmosphäre ein ausschlaggebender Parameter ist. Wir haben Gespräche mit biomedizinischen Forschungseinrichtungen, Herstellern von technischen Fasern, Glasbeschichtungsunternehmen, Katalyse-Forschern & -Entwicklern, Anwendern aus der Graphenforschung & -Entwicklung und Schüttgutverpackungsmaschinenherstellern geführt und so deren Bedarf ermittelt.

So unterschiedlich die Anwendungen der verschiedenen Kunden und Industriebereiche auch sind , es gibt Gemeinsamkeiten bezüglich der Themen die uns immer wieder begegnen: Reduktion von Kosten , Abfall muss vermieden werden, Fehlchargen sollen reduziert werden, der Ertrag soll erhöht werden, der Rohstoffverbrauch soll verringert werden und so weiter. Nahezu alle Variablen in einer Applikation haben einen Einfuss auf deren Performance und eine Änderung kann eine Verschlechterung oder eine Verbesserung darstellen.

Wie können diese Anforderungsänderungen realisiert werden?

Verschiedene Einflussgrößen können durch den Einsatz eines Bronkhorst® Verdampfer Systems (CEM-Controlled Evaporating Mixing System oder VDM-Vapor Delivery Module) gleichzeitig verbessert werden:

  • Geschwindigkeit der Reaktion bei Prozessänderungen
  • Reduzierte Rohstoffkosten
  • Präzise Temperaturregelung
  • Schnellerer Austausch des Substrates

Wie erreicht Bronkhorst mit dem CEM / VDM System diese Anforderungen?

Der Dampf wird erzeugt, in dem eine geregelte Flüssigkeitsmenge mit einem Gasstrom vermischt wird, das geschiet in der Regel bei Umgebungstemperatur. Die Zuflüsse des Gases und der Flüssigkeit werden beide geregelt, so dass das resultierende Dampfgemisch ebenfalls genau definiert ist. Schauen wir uns im Vergleich einmal die Taupunkt-Technik (Bubbler) vom Anfang dieses Blogbeitrages an. Dort kann man Folgendes beobachten:

  • Verdampfung der Flüssigkeit kann zu Konzentrationsänderungen in der Dampfphase führen
  • Unterschiede im Füllstand der Flüssigkeit führen zu Unterschieden im Gegendruck
  • Änderungen des Füllstandes erzeugen Veränderungen des Durchflusses, die zu wechselnden Prozessbedingungen führen
  • Variationen der Thermostatgenauigkeit können dem Fluid Temperaturschwankungen hinzufügen und damit die Zusammensetzung der Dampfphase verändern
  • Hoher Energieverbrauch durch Temperierung der Flüssigkeitsvorlage

Bubbler-Technik

Abb.2: Bubbler-Prinzip

Bronkhorst hat diese veränderlichen Parameter eliminiert: Die Flüssigkeitszufuhr wird mittels eines Coriolis Massendurchflussmessers (MFM) und die Gaszufuhr über einen thermischen Bypass-Massendurchflussregler (MFC) realisiert. Über einen temperaturgeregelten Verdampfungsprozesss kann somit das resultierende Gas/Dampf-Gemisch deutlich besser vorausberechnet werden. Ein einmal erreichtes Gemisch kann anhand seiner bekannten Zuflüsse und der Verdampfertemperatur dann jederzeit reproduziert werden.

In dem unteren Bild ist gezeigt, mit welchen Parametern die gewünschten Prozessparameter erreicht werden. Diese Möglichkeit Regelung des Verdampfungsprozesses ist in anderen Verdampfer-Technologien nicht möglich.

FluiDAT

Abb.3: FLUIDAT- das Online Berechnungstool von Bronkhorst

Mit direkter Regelung der Flüssigkeits- und Gasströme in einem temperaturgeregelten Strömungsweg ist es einfach, die Eingangsbedingungen zu ändern und die daraus resultierenden Prozessbedingungen vorherzusagen. Der Coriolis-Flüssigkeits-Massendurchflussmesser und der thermische Bypass-Gas-Durchflussregler sind direkt mit einem 3-Wege-Mischventil auf einem temperaturgeregelten Strömungsweg verbunden. Durch Durchleiten der Flüssigkeit und des Gases durch die Ventildüse wird aus der kombinierten Strömung vor dem Erwärmen ein Aerosol gebildet, was eine homogene und vollständige Verdampfung der Flüssigkeit im Gasstrom gewährleistet.

Sie haben eine bestimmte Anwendung? Registrieren Sie sich kostenfrei in unserer Online-Datenbank FLUIDAT ON THE NET(www.fluidat.com). Dort finden Sie Daten und Berechnungstools zu einer großen Anzahl von Gasen und Flüssigkeiten. Hier können Sie auch direkt die Parameter für Ihre Anwendung berechnen und überprüfen, was möglich ist.

Wenn man nun einen Blick auf die älteren Verfahren der Dampferzeugung und auch auf den neuen Weg wirft, so haben alle Verfahren weiterhin Ihre Daseinsberechtigung und ihre Vor- und Nachteile. Und es gibt immer Erkenntnisse aus dem einen Verfahren, die auch für die anderen wertvoll sind.

Sprechen Sie mit uns über die Bronkhorst Verdampfersysteme CEM und VDM!

Weitere Informationen finden Sie hier:

Unsere Homepage

Bronkhorst Verdampfer-Systeme CEM und VDM

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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."

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• Lesen Sie mehr über Anwendungen im Katalysebereich

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