Vom Laborkolben zur Großindustrie

Untersuchungen in kleinen Maßstäben helfen bei der industriellen Umsetzung

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.

Im das Beispiel in Abbildung 1 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.

Abb. 1: Rubolab breakthrough analyzer

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 EL-FLOW 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.

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