Handhabung niedriger Durchflüsse – Eine Blogreihe in 5 Teilen: Teil 3

Flüssigkeitszufuhr mit einem Druckbehälter

Bei der Durchflussregelung und -messung unterscheiden wir zwischen „niedrigen Durchflüssen“ und „hohen Durchflüssen“. Aber was heißt das genau? Bronkhorst liefert Durchflussmesser und Durchflussregler für niedrige Durchflüsse. Wissen Sie, was niedriger Durchfluss eigentlich bedeutet? In unserer Blogreihe erläutern wir den Unterschied und geben Tipps & Tricks für die Einrichtung eines Systems für niedrige Durchflüsse.

Die bereits veröffentlichten Einträge finden Sie hier:

Teil 1 "Was sind niedrige Durchflüsse?": In diesem Blog erläutern wir, was (extrem) niedrige Durchflüsse sind, beschreiben die Probleme, die auftreten können, und verraten Lösungen für eine optimale Performance ihres Systems.
Teil 2 "Tipps zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers": Dieser Blog umfasst Ratschläge zur Optimierung der Stabilität und Leistung ihres Systems, sowie Empfehlungen zur Dimensionierung, zur Wahl des richtigen Materials und zu den besten Praktiken.

Druckbehälter in Kombination mit einem Massendurchflussmesser zur Flüssigkeitsversorgung

Flüssigkeitszufuhr – ein stabiler niedriger Durchfluss

Wie wir im vorherigen Blog bei den Tipps zur Auswahl eines geeigneten Durchflussmessers oder -reglers schon gezeigt haben, wird für einen Durchflussregler ein stabiler Eingangsdruck benötigt, um eine stabile, niedrige Durchflussrate zu erzielen. Während Gas ein kompressibles Medium darstellt, ist eine Flüssigkeit eher unelastisch. Obwohl Durchflussregler von Bronkhorst in der Lage sind, Druckschwankungen in einem gewissen Umfang auszugleichen, können rasche Änderungen des Eingangsdrucks den Durchfluss verändern.

Im Allgemeinen gibt es zwei Verfahren, die sich dazu eignen, einen stabilen Eingangsdruck für das Flüssigkeitssystem zu gewährleisten: entweder die Verwendung eines Druckbehälters mit Gasbeaufschlagung, um die Flüssigkeit unter Druck zu setzen, oder die Verwendung einer Pumpe. Für welche Option Sie sich entscheiden, ist eine praktische Entscheidung, die vom System-Setup des Kunden abhängt.

Druckbehälter

Ein Druckbehälter ist eine einfache Möglichkeit, für die weder Strom noch bewegliche Teile benötigt werden. Außerdem ist sie bei leicht flüchtigen Flüssigkeiten von Vorteil. Das Problem besteht allerdings darin, dass sich Gas in einer Flüssigkeit lösen kann und damit negativ auf die Durchflussstabilität wirkt.

Pumpe

Der Vorteil einer Pumpe besteht darin, dass Gas und Flüssigkeit im Grunde nicht in Kontakt miteinander kommen. Das bedeutet, dass kein Gas in die Flüssigkeit diffundieren kann. Außerdem können Pumpen kontinuierlich betrieben werden. Weiterhin ist damit zu rechnen, dass Pumpen aufgrund ihrer beweglichen Teile einem gewissen Verschleiß unterliegen und somit oft teurer als Druckbehälter sind.

Pumpe in Kombination mit einem ES-FLOW Ultraschall-Volumendurchflussmesser

Das gesamte Setup der Förderung / Druckerhöhung von Flüssigkeiten sind unter verschiedenen Aspekten zu betrachten und als System auszulegen. Im Forschungslabor kann zur Druckerzeugung Helium eingesetzt werden, während in einer Produktionsumgebung eine andere – oft pumpenregulierte – Lösung gefunden werden muss. Lesen Sie den vierten Teil dieser Blogreihe, um mehr über die Verwendung einer Pumpe zur Gewährleistung eines stabilen Eingangsdrucks zu erfahren.

Umgang mit gelöstem Gas

Eine große Herausforderung bei der Verwendung eines Druckbehälters ist es, den Anteil des gelösten Gases in der Prozessflüssigkeit auf ein Minimum zu beschränken. Je kleiner die austauschende Grenzfläche und je kürzer die Verweilzeit zwischen Gas und Flüssigkeit, desto besser. Das Henry-Gesetz besagt, dass die Menge des in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zum Druck des Gases steht, das sich in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit befindet. Das hat in mehrerlei Hinsicht konkrete Auswirkungen. Das bei der Druckerhöhung verwendete Gas, das sich in der Flüssigkeit gelöst hat, wird bei Absenken des Druckes im weiteren Verlauf des Prozesses in Form von Gasblasen wieder freigesetzt. Dieser Effekt ist in der Regel nicht erwünscht. Die Löslichkeit eines Gases sinkt in einer Flüssigkeit, während die Temperatur steigt. Ein Temperaturanstieg der Prozessflüssigkeit führt also ebenfalls dazu, dass Gasblasen freigesetzt werden.

Prinzipiell wird empfohlen, dass Veränderungen des Drucks und der Temperatur im Verlauf der Flüssigkeitsführung so gering wie möglich bleiben.

1. Tipp) Verwendung eines Druckbehälters

Wenn Gas verwendet wird, um die Flüssigkeit unter Druck zu setzen, empfehlen wir prinzipiell zu verhindern, dass das Gas in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit kommt. Sie sollten zum Beispiel einen Druckbehälter mit einer Membran verwenden, die die Flüssigkeit physisch vom Druckgas trennt – das ist vergleichbar mit einem Ausgleichsbehälter in Ihrer Zentralheizung Zuhause.

2. Tipp) Verwendung von Gasen mit niedriger Löslichkeit

Es gibt aber auch Lösungen für den Fall, dass es notwendig oder unvermeidlich sein sollte, dass Druckgas in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit kommt. Dafür können Sie zum Beispiel Gase mit niedriger Löslichkeit verwenden. Helium ist in der Regel die beste Wahl für wasserbasierte Flüssigkeiten; an zweiter Stelle folgt Stickstoff. Nach Möglichkeit sollte so wenig Druck wie möglich auf die Flüssigkeit ausgeübt werden. Dies hängt selbstverständlich auch vom Arbeitsdruck des Systems ab. In diesem Zusammenhang kann es hilfreich sein, den Flüssigkeitsbehälter wesentlich höher als den Durchflussregler zu positionieren, um sich die Schwerkraft zunutze zu machen und so auf einen niedrigeren Gasdruck zu kommen.

3. Tipp) Verwendung eines Degassers

Als letzte Maßnahme kann ein Degasser eingesetzt werden, um die Gaskonzentration in der Flüssigkeit zu senken. Ein Degasser hat einen porösen Schlauch, der von außen vakuumiert wird. Durch das Druckgefälle zwischen Flüssigkeit und angelegtem Vakuum diffunidert das in der Flüssigkeit glöste Gas durch die Poren des Schlauches aus der Flüssigkeit. Standarddegasser lassen sich gut mit wasserähnlichen Medien verwenden. Für niedrige Durchflussmengen unter 50 g/h und je nach Typ der Anwendung empfehlen wir die Verwendung eines Degassers, wenn Stabilität und maximale Genauigkeit entscheidend sind und Störungen durch Gasblasen eliminiert werden müssen. Ein Degasser gilt allgemein als kostenintensiv, aber wenn Sie ein High-End-System aufbauen wollen, ist dies eine der besten Lösungsmöglichkeiten.

4. Tipp) Druckminderer oder Puffertank

Wenn der Durchflussregler die Eingangsdruckschwankungen des zuführenden Systems nicht kompensieren kann, weil sie zum Beispiel zu schnell aufeinander folgen, gibt es auch für dieses Problem Lösungen. Ein Druckminderer oder ein Puffertank zwischen dem Druckregler und dem Flüssigkeitsbehälter kann diese Schwankungen ausgleichen und einen stabilen Eingangsdruck gewährleisten.

Einrichtung mit niedrigem Durchfluss zur Druckstabilisierung, Druckreflektor oder Puffertank, Druckschwankungen im Druckbehälter

Setup mit niedrigem Durchfluss zur Druckstabilisierung

5. Tipp) Umgang mit Korrosion

Zur Verwendung von wasserbasierten Medien empfiehlt Bronkhorst einen einteiligen Behälter aus passiviertem Edelstahl, um Korrosion insbesondere an Schweißnähten zu verhindern. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass bei sauren, wässrigen Lösungen keine Chlorid-Ionen vorhanden sind. Wenn organische Lösemittel wie Methanol, Toluol oder Aceton verwendet werden, stellt sich das Problem der Korrosion von Schweißnähten eines Behälters in der Regel nicht. Da die Flüssigkeitsregelung mit einem Druckbehälter üblicherweise im Batchverfahren erfolgt, sollten Sie sich vergewissern, dass der Behälter groß genug ist, um einen stabilen Durchfluss für einen ausreichenden Zeitraum zwischen den Wiederbefüllungen zu gewährleisten. Um Spritzer und Verschütten beim Befüllen zu vermeiden, sollten Sie am Eingang einen Einfülltrichter verwenden.

In Kürze folgt Teil 4!

Im diesem Beirag haben wir Tipps dazu gegeben, wie ein stabiler Eingangsdruck bei Flüssigkeitssystemen gewährleistet werden kann. Im vierten Teil befassen wir uns mit Zuläufen für niedrige Durchflüsse mithilfe einer Pumpe. Der vierte Teil wird im April veröffentlicht.