Bronkhorst

Massendurchfluss versus Volumendurchfluss

Massendurchfluss versus Volumendurchfluss

1.    Was ist die Massendurchflussmenge?
2.    In welchem Zusammenhang stehen Massendurchfluss und Volumendurchfluss?
3.    Warum werden Volumeneinheiten für Massendurchfluss verwendet?
4.    Wie werden Massendurchfluss und Volumendurchfluss gemessen und geregelt?


Stellen Sie sich vor, Sie wollen einem chemischen, pharmazeutischen oder lebensmitteltechnischen Prozess ein gasförmige oder flüssiges Medium hinzuführen. Würde es einen Unterschied machen, wenn Sie ein Kilogramm (als Masseneinheit) oder einen Liter (als Volumeneinheit) eines solchen Mediums hinzufügen? Befassen wir uns einmal genauer mit dieser Frage. 

Viele Prozesse in der chemischen oder Lebensmittelindustrie beziehen sich auf Masse. Chemische Reaktionen sind von der Masse der Reagenzien bzw. Inhaltsstoffen abhängig, die in einem korrekten, stöchiometrischen Verhältnis hinzugefügt werden müssen. Bei eichpflichtigen Anwendungen – inner- und außerhalb der Gas- & Ölbranche – hängt der Preis von der Masse des Produktes ab. Während bei Batch-Prozessen die absolute, hinzugefügte Masse entscheidend ist, kommt es bei kontinuierlichen Prozessen auf den Massendurchfluss an.

Durchflussmesser für GASE Durchflussmesser für FLÜSSIGKEITEN

Was ist die Massendurchflussmenge?

Die Massendurchflussmenge ist im Wesentlichen die Masse eines Gases oder einer Flüssigkeit, die in einem bestimmten Zeitraum fließt und meist in Kilogramm pro Stunde (kg/h) oder Gramm pro Sekunde (g/s) ausgedrückt wird. Dementsprechend ist die Volumendurchflussmenge das Volumen eines Gases oder einer Flüssigkeit, das in einem bestimmten Zeitraum fließt und wird überwiegend in Liter pro Minute (l/min) oder Kubikmeter pro Stunde (m3/h) ausgedrückt. 


In welchem Zusammenhang stehen Massendurchfluss und Volumendurchfluss?

Masse und Volumen einer Flüssigkeit dürfen hier nicht gleichgesetzt werden. Das Volumen einer definierten Menge ändert sich mit wechselnder Temperatur oder Druck, während Masse bei solchen Veränderungen konstant bleibt. Dasselbe gilt für kontinuierlich fließende Massen und Volumina.

Die Dichte eines Gases oder einer Flüssigkeit, beispielsweise in kg/m3 ausgedrückt, zeigt das Verhältnis zwischen Massendurchfluss und Volumendurchfluss. Die Dichte ist temperatur- und druckabhängig: Hohe Temperaturen führen mit der Ausdehnung des Mediums zu geringen Dichten, während eine Druckerhöhung durch Kompression des Mediums zu einer größeren Dichte führt. Der Effekt ist bei Gasen deutlich ausgeprägter als bei Flüssigkeiten. Die Volumendurchflussmenge wird berechnet, indem man die Massendurchflussmenge durch die Dichte teilt. Die Volumendurchflussmenge variiert je nach Temperatur und Druck, während die Massendurchflussmenge auch bei Temperatur- oder Druckveränderungen konstant bleibt.


Warum werden Volumeneinheiten für Massendurchfluss verwendet?

Gemäß dieser Logik sollte eine Massendurchflussmenge in Masseneinheiten wie g/h, mg/s usw. ausgedrückt werden, doch die meisten Anwender denken und arbeiten mit Volumeneinheiten. Dies ist kein Problem, jedoch müssen spezifische Druck- und Temperaturbedingungen ausgewählt werden, bei denen wir den Dichtewert für das Medium anwenden wollen, um die Dichte bei der Umwandlung von Massendurchfluss in Volumendurchfluss nutzen zu können.

Weltweit gibt es zahlreiche Standardreferenzbedingungen für die Umrechnung, von denen Bronkhorst die folgenden verwendet:

  • Wenn die Massendurchflussmenge mit dem tiefgestellten Buchstaben n ausgedrückt wird, z.B. mln/min oder m3n/h, bedeutet das, dass eine Mediumsdichte bei einer Temperatur von 0 °C und einem Druck von 1 atm (1,013 bar) zur Umwandlung der Massendurchflussmenge in die Volumendurchflussmenge verwendet wird. Der tiefgestellte Buchstabe n steht für normale, europäische Referenzbedingungen.
  • Dies entspricht dem vorgestellten „s“ in sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) oder slm (Standardliter pro Minute), die auf die amerikanischen Standardbedingungen bei einer Temperatur von 0 °C (32 °F) und einem absoluten Druck von 1 atm (1,013 bar, 14,69 psia) verweisen.
  • Alternativ werden eine Temperatur von 20 °C und ein Druck von 1 atm (1,013 bar) verwendet, um auf europäische Standardreferenzbedingungen zu verweisen, was durch das tiefgestellte „s“ in den Volumeneinheiten (mls/min, m3s/h) ausgedrückt wird. Diese Werte sind mit den durchschnittlichen Temperatur- und Druckbedingungen auf Meereshöhe vergleichbar. 

BLOG: Referenzbedingungen

Das bedeutet:
Achten Sie darauf, welche Referenztemperatur und welchen Referenzdruck Sie in Ihrem spezifischen Fall für die Umwandlung von Massendurchfluss in Volumendurchfluss verwenden. Bitte berücksichtigen Sie diese Unterschiede, da eine Verwechslung dieser Referenzbedingungen für Gasdurchflüsse (insbesondere der Temperaturunterschied zwischen 0 und 20 °C) eine Fehlerquote von bereits 7 % verursacht.

Referenzbedingungen für Durchflussmesser
Unterschiede zwischen Europäischer Referenzbedingungen und amerikanischer Referenzbedingungen

Fluidat online Durchflussratenrechner

Wie werden Massendurchfluss und Volumendurchfluss gemessen und geregelt?

Bronkhorst bietet diverse Massendurchfluss- und Volumendurchflussinstrumente zur Messung und Regelung von Gasen und Flüssigkeiten an. Instrumente, die auf dem thermischen oder Coriolis-Prinzip basieren, stehen durch thermische Leitfähigkeit bzw. Massenträgheit in direktem Zusammenhang zum Massendurchfluss des Mediums. 

Durchflussmengen berechnen

Beispiele von Massendurchflussmessgeräten & Volumendurchflussmessgeräten

  • Die EL-FLOW Select Massendurchflussregler von Bronkhorst werden zum Beispiel zur Gaszufuhr in der Produktion von Photovoltaik-Solarzellen eingesetzt. Massendurchflussmengen werden üblicherweise in mln/min und ln/min ausgedrückt.
  • Ferner funktionieren die neuen Bronkhorst FLEXI-FLOW Instrumente nach dem thermischen Massendurchflussmessprinzip. Sie haben äußerst geringe Reaktionszeiten, was auf die TCS-Technologie für die Herstellung von äußerst kompakten Geräten zurückzuführen ist, die zusätzlich zur Massendurchflussmenge den Eingangs- wie Ausgangsgasdruck messen und regeln können. 
  • Mini CORI-FLOW Instrumente von Bronkhorst werden zum Beispiel in der Herstellung von mRNA-Impfstoffen eingesetzt, um die flüssigen Inhaltsstoffe der Vakzine exakt und reproduzierbar messen zu können. Massendurchflussmengen von Flüssigkeiten werden direkt in Masseneinheiten wie Gramm pro Stunde (g/h) ausgedrückt, die im Wesentlichen unabhängig von Temperatur- und Druckschwankungen sind.
  • Die ES-FLOW Instrumente von Bronkhorst messen und regeln Flüssigkeitsmengen durch Ultraschallmessung. Sie messen effektiv die Fließgeschwindigkeit des Mediums. Multipliziert mit dem Sensorquerschnitt ergibt sich hieraus die Volumendurchflussmenge. Diese Instrumente dienen zum Beispiel dazu, die Menge von Farb- und Aromastoffen sowie Säuren zu messen, die im Herstellungsprozess von Süßigkeiten zugeführt werden

Bei Massendurchflussmengen, die als Volumendurchflussmengen dargestellt sind, werden die Referenztemperatur- und Druckbedingungen der Durchflusseinheit des Instruments immer auf dem Kalibrierungszertifikat von Bronkhorst angegeben.

 

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