Fallstudie eines unserer Kunden rund um eine anspruchsvolle Plasma-Vakuum-Anwendung

Von Armand Bergsma & Tim Righart 

In diesem Blog beleuchten wir die Auswirkungen der Implementierung innovativer Produkte zur Prozessdruckregelung in einem Forschungsprozessreaktor. Wir erläutern die Druckspezifikationen unseres Kunden DIFFER  und erklären, wie der Kunde seine Aufgabe durch die Implementierung von Präzisionsdruckregelprodukten von PCS gelöst hat, was ihm signifikante Verbesserungen im Forschungsprozess und in den Forschungsergebnissen brachte.

Laden Sie die Fallstudie herunter: PCS Case Study – Better Process Control for Better Process Outcomes.

Hintergrund: Forschung zu Plasma-Solar-Brennstoffgeräten

Das DIFFER-Forschungsteam Plasma Solar Fuel Devices (PSFD, Plasma-Solar-Brennstoffgeräte) forscht an Plasmatechnologien zur Umwandlung und Speicherung von nachhaltiger Energie in Chemikalien und Brennstoffen, so genannte Solar Fuels oder Solar-Brennstoffe. Ein Teil dieser Forschung richtet sich auf die Thermodynamik innerhalb eines Plasmareaktors. DIFFER hat einen Forschungsreaktor gebaut, der ein Plasma verwendet, das im Druckbereich von 50 bis 950 mbar abs betrieben wird, um CO₂ in CO zu dissoziieren. In der Praxis ist dies ein CO₂ -Plasma, das in einem relativ niedrigem Vakuum gehalten wird.

Druckanforderungen des Forschungsteams

Die Druckregelung spielt hier eine entscheidende Rolle, da jede Druckänderung typischerweise Änderungen der Plasmaeigenschaften, wie z.B. der Diffusion, der Plasmagröße und -form, der Temperatur, des Strömungsmusters und der Verweildauer der Partikel verursacht. All diese Änderungen beeinflussen sich gegenseitig und ändern die Reaktionen, was den CO₂ -Umwandlungsprozess und damit die Ausbeute dieses Prozesses stark beeinflusst. Es ist klar, dass die weitestgehende Vermeidung von Druckänderungen ein wichtiges und zugleich schwieriges Ziel für das Forschungsteam war.

In der Animation sehen wir die Drückänderungsempfindlichkeit des Plasmas. Sie wurde mit zwei verschiedenen Kameras aufgenommen. Wenn der Druck steigt, sehen wir, wie das Plasma heller, dünner und länger wird.

Der Reaktor der Anlage hat Unterdruck, um das Plasma zu erzeugen, was eine sehr große Bandbreite von Ventil-Durchflusskoeffizienten (Kv) erfordert, die mit hoher Präzision eingestellt werden müssen. Aufgrund der Kombination aus einer Vakuumpumpe und einer manuell gesteuerten Hochleistungsdrosselklappe war es in der Anfangsphase der Anlage nicht möglich, die gewünschte Präzision und Stabilität des Plasmabetriebsdrucks zu erreichen. Außerdem schränkte das System die Forschung ein, da es nicht möglich war, das Plasma bei höheren Drücken zu untersuchen, was sich negativ auf die Qualität und Vorhersagbarkeit/Verlässlichkeit der Forschungsdaten auswirkte.

Es wurde ein anderer Ansatz zur Kontrolle des Vakuums im Forschungsaufbau benötigt, um den Wissenschaftlern die Möglichkeit zu geben, sich auf das eigentliche Thema ihrer Forschung zu konzentrieren: Das Verständnis des Plasmaverhaltens bei einem gewünschten Druckniveau, ohne dass Probleme mit der Druckkontrolle das verhindern.

Pressure Control Solutions

Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass eine stabilere, genauere und reibungslosere Druckregelung ein wichtiger Erfolgsfaktor für ihr Forschungsprojekt sein würde. Obwohl sie sich bewusst waren, dass sie unter recht ungewöhnlichen Prozessbedingungen arbeiteten, strebten sie nach bewährter Technik und sicherer Leistung ihres Forschungsaufbaus.

Als DIFFER-Forscher Tim Righart das erste Mal von Equilibar® und Pressure Control Solutions erfuhr, konnte er kaum glauben, dass die dombelasteten Vordruckregeler auch in seiner Anwendung funktionieren könnten. Schließlich betrieben sie einen sehr anspruchsvollen Aufbau, der ein so komplexes Medium wie Plasma (mit seinem unvermeidlichen Auftreten von Verunreinigungen und Leckagen) verwendet und der mit sehr hohen Temperaturen arbeitet, die die Membran beschädigen könnten. Ohne viel Hoffnung oder Zuversicht wandte sich das Team an PCS.

Tim erinnert sich, wie das Team einige Vorbehalte überwinden musste, um einen radikal anderen Ansatz zur Druckregelung auszuprobieren:

„Wir wussten es nicht besser, als ständig an der manuellen Vorsteuerung zu feilen, bis wir es richtig hinbekamen. Die Druckschwankungen in unserem Plasmasystem waren so normal, dass wir uns einfach kein Regelsystem vorstellen konnten, das uns das abnehmen könnte. Nur aufgrund des Wissens und der Erfahrung von Armand Bergsma waren wir bereit, einen Versuch zu wagen.“

Projektergebnis: Präzise Prozesskontrolle wurde die Lösung

Wie bereits erwähnt, waren eine genaue und stabile Druckregelung über längere Betriebszeiten und komplexe Prozessbedingungen eine wichtige Voraussetzung, um die Herausforderungen zu meistern, mit denen die Wissenschaftler konfrontiert waren. Dies würde helfen, genau zu verstehen, was in der Forschungsanlage vor sich geht und die Eigenschaften des Plasmas bei dem eingestellten Druckniveau zu untersuchen. PCS empfahl die Verwendung eines Equilibar-Vakuumreglers (EVR GSD8 Serie), der in die Forschungsanlage eingebaut werden sollte.

Trotz ihrer anfänglichen Vorbehalte waren die Wissenschaftler von der Leistung des Geräts in ihrem Forschungsprozess erstaunt:

• Die Benutzerfreundlichkeit verbesserte sich enorm
• Der volle Vakuumbereich konnte nun geregelt werden; eine Genauigkeit bis zu 3mbar abs wurde erreicht:
  • Das bedeutet eine viel bessere Genauigkeit bei höheren Drücken

Obwohl der Kunde mit dieser Verbesserung bereits recht zufrieden war, konnte die Genauigkeit für niedrigere Drücke noch optimiert werden. PCS bot als nächsten Schritt an, den Vorsteuerregler durch ein anderes Modell unserer eigenen Konstruktion zu ersetzen, die sogenannte ERC-Serie. Der ERC fügte sich nahtlos in das Forschungssystem ein und erlaubte eine direkte Bedienung, im Gegensatz zu der zuvor verwendeten Drosselklappe. Es bot dem Kunden eine "Plug-and-Play"-Funktionalität für optimale Benutzerfreundlichkeit und führte zu einer unvergleichlichen Präzision.

Prozessoptimierung & Kundenzufriedenheit

Tim beschreibt, dass die durch das System erreichte Verbesserung der Prozessbedingungen für das gesamte Team von großer Bedeutung war, da Ausfallzeiten oder unvorhersehbare Forschungsergebnisse minimiert wurden:

„Sogar Kollegen, die nicht direkt an den Diskussionen über die Druckregelung beteiligt waren, kamen herunter, um sich das anzusehen, denn jeder in der Gruppe erlebte, wie viel besser unser System war, nachdem unsere Regelungsprobleme gelöst waren! ... Der Druck im System ist jetzt nur noch ein weiterer Sollwert, den man wählt und um den man sich nicht mehr kümmern muss.“

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Sehen Sie sich die gesamte Kundenfallstudie an: PCS Case Study – Better Process Control for Better Process Outcomes

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