Modulare Plattform

John Wawrowski

In der Industrie herrscht Übereinstimmung, dass Verbesserungen bei den Probeentnahme- und Probetransportsystemen, bei der bis zu 80% der Probleme in der Prozessanalyse auftreten können, unbedingt erforderlich sind. Im Verlauf der vergangenen zwei Jahrzehnte sind Analysegeräte immer leistungsfähiger und zuverlässiger geworden. Auch beim Funktionsspektrum, der Leistung und einfachen Bedienung der Rechner und Programme, die zur Steuerung und Bedienung der Systeme eingesetzt werden, wurden große Fortschritte erreicht. Der grundsätzliche Aufbau der Probeentnahme- und Probetransportsysteme für diese Prozessanalysatoren hat jedoch mit deren technischen Fortschritten nicht Schritt halten können.

Auch mit den generellen wirtschaftlichen und industriellen Trends, die Veränderungen in den Prozessanlagen vorantreiben, konnten die Probeentnahme- und Probetransportsysteme nicht mithalten. Diese Trends haben zum Abbau des technischen Personals und des Wartungspersonals in den Betrieben geführt und zur Folge gehabt, dass die Betreiber in stärkerem Maße auf Lieferanten zurückgreifen, die schlüsselfertige Lösungen, Möglichkeiten für den Fernzugang sowie mehr Know-how in der Automation für Prozessanalysatoren und Analysesysteme anbieten können.

Der Ansporn für die Industrie liegt in der Entwicklung neuer Probeentnahmesysteme, um die Leistung der Analysesysteme zu steigern, die Kosten für den Entwurf, den Aufbau und die Installation der Systeme zu senken und die Betriebs- und Wartungskosten zu verringern. Ein wichtiger Weg zur Erfüllung dieser Anforderungen führt über die Miniaturisierung, Modularität und Intelligenz der Probeentnahmesysteme.

In Erkenntnis der Notwendigkeit zu Verbesserungen hat Swagelok an der „New Sampling/Sensor Initiative“ (NeSSI) des „Center for Process Analytical Chemistry“ (CPAC) der Universität von Washington mitgearbeitet, die ins Leben gerufen wurde, um die Bewertung des gegenwärtigen Stands der Technik und die Entwicklung der nächsten Generation modularer Probeentnahmesysteme voranzutreiben. Ziel des CPAC, eines gemischten Konsortiums mit Mitgliedern aus Industrie und Forschung, ist die Entwicklung neuer Methoden, Techniken und Geräte für die analytische Chemie. Die offene Architektur ist eines der Schlüsselelemente für die modulare Entwicklung. Das SP76 Composition Analyzers Committee der ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society) erkannte die Notwendigkeit einer Norm für die Dichtung zwischen Plattform oder Substrat und den flächenbefestigten Funktionsbauteilen, damit Komponenten verschiedener Hersteller zu einem kompletten System integriert werden können. Die Norm, ANSI/ISA 76.00.02, wurde im Juni 2002 veröffentlicht.

Als Antwort auf die Forderungen der Industrie nach Verbesserungen bei Prozessanalyse- und Probeentnahmesystemen hat Swagelok sein System modularer Plattformbauteile (MPC) entwickelt (Bild 1). Das MPC-System wird aus Fluidverteilungskomponenten – darunter Absperr-, Kegel-, Dosier-, Kipphebel- und Rückschlagventile sowie Filter – aufgebaut, die auf einer Substratebene mit speziellen Verteilerschienen und Flussverbindern montiert werden. Das System erfüllt sämtliche Anforderungen der Norm ANSI/ISA 76.00.02 für die Aufstellkantenlänge mit 38,2 mm (1,5“).

Eine typische MPC-Baugruppe, die ein kompaktes Fluidverteilungssystem mit verringertem Platzbedarf für die effiziente Nutzung des Bauteilraums enthält, ist in Bild 2 dargestellt. Die Flächenbefestigungsebene ist die oberste Ebene für die Funktionalität des Systems. Auf dieser Ebene ist eine Reihe flächenbefestigter Bauteile montiert, die in verschiedenen Ausführungen mit 2- oder 3-Wege-Körpern erhältlich sind. Die Substrat- und Verteilerebenen werden zur Durchführung des Systemfluids kombiniert und können für beliebige Durchflusskonfigurationen maßgeschneidert werden. Die Substratebene stellt den Fließweg zwischen den Flächenbefestigungsbauteilen her, während die Verteilerebene für den Fließweg zwischen zwei oder mehr parallelen Substraten zuständig ist. Beide Ebenen sind durchgehend mit präzisionsbearbeiteten Kanälen zur Aufnahme der einsteckbaren Flussverbinder ausgestattet. Die Substratschienen sind in verschiedenen Längen erhältlich und können bis zu 14 Flächenbefestigungsbauteile aufnehmen. Die in verschiedenen Längen verfügbaren Verteilerschienen nehmen bis zu 6 parallele Substrate auf. Standard-O-Ringe stellen die leckfreie Abdichtung zwischen den Flächenbefestigungsbauteilen und den Substrat-Flussverbindern sowie zwischen den Komponenten der Substratebene und der Verteilerebene sicher. Dieser Lösungsweg bietet zahlreiche Vorteile: Geringere Größe, weniger Gewicht und Platzbedarf. In Chemieanlagen sind die Systeme für die Vorbehandlung von Proben im Allgemeinen in kostenaufwändigen eigensicheren oder gespülten Schutzgehäusen außerhalb des Analysatorenschutzraums untergebracht. Bei Verwendung einer kompakten modularen Bauweise können derartige Systeme in Gehäusen installiert werden, die mehr als 70% kleiner sind als bei herkömmlichen Systemen. Dadurch sinken die Kosten sowohl für die Gehäuse als auch für die Schutzeinrichtungen. Die Verringerung der Größe, des Gewichts- und Platzbedarfs erleichtert es zudem, das Probeentnahmesystem mit Prozessanalysatoren vor Ort zu verbinden und näher am Entnahmepunkt zu montieren. Dies trägt dazu bei, die Kosten zu senken und Ungenauigkeiten durch lange beheizte Leitungen für den Probentransport zu vermeiden. Letztlich vermindert sich aufgrund des kleineren Innenvolumens kompakter modularer Systeme auch der Verbrauch von Null-, Bereichs- und Spülgas, so dass die Betriebskosten weiter sinken.

Der Zeitaufwand und die Kosten für die Systemauslegung können mit Hilfe des MPC-Systemkofigurators gesenkt werden. Mit dem Konfigurator kann der Anwender am Computer ein virtuell maßgeschneidertes System zusammenstellen, indem er Flächenbefestigungsbauteile auf einem Layoutgitter definiert, platziert und verbindet. Der Konfigurator identifiziert anschließend die Durchflussbauteile, die zur Zusammenstellung des kompletten Fluidsystems erforderlich sind. Zur Vereinfachung des Bestellvorgangs der Bauteile und zur Vereinfachung des Zusammenbaus werden eine Stückliste und ein Montageschema für das MPC-System automatisch generiert.

Das System ist mit Hilfe des maßgeschneiderten Montageschemas, schriftlichen Anweisungen und nur einem einzigen Werkzeug – einem Inbusschraubendreher – problemlos zu montieren. Die Montagekosten sinken, da umfangreiche Anschlussarbeiten für die Verbindung der einzelnen Fluidverteilungskomponenten auf großen Schalttafeln oder in Gestellen nicht mehr notwendig sind. Die Montage beschränkt sich auf den Aufbau der nebeneinanderliegenden Flächenbefestigungsbauteile im Lochabstand von jeweils 38,9 mm auf der Substratverteilerebene, die den Fließweg durch das System festlegen.

Das System umfasst Befestigungsblöcke zum Anbau an eine Schalttafel oder Einbau in ein Gehäuse. Detaillierte Maßangaben werden mitgeliefert. Standard-Rohrverschraubungen für den leckfreien Anschluss sind von Swagelok erhältlich.

Alle Flächenbefestigungsbauteile können leicht von der Oberseite der Baugruppe gewartet werden; es gibt keine versteckten Befestigungsteile an den Unterseiten. Bauteile und Dichtungen sind schnell und einfach zu warten, ohne dass andere Bauteile gestört werden.

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