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Effiziente Prozessanalyse

Auswahl einer Probenumschalteinheit für die analytische Instrumentierung
Effiziente Prozessanalyse

Probenumschalteinheiten haben sich im Zuge der hoch entwickelten Analyse-instrumentierung stark verbessert. Die Einheiten änderten sich von sperrigen, wartungsanfälligen Systemen zu modularen Miniaturdesigns mit einfacher Wartung und besserer Leistung. Bei der Auswahl des richtigen Systems für ein bestimmtes Analyseverfahren spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, die es sorgfältig abzuwägen gilt.

John Wawrowski, Doug Nordstrom und Joel Feldman

In der industriellen Produktion werden werden häufig mit einem einzelnen automatisierten Analysesystem nacheinander mehrere Probenströme bearbeitet. Über Probenumschaltbauteile gelangen sie in eine gemeinsame Leitung zum Analysesystem. Die Probenumschaltsysteme sollten folgende Eigenschaften aufweisen:
  • möglichst wenig Raum für die automatische Probenauswahl benötigen
  • Kreuzkontamination vermeiden und die Integrität der Probe gewährleisten
  • schnell von alten Proben abreinigbar sein
Zur Auswahl stehen Doppelblock- und Ablassventilkonfigurationen (DBB). Die effizientesten sind kompakt und haben konstante Flusseigenschaften, schnelle Reinigungszeiten, einen niedrigen Ventilbetätigungsdruck und verbesserte Sicherheitseigenschaften. Außerdem bieten benutzerfreundliche Systeme visuelle Betätigungs- und Fließweganzeigen, sind mit ANSI-ISA 76.00.02 kompatibel und ermöglichen eine einfache Wartung und Fehlerbehebung (Bild 1).
Sperrige Kugelhahnsysteme
Ursprünglich führten Verfahrensleitungen in der Regel zu je einem Kugelhahn pro Leitung. Alle Ströme teilen einen gemeinsamen Durchgang zum Probenentnahme- oder Analysegerät. Der Probenstrom muss dabei zunächst so lang durch das System laufen, bis gewährleistet ist, dass er frei von Rückständen früherer Proben ist. Zudem besteht die Gefahr einer Kreuzkontamination aufgrund von interner Leckage oder Kreuzströmen in Ventilanschlüssen. Toträume oder eingeschlossenes Probenmaterial zwischen Ventil und Durchgang zum Analysengerät bergen weitere Risiken. Ein häufiges Problem von Kugelhahn-Systemen war dann auch die Probenkontamination aufgrund von Toträumen und undichten Ventilen. Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, verwenden die Hersteller zwei unterschiedliche Designs, die auf Doppelblock- und Ablasskonfigurationen basieren – ein traditionelles und ein Kaskadendesign. Der Hauptunterschied liegt dabei im Fließweg des Probenmaterials durch die Einheit zum gemeinsamen Durchgang ins Analysegerät.
In einem traditionellen DBB-System gibt es für jeden Strom zwei aufeinander folgende Ventile, die den Probenfluss zum gemeinsamen Durchgang zum Analysegerät unterbrechen. Die Ströme gelangen auf direkten Weg von der Prozessleitung zum Durchgang. Wenn die Blockventile geschlossen sind, wird ein Ablassventil geöffnet, um das Volumen zwischen den Blockventilen in die Atmosphäre oder in eine Sammelvorrichtung abzulassen. Ist das erste Blockventil undicht, fließt die Probe in die Entlüftung, anstatt andere Ströme in der Einheit zu kontaminieren. Toträume könnten bei unzureichender Reinigung ein potenzielles Problem darstellen.
Bei einer kaskadenförmigen DBB-Konfiguration, bei der ein Strom durch das untere Ablassventil eines oder mehrer Nachbarströme fließt, werden Toträume vermieden, da das System durch den Fließweg durchspült wird. Fließt Strom 2 zum Analysegerät in Bild 2, fließt er durch einen Satz von Block- und Ablassventilen und dann durch das Ablassventil von Strom 1, bevor er die Leitung zum Analysegerät erreicht. Strom 2 verdrängt jegliches verbleibende Probenmaterial von Strom 1. Fließt Strom 2, so sind seine Ablassventile geschlossenen, wodurch sich das Kontaminationsrisiko durch einen anderen Strom verringert. Sowohl beim traditionellen als auch beim kaskadenförmigen DBB-Design basieren der hohe Durchfluss und die relativ einfache Bedienung und Wartung auf dem Einsatz von Kugelhähnen. Diese Systeme erfordern jedoch aufgrund der zur Probenauswahl erforderlichen Verschraubungen, Leitungen und Ventile viel Platz.
Weiterentwicklung zu Probenumschaltvorrichtungen
Weiterentwicklungen führten zu modularen Ventilbauteilen, die mehrere Verfahrensströme auf begrenzten Raum aufnehmen können. Ventilmodule mit DBB-Funktion steuern die einzelnen Ströme und dienen sowohl als Absperrventile als auch als Probenumschaltventile (Bild 3). Diese Ventile basieren auf einem modularen Technologiekonzept und vereinen mehrere Funktionen. Der Endbenutzer hat nun Doppelblock-, Ablass- und Betätigungsfunktion in einem einzigen Modul, anstatt dafür mehrere Kugelhähne verwenden zu müssen. Platzbedarf und Montagezeit verringern sich damit, zudem können bei wechselnden Anforderungen Module hinzugefügt oder entfernt werden.
Weiterhin kann der Anwender zwischen einer traditionellen, einer kaskadenförmigen DBB-Konfiguration und einem integrierten Flussschleifendesign wählen. Bei modularem kaskadenförmigem Design wird – wie beim nicht-modularen Gegenstück – Probenmaterial durch die Ablassventile der weiter unten liegenden Ventile zum Analysegerät befördert. Dieser Fließweg verursacht von Strom zu Strom unbeständige Fließgeschwindigkeiten. Der Hauptstrom – Strom 1 in Bild 2– hat direkten Zugang zum Auslass. Je weiter sich die Ströme vom Auslass entfernen, desto schwieriger wird der Fließweg. Daher verringert sich der Probenfluss mit zunehmender Entfernung des Stroms vom Auslass. Außerdem erhöhen sich die Spülzeiten für solche Ströme. Das modulare integrierte Flussschleifendesign behebt das Problem des unbeständigen Flusses. Eine Flussschleife wird in die Grundblöcke der Module integriert. Die Doppelblock- und Ablassventile öffnen sich direkt in die Flussschleife, die einen direkten Weg zum Analysegerät bietet (Bild 4). Konstante Stromdurchflussgeschwindigkeiten ermöglichen es, eine konstante Reinigungs- und Analysezeit für alle Ströme einzustellen. Die bei kaskadenförmigen DBB-Designs auftretenden unterschiedlichen Durchflussgeschwindigkeiten können zu Produktverschwendung führen, besonders bei System, bei denen nach jedem Strom so lange durchspült wird, wie es für den langsamsten Strom erforderlich ist. Die höhere Gesamtanalysezeit kann zudem zu Verzögerungen beim Auffinden kontaminierter Verfahrensströme führen.
Weitere Designüberlegungen
Bei der Auswahl der Probenumschalteinheit sollten außerdem die Systemkompatibilität, Sicherheitsfragen sowie Benutzerfreundlichkeit berücksichtigt werden. Wichtige Kriterien sind:
  • Pneumatischen Betätigungseinheiten in automatisierten Probenumschaltsystemen ermöglichen wiederholtes Abschalten mit weniger potenziellen Leckagepunkten als konventionelle Systeme. Der Betätigungsdruck des Luftsystems sollte bei 2,7 bar liegen.
  • Mit Hilfe eines integrierten belüfteten Luftspalts lässt sich das Vermischen der Druckluft des pneumatischen Betätigungselements mit Systemfluid vermeiden. Druckluft oder Systemfluid entweichen an die Atmosphäre oder in einen Auffangbereich, wenn eine Dichtung beschädigt sein sollte. Außerdem gelangt die Betätigungsdruckluft nicht zum Analysegerät.
  • Kompakte Größe – dabei sind die Stellflächen vollständiger Systeme für dieselbe Anzahl von Strömen zu vergleichen.
  • Minatur- und modulare Analysesysteme müssen auf ein Substrat montierbar sein und Ein- und Auslassanschlüsse innerhalb einer Grundfläche von 38,1 mm x 38,1 mm enthalten. Die gemäß ANSI/ISA 76.00.02 entwickelten Stromauswahlventile sparen hier Montage- und Wartungszeit (Bild 1).
  • Visuelle Betätigungsanzeigen reduzieren die Zeit zur Fehlerbehebung. Große, farbige Anzeigen helfen dem Anwender zu erkennen, dass das Ventil geöffnet ist.
  • Zur schnellen Identifikation der verschiedenen Verfahrensströme in einem Analysesystem können außerdem farblich gekennzeichnete Kappen verwendet werden, beispielsweise eine grüne Kappe für den Probenstrom oder eine blaue zur Identifikation eines Null-Gasstroms .
  • Modulare Stromauswahlventileinheiten bieten bereits aufgrund ihres Designs eine einfache Installation und Wartung. Zudem vereinfacht die vertikale Demontage der Ventilmodule von den Grundblöcken die Wartung und verhindert die versehentliche Demontage eines ganzen Systems.
  • Analysesysteme mit Druckanforderungen im Bereich von 17,2 bis 34,4 bar erfordern Hochdruck-Ausführungen.
  • Aufgrund der häufigen Schaltzyklen sollten die typischen Produktzykluslebensdauer oder die mittlere Zeit bis zum ersten Ausfall (MTTF)vorliegen.
Halle 8.0, Stand P38
cav 575

Prozessinstrumentierung von Swagelok
Seminar Prozessanalytik
Achema 2006
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