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Effizientes Werkzeug für die Produktion

NIR-Spektroskopie für die optimierte Automatisierung
Effizientes Werkzeug für die Produktion

Der Messtechnikspezialist Krohne hat sein Portfolio um das auf der NIR-Spektroskopie basierende System SpectroBay erweitert. Das System kann das Fundament für optimierte Automatisierungs-prozesse und für ein komplettes Prozesssteuerungskonzept bilden. Mit SpectroBay ausgestattete chemische Anlagen arbeiten deutlich profitabler und erreichen schon früh den Return on Invest.

Autor Ralf Haut Branchenmanager Chemie, Krohne

Prozessanalysentechnik (PAT) ist eine unverzichtbare Voraussetzung für eine technisch und wirtschaftlich optimale Steuerung und Regelung von chemischen Prozessen. Die Nah-Infrarot (NIR)-Spektroskopie ist hierbei eine etablierte Methode, um chemische Zusammensetzungen zu quantifizieren und wurde aus diesem Grund in den letzten zehn Jahren zu einem wichtigen Instrument in der PAT.
Mit der NIR-Spektroskopie lässt sich gewissermaßen der Fingerabdruck von Molekülen erkennen und damit die Identität von Inhaltsstoffen und deren Konzentrationen sicher feststellen. Sie erlaubt auch die Leistungsfähigkeit einer Anlage, z. B. die sogenannte Raumzeitausbeute, zu maximieren. Der planungstechnisch ideale Betriebspunkt einer Chemieanlage liegt bei 100 % Auslastung. Wird sie nur bei 90 % betrieben, bleiben Ressourcen ungenutzt. Die chemischen Prozesse müssen optimal ablaufen, um den idealen Betriebspunkt und damit das ökonomische Optimum zu erreichen. Hierzu müsste die exakte Zusammensetzung der Stoffe in der Anlage überall und zu jedem Zeitpunkt bekannt sein.
Neben dem Einsatz von klassischer Prozessmesstechnik (Volumen, Füllstand, Temperatur, etc.) wird daher zunehmend PAT eingesetzt. Die Anforderungen an die PAT sind dabei sehr unterschiedlich: Batch-Prozesse erfordern eine zeitliche Ausdehnung der Messungen über alle Konzentrationsbereiche. Die Stoffzusammensetzung an der Sonde ändert sich also fortlaufend. Bei kontinuierlichen Prozessen taucht dagegen häufig die gleiche Zusammensetzung oder die gleiche Konzentration an nur einer Stelle in der Produktionskette auf und die Messungen finden in den jeweiligen Prozessschritten statt. Der ideale Zustand, immer über alles genau Bescheid zu wissen, würde in einem Chemiewerk einen zu großen Kostenaufwand bedeuten. Dagegen kann mit gut platzierten PAT-Messstellen eine höhere Ebene der Steuerungstechnik erreicht und bislang ungenutztes Potenzial gehoben werden, ein Eckpfeiler von Advanced Process Control (APC).
Aufgrund der durch Probennahme, Probentransport und Analysendauer zeitverzögerten Ergebnisse, sowie der größeren Zeitabstände zwischen einzelnen Proben, ist die Regelung von Prozessen auf diesem Niveau mit Gaschromatografen (GC) nahezu unmöglich.
NIR-Spektroskopie bietet Vorteile
Im Spektrum der elektromagnetischen Wellen liegt der NIR-Bereich unterhalb des sichtbaren Lichts. Jedes Molekül absorbiert ganz bestimmte Bereiche des Lichts, mit dem es an- bzw. durchstrahlt wird, was Rückschlüsse auf seine Strukturzusammensetzung erlaubt. Das detektierte Absorptionsspektrum lässt sich anschließend in einem Diagramm darstellen.
Für die NIR-Spektroskopie als Messverfahren sprechen verschiedene Gründe:
  • Statt einzelner Wellenlängen wird ein ganzes Spektrum betrachtet, dadurch gewinnt man eine Fülle von Informationen, die eine sichere Interpretation der Messergebnisse ermöglichen; sogar nach Veränderungen der Stoffmatrix.
  • Für viele Messstoffe geeignet: Flüssigkeiten und Suspensionen, Feststoffe oder Gase.
  • Die Variabilität der Länge des Messweges bis zum Zentimeterbereich macht NIR zur geeigneten Messmethode für die Inline-Messung von Flüssigkeiten und Gasen. Blockaden des Messpfads durch Ablagerungen werden weitgehend vermieden.
  • Bei Inline-Messung wird die Probenahme zugunsten der Arbeitssicherheit auf ein Minimum reduziert, Personal- und Laborkosten werden gesenkt.
Mehr als eine Einzellösung
Mit dem NIR-Spektrometersystem SpectroBay bietet der Messtechnikspezialist Krohne jetzt eine Automatisierungsplattform zur Regelung komplizierter chemischer Verfahren. SpectroBay ermöglicht eine exakte Prozessbeobachtung: Eng an die betriebliche Steuerung gekoppelt, bildet das System die Grundlage für APC. Das von Bayer Technology Services (BTS) entwickelte System arbeitet mit qualifizierter, standardisierter Hard- und Software. Das System hat sich seit mehr als zehn Jahren bewährt und wird ständig aktualisiert.
Die Partner BTS und Krohne bieten umfangreiches Betreiber- und Planungswissen speziell im Bereich NIR. Für den Einsatz von SpectroBay in chemischen Anlagen ist dieses Betreiber- und Planungswissen der Garant für eine schnelle und funktionstüchtige Verbesserung der Prozessregelung. Ein bewährtes System aus abgestimmten Komponenten gewährleistet hohe Kosteneffizienz.
Unter Berücksichtigung der baulichen Möglichkeiten und der Prozessführung kann mit der erwähnten Betreibererfahrung die optimale Platzierung und Ausgestaltung der Messstellen erreicht werden. Um beispielsweise Feststoffe, wie Pulver, Krümel oder Brocken auf einem Förderband, im Reflexionsverfahren zu messen, ist eine besondere Feststoffsonde nötig, die mit einer eigenen Lichtquelle ausgestattet ist.
Multiplex bietet Ausbaureserve
Ein wichtiger Vorteil von SpectroBay ergibt sich aus seiner Multiplex-Fähigkeit mit sechs Kanälen. Beispielsweise können an einer Destillationskolonne zunächst zwei Messpunkte am Feed und Kopf installiert werden. Später können die vier noch freien Messpunkte für eine verfeinerte Regelung nachgerüstet werden. Sie können sogar für Messaufgaben an anderen Kolonnen verwendet werden. Die strategische Ausbaureserve von sechs Kanälen kann darüber hinaus mit einem Multiplexer erweitert werden.
Im Markt ist bei der Nutzung von SpectroBay das Multiplexing Standard. Die mehr als 150 installierten Systeme sind mit über 600 Messpunkten ausgerüstet, im Durchschnitt vier Messpunkte pro System. Dadurch lässt sich ein Prozess an mehreren Punkten in Echtzeit überwachen bzw. optimieren. Außerdem lassen sich völlig neue Regelungsmöglichkeiten erschließen, die mit extraktiven Verfahren, wie z. B. GC, kaum möglich sind.
Das SpectroBay-System wird in einem Schaltschrank installiert und besteht in der einfachsten Version aus folgenden Komponenten:
  • einem Industrie-PC mit Bedientastatur, der die Systemsteuerung übernimmt
  • der Kommunikations- und Schalttechnik inklusive Verbindung zum Prozessleitsystem
  • einem Display, das die Messwerte und Statusmeldungen lokal anzeigt
  • dem Spektrometer, dessen Auswahl von den Erfordernissen des Prozesses abhängt
  • applikationsspezifische(n) Messsonde(n)
Das wesentliche Element im Softwarebereich ist die von BTS entwickelte Software Arts (Analyzer Result Transfer Software). Arts steuert den Analysator an und macht Ergebnisse und Konzentrationen verfügbar. Es schafft so die Basis für nachgelagerte Regelungsprozesse und lokale Schaltvorgänge: Signale für Prozesse können aktiv gestartet oder über Schalteingänge auch empfangen werden. Es gibt unterschiedliche Ausgangsoptionen: ein oder mehrere 4…20 mA-Ausgänge, OPC-Schnittstellen, Ethernet, Modbus, Profibus-DP, Profinet oder kundenspezifische Ausgänge.
Mithilfe der Software können außerdem amt-liche Dokumentationen erstellt und Verbrauchswerte und Abläufe dokumentiert werden. Fernwartung und -kalibrierung sind auf Wunsch ebenfalls möglich.
Anwendungsbereiche von SpectroBay
SpectroBay ermöglicht eine übergeordnete Regelstrategie. Mit präzisen Messwerten über den kompletten Produktionsablauf kann die Anlagenkapazität in Richtung einer vollständigen Auslastung gebracht werden, Ausschuss und Down-Time werden minimiert.
Typische Anwendungen sind die Steuerung und Regelung von Destillationen, Kristallisationsprozessen und von Trocknungsprozessen. Mit SpectroBay lassen sich Reaktionen, z. B. Polymerisationen, verfolgen und deren Endpunkte bestimmen, sowie Endprodukte qualitativ charakterisieren und gleichbleibende Standards sichern. Funktionen wie Indikation von Produktwechsel und Qualitätsüberwachung können damit realisiert werden.
Bessere Auslastung der Anlagen
Verschiedene SpectroBay-Einsatzmöglichkeiten sollen im Folgenden am Beispiel von drei konkreten Anwendungen aufgezeigt werden. Bei dem ersten Prozess, einer Fließbettgranulation, wird das Material durch Trocknung granuliert. Die Regelung des Trocknungsprozesses mit SpectroBay hat direkte Auswirkung auf die Qualität des Granulates und senkt den Energieverbrauch auf das Mindestmaß. Mittels Sonden an der Unterseite des Behälters erfasst SpectroBay die Spektren in Echtzeit und lässt genaue Angaben über den Feuchtegehalt zu. An einer Kurvendarstellung lässt sich die Feuchtemenge genau nachvollziehen und erkennen, wann der Endpunkt der Trocknung erreicht und das Produkt fertig granuliert ist und eine neue Charge verarbeitet werden kann. Eine bessere Auslastung der Anlage ist die Folge.
Kürzere Batch-Dauer spart Energie
Eine im chemisch-analytischen Sinne anspruchsvolle Applikation ist die Isomerentrennung durch Destillation. Bei dem folgenden Fall einer Isomerentrennung chlorierter Aromaten werden neun Komponenten überwacht. Für die Steuerung des 30-stündigen Batch-Prozesses stehen dem Anlagenfahrer bei konventionell ermittelten Laborergebnissen nur punktuelle Daten zur Verfügung. Den Reaktionsfortgang im Reaktor kann er nur aus Erfahrung beurteilen. Durch die Zeitdifferenz zwischen Probenahme und Laborergebnis war die Regelqualität schlecht und die Kapazität dieser Batch-Destillation konnte nicht voll ausgenutzt werden. Da die Rückflussmenge der Kolonne nur konventionell geregelt wurde, war zudem die Energieeffizienz der Anlage unbefriedigend.
Mittels Online-Messung in Echtzeit werden alle Stadien der Reaktion hingegen genau identifiziert und die Abläufe können präzise gesteuert werden. Mit SpectroBay konnte in diesem Beispiel durch exakte Schaltung bzw. Schnitt der Vor-, Haupt- und Nachläufe der Energiebedarf um 20 % gesenkt werden. Bei stabiler Produktqualität wurde gleichzeitig das Probenaufkommen im Labor drastisch reduziert. Der größte Effekt war die Verkürzung der Batch-Dauer von 30 auf 24 Stunden, was eine Kapazitätssteigerung um 19 % zur Folge hat.
Zuverlässige Prozesskontrolle
Mit SpectroBay lässt sich auch der Reaktionsverlauf chemischer Prozesse verfolgen. Im vorliegenden Fall gab es spezielle Anforderungen durch eine Produktion mit zwei flüssigen Phasen, die sich nicht ineinander lösen bzw. schnell entmischen. Um der Reaktion die nötige Zeit zu geben, existiert eine Verweilzeit- kaskade von circa acht Stunden. In der Kaskade werden die Stoffe durch Rühren gemischt, dann lässt man sie wieder zur Ruhe kommen, um sie später erneut zu vermischen. Der Zustand des Gemisches ist in dieser Zeit also nur sehr schwer zu beurteilen. Konventionell gezogene Proben weisen nur ein grobes Ergebnis aus, das auch durch die Entmischung beeinflusst wird.
Die NIR-Messung mit SpectroBay löst das Problem, da Prozess und Anlage auf Basis der kontinuierlichen Messung direkt im Reaktor korrekt gesteuert werden können. Der Anlagenbetreiber ist zu jeder Zeit über den Reaktionsfortgang in dem Zweiphasenprozess in Kenntnis. Die Produktspezifikationen werden schneller und präziser erreicht. Ein weiterer wichtiger Nebeneffekt der Messung direkt im Mischbehälter ist der erhebliche Gewinn an Arbeitssicherheit, da durch die Messung in dem geschlossenen System die routinemäßige Probenahme der gesundheitsgefährdenden Komponenten entfällt.
prozesstechnik-online.de/cav0115409
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