Gründliche Prozessplanung bringt Mehrwert. Kontinuierliche Konzentrationsüberwachung - prozesstechnik online

Kontinuierliche Konzentrationsüberwachung

Gründliche Prozessplanung bringt Mehrwert

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Für eine kontinuierliche Konzentrationsüberwachung flüssiger Produkte ist neben dem Einsatz genauer, robuster und leicht integrierbarer Messtechnik eine kundenspezifische Applikationsentwicklung im Vorfeld wichtig. Je gewissenhafter die Messaufgabe und deren Lösung vorab ausgearbeitet werden, desto besser erfüllt die Messung die Anforderungen im laufenden Betrieb.

Soll die Anlagenproduktivität gesteigert werden, führt kein Weg an kontinuierlicher Prozessüberwachung vorbei. Mithilfe von Prozessmesstechnik zur Messung der Produktparameter können Produktionsanlagen am optimalen Betriebspunkt gefahren werden. Auch für die Qualitätskontrolle ist die Prozesssensorik unverzichtbar. Labormessungen, also regelmäßige Probeentnahmen aus dem Prozess, sowie anschließende Aufbereitung und Messung im Labor, haben den Nachteil, dass sie nur Momentaufnahmen liefern und immer vergangenheitsbezogen sind. Das heißt, wird bei einer Laboranalyse festgestellt, dass ein Parameter außerhalb der zulässigen Toleranzgrenze lag, kann erst im Nachhinein darauf reagiert werden und der bereits entstandene Schaden erheblich sein. Zudem darf der erhöhte Personalaufwand für eine regelmäßige Laborkontrolle nicht außer Acht gelassen werden.

Analyse der Aufgabenstellung
Damit der Anwender mit der Prozessmesstechnik einen echten Mehrwert erreicht, müssen nicht nur die Sensoren von höchster Qualität und Messgenauigkeit sein. Entscheidend für eine erfolgreiche Applikationsentwicklung ist eine gründliche Analyse der Aufgabenstellung im Vorfeld. Wichtige Informationen sind die Komponenten des Messmediums, der Konzentrations- und Temperaturbereich des Produkts sowie die Definition des eigentlichen Ziels der Messung. Anton Paar entwickelt genau auf die Applikation zugeschnittene Lösungen. Eine detaillierte Beratung des Messtechnikherstellers hinsichtlich idealem Installationsort ist ebenso wichtig, wie eine umfassende Unterstützung bei der Inbetriebnahme der Messgeräte.
Bei Anton Paar bilden hochqualifizierte Techniker, Chemiker, Verfahrenstechniker ein Team, dessen Zielsetzung darin besteht, die Situation zu erfassen und eine Detailanalyse zu erstellen. Das Prozessteam beschäftigt sich intensiv mit der Frage, welches Messprinzip sich am besten für die Charakterisierung des zu messenden Stoffs eignet und welche Prozesssensoren idealerweise zum Einsatz kommen werden. Kernbestandteil der Applikationsentwicklung ist die Erstellung eines mathematischen Modells, das die gemessenen physikalischen Größen in die zu überwachende Prozesskenngröße umrechnet, z. B. aus der Dichte (Schallgeschwindigkeit oder Refraktionsindex) die Konzentration eines Bestandteils der Flüssigkeit. Diese Konzentrationsformelerstellung ist auch durch die Vermessung von Proben, die der Anwender vorab bereitstellt, möglich. Am einfachsten lässt sich die Konzentration von Lösungen aus zwei Komponenten bestimmen. Resultate liegen meist schnell vor und können mit einem Sensor leicht umgesetzt werden. Komplexer wird die Messaufgabe, wenn im Messbereich Umkehrpunkte vorhanden sind. Im Bereich des Umkehrpunkts kann die Konzentration mit der zugehörigen physikalischen Größe nicht eindeutig bestimmt werden. Durch das umfangreiche Sortiment an Sensoren oder deren Kombination lässt sich eine Alternativlösung für diese kritischen Bereiche erarbeiten.
Zur Konzentrationsbestimmung eines Drei-Komponentensystems werden zwei physikalische Messgrößen ermittelt, die von den Komponenten unterschiedlich beeinflusst werden. Als perfekte Lösung hat sich oft die Kombination aus Dichte- und Schallgeschwindigkeitsmessung herauskristallisiert. Aber auch Dichte und Refraktionsindex sind im Lösungsrepertoire enthalten.
Konzentrationsmessung in der Praxis
In einem Beispiel wurde eine Konzentrationsmessung von Essigsäure im Vollbereich (0 bis 100 %) realisiert. Sowohl die Dichte- als auch die Schallgeschwindigkeit zeigen einen Maximalpunkt (Umkehrpunkt), wodurch die Konzentrationsmessung nur in Teilbereichen möglich ist. Mit der Dichte wird hierbei in den unteren, mit Schall in den oberen Konzentrationsbereichen gemessen. Anton Paar kombinierte eine Dichte- und Schallmessung in einem Sensor und durch die Entwicklung einer speziellen Konzentrationsformel lässt sich daraus die Konzentration der Essigsäure im Vollbereich bestimmen.
Bei der Messung des Dreistoffgemischs Formaldehyd/Methanol/Wasser besteht die Applikation darin, dass mithilfe eines Katalysators Methanol mit Sauerstoff zu Formaldehyd und Wasser umgesetzt wird. Die Konzentrationsmessung von Methanol und Formaldehyd dient zur Reaktionsüberwachung. Dreistoffgemische können z. B. mithilfe der zwei unabhängigen physikalischen Messgrößen Dichte und Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Wichtig ist, dass sich die in der Lösung befindlichen Stoffe bei einer Konzentrationsänderung unterschiedlich verhalten. Eine Änderung des Formaldehyds in der Lösung beeinflusst die Dichte deutlich stärker als die Schallgeschwindigkeit. Methanol hingegen zeigt bei Konzentrationsänderungen einen wesentlich stärkeren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Die sich bei der grafischen Darstellung ergebenden 90°-Schnittpunkte waren eine ideale Voraussetzung für den Einsatz von Dichte und Schallgeschwindigkeit als physikalische Messgrößen.
Sensoren leicht integrierbar
Die beste Applikationsentwicklung im Vorfeld nützt jedoch nichts, wenn die eingesetzten Prozesssensoren nicht die vom Kunden gestellten Anforderungen erfüllen können. Neben hoher Messgenauigkeit, geringem Wartungs- und Kalibrieraufwand sowie hoher Robustheit ist die einfache Integration eines Sensors ein wesentliches Argument für die Wahl. Hohe Investitions-, Wartungs- und Kalibrierkosten können ein K.-o.-Kriterium sein. Die hochgenauen Dichtesensoren von Anton Paar entsprechen genau diesen Anforderungen. Basierend auf einem modularen Konzept zeichnen sich die Geräte durch geringes Gewicht und Kompaktheit aus. Neben dem typischen Bypass-Adapter, stehen eine Vielzahl von Inline-Adaptern zur Verfügung, die über Flansch-Verbindungen direkt am Rohr installiert werden können. Unterschiedliche Schnittstellen und eine Auswahl an verschiedenen produktberührenden Materialien runden die Produktpalette ab. Die Dichtesensoren der Serie L-Dens 4X7 bestimmen Dichtewerte auf vier Nachkommastellen genau. Um auch härtesten Betriebsumgebungen standzuhalten, wurde das Gehäuse in Edelstahl ausgeführt. Die Sensoren für die explosionsgefährdeten Bereiche sind Atex-, FM- und IECEx-konform. Zudem besitzen die Messwertaufnehmer keine bewegten Teile und sind wartungsfrei. Die Temperatur der Probe kann von -40 bis +125 °C reichen, die Umgebungstemperatur von -40 bis +70 °C. 180 bar Druck sind möglich, je nach Material und Flansch. Ist eine Messung mit Dichte aufgrund des Verlaufs der Konzentrationskurven nicht möglich, kommen Schallgeschwindigkeitssensoren, Inline-Refraktometer etc. zum Einsatz. Auch diese lassen sich durch einen Flansch direkt in eine Leitung oder einen Tank integrieren.

Gerald Schwarz
Produktspezialist Prozessmesstechnik, Anton Paar

Tobias Ochss
Produktmanager Prozessmesstechnik, Anton Paar Germany


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