Die Trennschichtmessung ist in der Öl-, Gas- und petrochemischen Industrie immer dann erforderlich, wenn sich nicht mischbare Flüssigkeiten im selben Behälter befinden. Das leichtere Medium steigt dabei nach oben, das schwerere sammelt sich am Boden. Zwischen diesen beiden Fraktionen entsteht eine Schicht, an der sie bis zu einem gewissen Grad emulgieren. Diese Emulsionsschicht kann sich als schmale, ausgeprägte Grenzschicht ausformen, häufiger weist sie jedoch einen breiterer Verlauf der gemischten Flüssigkeiten auf. Generell gilt: je dicker die Emulsionsschicht, desto herausfordernder die Trennschichtmessung.
Während die Überwachung des Gesamtfüllstands für die Sicherheit (Überfüllsicherung) von entscheidender Bedeutung ist, muss der Füllstand einer Trennschicht bekannt sein, um Produktqualität und Betriebseffizienz beizubehalten. Wenn sich z. B. Wasser in Öl befindet, kann dies zu Verarbeitungsproblemen, Anlagenausfällen und außerplanmäßigen Abschaltungen führen. Wenn sich andererseits Öl in Wasser befindet, kann es zu Produktionsverlusten, Umweltstrafzahlungen, Sanktionen und gar Zwangsabschaltungen kommen.
Die richtige Technologie auswählen
Für Trennschichtanwendungen gibt es keine perfekte, überall einsetzbare Technologie. Von allen verfügbaren Füllstandgrenzschaltern und -messumformern eignen sich nur eine Handvoll für eine zuverlässige Trennschichtmessung. Zu den führenden Technologien der Trennschichtmessung zählen Guided Wave Radar (GWR), auftriebsbasierte Verdränger und Magnetostriktion.
GWR wird gerne eingesetzt, da GWR sowohl für den Gesamtfüllstand (potenzielle Überfüllsicherung) als auch für Trennschichtanwendungen verwendet werden kann. Die Trennschichtmessung mittels GWR unterliegt zwar auch Einschränkungen, diese werden jedoch häufig durch Demulgatoren oder eine Erhöhung der Prozesstemperatur zur Unterstützung der Trennung schwererer Öle abgeschwächt.
Die magnetostriktive Technologie wird ebenfalls zur Trennschichtmessung eingesetzt. Da sie auf dem Auftriebsprinzip basiert, ergeben sich dichtebedingte Nachteile. Bei Anwendungen mit großen oder sich ausdehnenden Emulsionsschichten weist diese Technologie aber auch Vorteile auf. Aufgrund der beweglichen Teile muss die Ablagerung von Feststoffen allerdings berücksichtigt werden.
Horizontale Abscheider
In der Öl-, Gas- und petrochemischen Industrie gibt es eine Vielzahl von Trennschichtanwendungen. Häufig spielt der Einbauort eines Messgerätes die entscheidende Rolle. Führt die Zuleitung beispielsweise in einen horizontalen Abscheider, ist der optimale Einbauort für das Füllstandmessgerät häufig möglichst weit vom Zulauf entfernt (näher am Wehr), wo die Trennung von Rohöl und Wasser homogener wird. Wenn dann auch noch die Geräteleistung optimiert wird, ist eine engere Regelung des oberen Füllstands der Emulsionsschicht möglich. Die obere Schicht einer Emulsion ist ein Indikator für im Öl enthaltenes Wasser. Da die primäre Aufgabe des Abscheiders eben die Abscheidung des Wassers aus dem Öl ist, erlaubt die Füllstandmessung nun einen Betrieb näher am oder weiter entfernt vom Wehr, um die Effizienz der Abscheidung und die Verweilzeit zu optimieren. Wenn die Art des Abscheiders primär der Wasserspeicherung dient, mit einer dünnen Schicht Öl auf dem Wasser, liefert eine engere Regelung der Trennschicht auch eine präzisere Darstellung der in dem Behälter vorhandenen Wassermenge (reines Wasser). Dies ermöglicht eine bessere Tankwagenauslastung und gewährleistet voll beladene Tankwagen bei der Wasserentnahme aus den Lagerbehältern. Diese ideale Montage mag bei Nachrüstungen nicht immer möglich sein, idealerweise wird der Einbauort der Messtechnik aber bereits bei der Konstruktion des Abscheiders berücksichtigt.
Abscheider-Boots
Boots sind in Raffinerien eingesetzte Gravitationsabscheider, die typischerweise in Alkylierungsanlagen, Wasserstoffbehandlern, Kokereien und Aminanlagen zu finden sind. Auf der Unterseite dieser horizontalen Behälter ragt dort, wo sich eine Trennschicht zwischen den Kohlenwasserstoffen und Flüssigkeiten höherer Dichte wie Restwasser, Flusssäure, Glykol oder Amin bilden kann, der Boot heraus. Der Boot ist quasi ein Endabscheider, der verhindert, dass bestimmte Flüssigkeiten nachgeschaltete Prozesse erreichen. Die Folgen einer ineffektiven Trennschichtmessung im Boot können von einer reduzierten Produktivität und Prozesseffizienz bis hin zu Totalausfällen nachgeschalteter Anlagen reichen.
Wenn beispielsweise Flusssäure über den Boot abgeschieden wird, der Füllstand der Flusssäure aber nicht korrekt geregelt wird und sie in nachgeschaltete Anlagenteile gelangt, kann sie zu Korrosion an Edelstahl-rohren, Ventilen, Anschlüssen und Messtechnik führen. Falls andererseits kohlenwasserstoffhaltige Prozessflüssigkeiten den Boot mit dem Restwasser verlassen, kommt es zu einer Beeinträchtigung der Effizienz der Wasseraufbereitung.
Der GWR-Messumformer Eclipse 706 ist eine sehr gute Lösung für Boots, oftmals kombiniert mit einem Magnetklappenfüllstandanzeiger (MLI) zur Sichtanzeige. Für die manuelle Prüfung und Kontrollgänge werden in Raffinerien weit verbreitet Schaugläser und MLIs verwendet.
Mit dem Aurora-Design von Orion Instruments, einem Magnetrol-Unternehmen, profitieren Anwender von der Redundanz eines GWR und MLI in einer einzelnen, externen Kammer. Diese Auslegung ist besonders in engen Räumen und kleinen Behältern wie Boots von Vorteil, wo der Anwender auf zwei Technologien zugreifen kann, während nur ein Prozessanschluss nötig ist.
Falls die Emulsion zu dick ist, können Anwender an der Kammer extern auch einen magnetostriktiven Füllstandmessumformer Jupiter JM4 anbringen.
Petrochemie Wasser und Benzol
Einer der größten deutschen Polyolefinhersteller hat einen Behälter mit einem Gemisch aus Benzol und Wasser. Benzol weist eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante auf, was bei bestimmten Techniken problematisch sein kann. Die im vorliegenden Fall eingesetzte Technik zur Füllstandmessung basierte auf einem GWR-Füllstandmessumformer, der in einem Bezugsgefäß an der Seite des Behälters montiert war. Das Bezugsgefäß konnte sich vollständig füllen und es kam häufiger vor, dass der GWR-Messumformer aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstanten des Benzols das Signal nahe der Oberseite der Sonde verlor. Neben einem Schauglas war der GWR-Messumformer die einzige Vorrichtung mit Füllstandtechnik im Behälter. Das vorhandene GWR-Signal ging zu verschiedenen Tageszeiten verloren – manchmal auch mitten in der Nacht –, wodurch die Fernüberwachung des Prozesses praktisch unmöglich war. Während der Zeiträume mit Signalverlust musste ein Techniker zum betreffenden Behälter geschickt werden, um das Schauglas dort im Auge zu behalten. Dies geschah mehrmals über einen Zeitraum von 18 Monaten, da der GWR-Hersteller die Probleme im Zusammenhang mit der Impedanzabweichung nicht beheben konnte.
Aufgrund der Ausfälle des GWR-Messumformers erwog der Betreiber einen Wechsel zu einem Verdränger, da die Zuverlässigkeit der Technologie historisch belegt ist. Mit der Installation des Eclipse 706 wurde der GWR-Technologie jedoch eine letzte Chance eingeräumt. Das Modell 706 mit seiner speziell entwickelten Sonde mit Impedanzanpassung hat sich im Betrieb als fehlerfrei erwiesen. Die Impedanzanpassung ermöglicht Füllstandmessungen bis über den oberen Prozessanschluss eines Bezugsgefäßes (100 %) hinaus, wodurch eine Überfüllsicherung oder Messung auch in vollen Bezugsgefäßen möglich ist.
Ausblick
Für viele der heute existierenden Herausforderungen lassen sich mit GWR-Technologie akzeptable Lösungen finden. Die Produktivität in Anwendungen mit dickeren, sich stetig ändernden Emulsionsschichten muss jedoch noch verbessert werden. Dazu zählen beispielsweise Entsalzer in Raffinerien. Der Schlüssel zur Optimierung der Trennschichtmessung ist dabei die Lösung des Emulsionsfaktors. Keine wirtschaftlich vertretbare Technologie bewältigt derzeit alle drei wichtigen Füllstandmessungen: Messung des oberen Füllstands des Kohlenwasserstoffs (Gesamtfüllstand), bei gleichzeitiger Messung des oberen Füllstands der Emulsion (Wasser in Öl) und des unteren Füllstands der Emulsion (Öl in Wasser). Es gab Versuche, das Problem der Mehrphasen-Füllstandmessung mit anderen Techniken zu lösen, die häufig unwirtschaftlich waren.
Die Erfolge mit der GWR-Technik, besonders bei extrem herausfordernden Anwendungen, können zukünftig zu weiteren Verbesserungen dieser Technologie führen.
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Halle 1, Stand R26
Eine höhere Verweilzeit ermöglicht eine verbesserte Abscheidung und Leistung der Messtechnik. Der Einbauort des GWR-Füllstandmessumformers (dunkelblau) kann entsprechend variiert werden.Bild: Magnetrol
Autor: Thomas Kemme
Strategy Manager,
Magnetrol
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