Startseite » Chemie » Messtechnik (Chemie) »

Kristalle im Visier

Frühe Qualitätskontrolle schützt vor Folgekosten
Kristalle im Visier

Die K+S Kali GmbH ist ein Hersteller von hochreinen Salzen. Bereits während der Herstellung der Salze muss neben der Reinheit der Kristalle auch die Kristallgröße in einem möglichst frühen Prozessstadium überwacht werden, um durch gezieltes Eingreifen die Qualitätsvorgaben exakt einstellen zu können. Hierfür eignet sich als Messsystem die Inline-Partikelgrößensonde Opus.

Dr. R. Neidhart, Dipl.-Ing. C. Behrens

Die K+S Kali GmbH ist weltweit mit einem Anteil von rund 13 % der viertgrößte Kaliproduzent. Im Bereich der kaliumsulfat- und magnesiumsulfathaltigen Düngemittel ist das Unternehmen Weltmarktführer und bei Kali sowohl für Düngemittel als auch für die Industrie Marktführer in Europa. Die Produktion für hochreine Salze befindet sich im Werk Werra am Standort Winters-hall in Heringen. Dort werden mehrere tausend Tonnen hochreines Kaliumchlorid, Kaliumsulfat und Natriumchlorid hergestellt. Bei diesen hochreinen Produkten gelten hohe Qualitätsauflagen. Das betrifft neben der chemischen Reinheit auch physikalische Eigenschaften wie die Korngröße.
Kristallgröße gezielt einstellen
Die Herstellung der hochreinen Salze erfolgt in insgesamt sieben Prozessschritten:
  • Herstellung der Rohlösung
  • Filtration der Rohlösung
  • Kristallisation
  • Entwässerung
  • Trocknung
  • Produktnachbehandlung
  • Abfüllung und Verpackung
Der für die Korngröße entscheidende Schritt ist die Kristallisation der Salze aus der Rohlösung, die in Spitzverdampfern erfolgt. Die Korngröße hängt dabei von mehreren Parametern, wie Temperatur, Druck, Verweildauer im Kristaller oder der Keimzahl ab. Hinzu kommt außerdem die je nach Produkt hohe Sensibilität der Korngröße auf Änderung dieser Parameter, die bezüglich der Temperatur zum Teil im 1/10-°C-Bereich liegt.
Daraus resultieren gleich zwei Herausforderungen für den Betrieb. Zum einen stellt die Herstellung eines stets gleichmäßigen Kornspektrums vorgegebener Güte hohe Ansprüche an die Erfahrungen und das sprichwörtliche Gefühl des Anlagenbetreibers für den Prozess. Andererseits ist die Wahl der Einflussgrößen zur Produkt- bzw. Prozessoptimierung schier unerschöpflich. Darüber hinaus muss die Detektion der Kristallgröße hochauflösend erfolgen, um unerwünschte Zustände wie das Auftreten von Bi- oder Mehrmodalitäten – mehrere Hauptpopulationen in der Partikelgrößenverteilung – sicher zu erkennen.
Repräsentative Probe
Um die Korngrößenverteilung korrekt messen zu können, muss die zu analysierende Probe dem Prozess repräsentativ entnommen und auf kürzestem Wege dem Sensor zugeführt werden, ohne dass die Probe ihren Zustand ändert. Außerdem muss die Probe ohne vorausgehende Konditionierung (wie z. B. Verdünnung) gemessen werden, da anderenfalls das thermodynamische Gleichgewicht eventuell gestört und damit die Kornverteilung verändert wird. Die häufig im Praxiseinsatz vorzufindenden Analysenmethoden erfüllen diese Anforderungen in der Regel nicht. Einerseits beruhen sie auf optischen Prinzipien und erfordern damit stets eine optische Mindest-Transparenz bzw. weisen nur eine sehr geringe Durchdringungstiefe der Probe auf, andererseits muss die Probe nach der Entnahme aus dem Reaktor im Labor für eine Offline-Analyse aufbereitet werden (z. B. Verdünnung, Trocknung).
Eine Lösung, die sowohl die Probennahme als auch die Konditionierung gleichzeitig abdeckt ist die Opus-Sonde, die direkt in den Kristaller eingebaut wird und die Suspension unverdünnt im Original-Zustand inline analysiert.
Messung via Ultraschall
Das Erfolgsrezept besteht hierbei im Einsatz von Ultraschallwellen statt optischer Wellen, mit denen Suspensionsschichten von bis zu 10 mm Tiefe auch bei sehr hohen Feststoffkonzentrationen durchdrungen werden. Somit können mehrere 10 000 Partikel gleichzeitig erfasst und analysiert werden. Der Partikelgrößenbereich erstreckt sich dabei von 0,01 bis 3000 µm. Die Partikelgrößenverteilung wird unabhängig vom betrachteten Korngrößenbereich, der stufenlos einstellbar ist, in bis zu 31 Größenklassen ausgegeben und erlaubt aufgrund dieser hohen Auflösung die genaue Erfassung von mono- bis mehrmodalen Verteilungen.
Das Messprinzip, das der Opus-Sonde zu Grunde liegt, ist die Ultraschallextinktion (Bild 2). Ein Ultraschallgenerator, dessen Sendeleistung von weniger als 5 mW das Kristallwachstum nicht beeinflusst, und ein Ultraschallempfänger stehen sich planparallel in einem definierten Abstand (Messzone) gegenüber. Zwischen Sender und Empfänger strömt die zu analysierende Suspension hindurch. Die senderseitig eingekoppelte Ultraschallintensität schwächt sich in der Suspension durch die darin vorliegenden Partikel ab. Die Schwächung der Schallwellen wird vom Empfänger detektiert und bildet somit das primäre Messsignal. Um den Einfluss der Suspensionsflüssigkeit von vornherein auszuklammern, wird vorab zur Kalibrierung das Suspensionsfluid ohne Partikel gemessen.
Eine Schwächung von Schallwellen einer Frequenz ergibt allerdings noch keinen Aufschluss über eine Partikelgrößenverteilung. Um diese in 31 Größenklassen aufzulösen, sind 31 Messfrequenzen erforderlich. Eine Opus-Analyse besteht daher aus einem schnellen Scan über 31 Frequenzen, was ein vollständiges Dämpfungsspektrum als Primärinformation generiert. Hieraus erfolgt die Ermittlung der Partikelgrößenverteilung, zum Beispiel in Form der Summen- und Dichteverteilung (Bild 3).
Die Ultraschallextinktion kann außerdem mit weiteren Vorteilen aufwarten. Sie ist unempfindlich hinsichtlich Erschütterungen, extremen pH-Werten, Abrasion, hohen Drücken und Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit. Einflüsse durch Temperaturänderungen werden leicht erkannt und kompensiert. So ist Opus für den Einsatz in Suspensionen und Emulsionen bei 120 °C und mehr, 40 bar und pH-Werten von 1 bis 14 geeignet. Gerade dieser Umstand verleiht der Ultraschallextinktion die In- und Online-Fähigkeit und erlaubt den Einbau der Sonde direkt in den Prozess.
Installation der Messsonde
Zur Inline-Partikelgrößenanalyse der hochreinen Salze bei K+S Kali wurde die Opus-Sonde direkt in eine DN 200-Umlaufleitung eines Spitzverdampfers eingebaut (Bild 4). Durch die Umlaufleitung wird das konzentrierte Substrat am Verdampferboden abgezogen und wieder am Reaktorkopf zugeführt, wobei die Suspension die Opus-Messzone ohne zusätzliche Maßnahmen durchströmt. Die Installation selbst gestaltet sich durch den serienmäßig am Sensor vorhandenen DN 100-Flansch als äußerst einfach. Die Messzone der Sonde ist dabei im Zentrum der Rohrleitung lokalisiert und arbeitet bei Feststoffgehalten um 20 % sowie bei Temperaturen zwischen 35 und 55 °C.
Eine Reinigung des Sensors während des Messbetriebes ist in der Regel nicht erforderlich und erfolgt automatisch nach jeder Wässerpause mit 70 bis 80 °C heißem Wasser durch den Verbleib des Sensors in der Rohrleitung.
Analysenergebnisse
Die Ausgabe der Partikelgrößenverteilung erfolgt auf einem PC in der Leitwarte standardmäßig in Form der Summen- und Dichteverteilung. Für die übersichtliche Verfolgung der Kristallgrößenveränderungen über die gesamte Produktionsdauer wird auf die Darstellung der wichtigsten Kenngrößen wie des mittleren Partikeldurchmessers x50, des x90- und des x10-Werts sowie der Volumenkonzentration in Form eines Trenddiagramms zurückrückgegriffen (Bild 5). Erstmals lässt sich nun das Geschehen im Kristallisator in Echtzeit verfolgen und das Kristallisationsverhalten über den gesamten Produktionszyklus auch tatsächlich nachweisen.
cav 442
Unsere Webinar-Empfehlung
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

cav-Produktreport

Für Sie zusammengestellt

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Top-Thema: Instandhaltung 4.0

Lösungen für Chemie, Pharma und Food

Pharma-Lexikon

Online Lexikon für Pharma-Technologie

phpro-Expertenmeinung

Pharma-Experten geben Auskunft

Prozesstechnik-Kalender

Alle Termine auf einen Blick


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de