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Durchflussmessung

Eingriffsfreie Durchflussmessung mit Clamp-On-Ultraschalltechnik in der Titandioxid-Produktion

| Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Messen von der sicheren Seite: Außen angebrachte Clamp-On-Ultraschallsensoren messen den Durchfluss von Dünnsäure und Kesselspeisewasser. Der WaveInjector erweitert den Anwendungsbereich dabei auf Temperaturen bis 400 °C. (Bild: Bilder: Flexim)
Messen von der sicheren Seite: Außen angebrachte Clamp-On-Ultraschallsensoren messen den Durchfluss von Dünnsäure und Kesselspeisewasser. Der WaveInjector erweitert den Anwendungsbereich dabei auf Temperaturen bis 400 °C. (Bild: Bilder: Flexim)

Ein Geheimtipp ist die eingriffsfreie Durchflussmessung mit außen auf dem Rohr angebrachten Ultraschallsensoren längst nicht mehr. Die Clamp-On-Außenseiter sind mehrheitsfähig geworden. Zwei Anwendungen der eingriffsfreien Messtechnik in der Titandioxid-Produktion bei crenox in Krefeld-Uerdingen illustrieren exemplarisch die Vorteile leistungsfähiger Ultraschallmesssysteme.

Seit 1877 werden am traditionsreichen Standort Krefeld-Uerdingen am westlichen Ufer des Niederrheins Farbstoffe hergestellt, zunächst Azo- und Anilinfarbstoffe für die Krefelder Textilindustrie, später vorwiegend Pigmentfarbstoffe. Mit der Produktion von Titandioxid und Eisenoxid ist der Chempark Krefeld-Uerdingen heute der weltweit größte Hersteller von anorganischen Pigmenten. Auch das junge Unternehmen crenox kann bereits auf eine über 50-jährige Geschichte zurückblicken, die wie bei den meisten Unternehmen am Standort eng mit dem Namen Bayer verbunden ist. Im Jahr 1957 baute Bayer in Uerdingen ein Titandioxidwerk und nahm die Produktion von Grundstoffen für Farben, Lacke, Waschmittel und Zahnpasta auf. Über ein Joint-venture und die spätere Ausgliederung wurde daraus Tronox und schließlich, nachdem sich der US-amerikanische Mutterkonzern unter Gläubigerschutz begeben hatte, die völlig eigenständige crenox. Seit Mai 2009 steht der neue Name selbstbewusst für Titandioxid aus Krefeld.

Aus schwarz wird weiß

Die Herstellung von Titandioxid gleicht industrieller Alchemie: Aus schwarzem Erz wird reinstes weißes Farbpigment. crenox produziert Titandioxid nach dem bewährten Sulfatverfahren. Mit einer Produktionskapazität von 107 000 Tonnen pro Jahr zählt das crenox-Werk zu den weltweit größten Titandioxid-Produktionsanlagen, in denen die titanhaltigen Anteile aus den eingesetzten Rohstoffen mit Schwefelsäure ausgelöst werden. Bei der Abtrennung des Titandioxides fällt verdünnte Schwefelsäure an. Diese so genannte Dünnsäure wird in Uerdingen seit jeher in einer Konzentrationsanlage vollständig aufgearbeitet und anschließend dem Produktionsprozess wieder zugeführt.

Die Wiederaufbereitung der Schwefelsäure geschieht zunächst durch Aufkonzentrieren der verdünnten Säure in drei hintereinander angeordneten Vakuumverdampfern, wodurch eine Konzentration von etwa 45 Prozent erreicht wird. Nach anschließender Kristallisation der aus dem Auslösen der Titanerze mitgeführten Salze und deren Abfiltration wird die klare Säure in einer Schwefelsäureanlage auf die für den Titandioxidprozess erforderliche hohe Konzentration von etwa 75 Prozent gebracht.

Mehrmals im Jahr wird die Recyclinganlage planmäßig zu Inspektions- und Wartungsarbeiten heruntergefahren. Insbesondere beim Wiederanfahren sind die Spezialpumpen, die den Dünnsäurestrom zu den Verdampfern fördern, durch den schnellen Temperaturanstieg enormen Belastungen ausgesetzt. Um den Prozess möglichst schonend und verschleißarm führen zu können, suchten die verantwortlichen Ingenieure nach einer geeigneten Lösung zur Messung des Zuflusses zu den Verdampfern.

Dünnsäuredurchflussmessung

Dünnsäure ist, vornehm ausgedrückt, kein angenehmes Medium. Bei crenox wird die hochkorrosive Substanz in Leitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff geführt, die mit einem FEP-Inliner versehen sind. Doch die chemische Aggressivität ist nicht die einzige Herausforderung. Beim Dünnsäurerecycling geht es nicht nur um die Aufkonzentrierung der verdünnten Schwefelsäure, sondern auch um die Abtrennung der vom Aufschluss der Erze im Titandioxidprozess stammenden gelösten Metallsalze. Diese reichern sich im Laufe der Eindampfung weiter an und fallen als Feststoffe aus. Benetzte Messeinrichtungen würden von diesen im Dünnsäurestrom mitgeführten Partikeln schnell verschlissen werden.

Angesichts der Anforderungen kam eigentlich nur eine eingriffsfreie Durchflussmessung mit Clamp-On-Ultraschalltechnik in Frage. Doch auch die elegante Lösung mit außen auf dem Rohr aufgespannten Clamp-On-Ultraschallsensoren ist nicht einfach selbstverständlich. Die Rohre am Zulauf zu den Verdampfern haben einen Außendurchmesser von über 60 Zentimeter und eine Wanddicke von einem Zentimeter. Das Rohrmaterial GFK wirkt akustisch stark dämpfend, sodass eine besonders leistungsstarke Schallanregung erforderlich ist, um die Rohrleitung durchdringen und ein gutes Messsignal erhalten zu können. Zudem liegt die Prozesstemperatur von bis zu 115 °C oberhalb des Arbeitsbereiches vieler Ultraschallsensoren.

Prozessmesstechniker sind berufsbedingt pragmatische Realisten und pflegen idealerweise ein sportliches Ethos. Den entscheidenden Tipp bekamen die Betriebsingenieure Anfang des Jahres 2005 von einem Anbieter für magnetisch-induktive Durchflussmesser, der nur eine gute Lösung für diese anspruchsvolle Messaufgabe wusste: „Ruft bei Flexim an“, riet er den crenox-Messexperten: „Die können das.“

Quod erat demonstrandum. Heinrich Brucks, in dessen Vertriebsgebiet der Chempark Uerdingen liegt, ist solche Anrufe gewohnt: „Technologieführerschaft erweist sich halt in den Grenzbereichen“, sagt er. Er brachte besonders niederfrequente 200 kHz-Ultraschallsensoren an den GFK-Rohren an. Der Arbeitsbereich der Standardsensoren von Flexim reicht bis 130 °C und deckt daher die Prozesstemperaturen problemlos ab. Seit ihrer Installation im Juni 2005 funktionieren die Ultraschalldurchflussmesser zuverlässig und störungsfrei. Durch die Nachrüstung mit Fluxus, die ohne Anlagenstillstand bei laufendem Betrieb erfolgte, konnte die Anlagenfahrweise effektiv optimiert werden, nicht nur im Hinblick auf den geringeren Pumpenverschleiß, sondern auch durch die Verringerung der Bildung von Festkörperanbackungen in den Wärmetauschern, welche die Energieeffizienz der Anlage beeinträchtigen.

Vorteil vor Wirbelzähler

Die Clamp-On-Ultraschalltechnik bietet sich nicht nur zur Durchflussmessung aggressiver oder abrasiver Medien an, sondern ganz generell, wenn man Betriebsstillstände nicht mag. Solche wurden bei crenox u.a. durch Ausfälle eines Wirbelzählers verursacht, der den Durchfluss von Kesselspeisewasser überwachen sollte. Die im Schwefelsäurerecyclingprozess abgeschiedenen sogenannten Filtersalze werden bei crenox in einem Wirbelschichtofen gespalten. Dessen Abhitze wird in eine Kesselanlage geführt und schließlich in Form von Dampf in das Chempark-Dampfnetz eingespeist. Um jederzeit die erforderliche Kühlleistung für den Wirbelschichtofen gewährleisten zu können, muss der Speisewasserdurchfluss zur Kesselanlage gemessen werden. Aufgrund der extremen Beanspruchung durch schwankende Drücke und Temperaturen bis 35 bar und 260 °C erreichte der zur Realisierung dieser Messung installierte Wirbelzähler jedoch nur unbefriedigende Standzeiten. Die Reparatur bzw. Austausch des defekten Wirbelzählers erforderte jeweils mehrtägige, kostenintensive Anlagenstillstände.

Kein Wunder, dass den crenox-Ingenieuren abermals Heinrich Brucks als ihr Experte für langzeitstabile Messungen in den Sinn kam. Und Heinrich Brucks war froh, dass er nicht sagen musste: „Tut mir leid, aber Ultraschalldurchflussmessung bei 250 °C geht nicht.“ Für Hochtemperaturanwendungen hat Flexim den WaveInjector erfunden. Das Funktionsprinzip der patentierten Vorrichtung ist überzeugend einfach: Der WaveInjector isoliert die Sensoren thermisch vom heißen Rohr, gewährleistet aber gleichzeitig besten akustischen Kontakt. Für beides sorgen zwei stählerne Koppelplatten, die Rohr und Sensoren gleichermaßen verbinden wie auf Distanz halten. Über ihre Oberfläche wird soviel Wärme abgestrahlt, dass die Temperatur an der Befestigungsstelle für die Sensoren in deren Arbeitsbereich liegt.

Der WaveInjector dehnt den Anwendungsbereich der Clamp-On-Ultraschalltechnik auf Temperaturen bis zu 400 °C aus. Die bekannten Vorteile des eingriffsfreien Messverfahrens – kein Verschleiß durch das Medium, kein Leckagerisiko, außerordentliche Messdynamik, keine Rohrarbeiten – bleiben erhalten. Die Clamp-On-Sensoren messen gewissermaßen von der sicheren Seite, von außen nämlich, völlig unabhängig vom im Rohr herrschenden Druck. Auch die Einrichtung der Hochtemperaturmessstelle zur Durchflussmessung des Kesselspeisewassers geschah bei laufendem Betrieb und erforderte lediglich besondere Umsicht und vor allem Handschuhe beim Hantieren am heißen Rohr. Der Vergleich mit dem noch immer nebenan installierten Wirbelzähler musste auch den letzten Skeptiker überzeugen: Die Unterschiede zwischen den Messwerten liegen im Promillebereich.

* Der Autor ist Mitarbeiter der Flexim GmbH, Berlin.

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