Prozessanalysenmesstechnik Öffnen Sie das Fenster zum Prozess – mit Prozessanalysenmesstechnik (PAT)

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Auf der diesjährigen Achema wurde die Prozessanalysenmesstechnik (PAT) als Fokus-Thema ausgewählt. Nicht zu Unrecht, schließlich soll mit ihrer Hilfe die Prozessindustrie zu neuen Höchstleistungen angetrieben werden. Dabei ist die interessante Frage, wie PAT in die vorhandenen Regelstrukturen eingebunden wird.

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Wie lassen sich Prozesse optimieren? Ein Weg ist die Online-Prozessanalysenmesstechnik, mit deren Hilfe sich interessante Einblick in den Prozesse gewinnen lassen.
Wie lassen sich Prozesse optimieren? Ein Weg ist die Online-Prozessanalysenmesstechnik, mit deren Hilfe sich interessante Einblick in den Prozesse gewinnen lassen.
(Bild: © alexmak - Fotolia)

Was geht in Reaktoren, Rohrleitungen oder Rührkesseln wirklich vor sich? Mit welchen Messgeräten lässt sich das Fenster zum Prozess öffnen? Und vor allem, welche Fenster sollen sich öffnen? Auch wenn noch nicht alle diese Fragen beantwortet werden, so hat sich in den vergangenen Jahren doch einiges in der Prozessanalysenmesstechnik getan.

„Komplexe Analysemethoden wie etwa Prozessspektrometer oder Online-Chromatographie haben durch Miniaturisierung, robustere Technik und schnellere Datenverarbeitung mehr und mehr die Qualität einer Standardinstrumentierung erreicht“, so Dr. Thomas Steckenreiter, Bayer Technology Services. „Im Sensorumfeld sind gleich mehrere Trends zu sehen, die uns vorwärts treiben: zum einen die Miniaturisierung von Geräten, die wird noch weiter gehen; zum anderen die neuen Lichtquellen für optische Systeme, etwa die LED-Technik, sie wird zu innovativen Anwendungen führen; und schließlich Multisensorsysteme. Diese werden immer leistungsfähiger und attraktiver.“

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Inzwischen geht es also um weit mehr als einen Messwert online zur Verfügung zu stellen, sondern die Prozessanalysenmesstechnik ist heute bereits ein wesentliches Element in der Qualitätssicherung, etwa um Parameter von Zwischen- und Endprodukten in bestimmten Spezifikationen einzuhalten. Anwendungsgebiete finden sich quer durch die gesamte Prozessindustrie, sei es in der Polymerindustrie, im Lebensmittelbereich oder in der Pharmaindustrie, wo beispielsweise sogar Chargenfreigaben mithilfe solcher Messmethoden erlangt werden können.

Rückgrat für hohe Anlagenverfügbarkeit

Für Steckenreiter ist PAT somit in der Prozesstechnik das essenzielle Rückgrat für eine hohe Anlagenverfügbarkeit und eine konstant hohe Produktqualität. „Und ihre Bedeutung wird in der Vision von Industrie 4.0 noch zunehmen. Wenn dort die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine im Vordergrund steht, dann sehe ich die PAT als automatisierte Schnittstelle zwischen Produkt und Qualitätsmanagement sowie zwischen Produktion und Sicherheit, d.h. der PAT-Fokus wird weiter an Bedeutung gewinnen“, so der Ausblick von Steckenreiter.

Derzeit bemüht man sich, Analysemethoden robuster und online-fähig zu gestalten. Gleichzeitig werden aber auch neue Sensoren gefordert sein, um weitere Vorteile und Nutzen aus der Prozessanalysenmesstechnik zu ziehen. So wurde auf der vergangenen Namur-Hauptsitzung über Sensoren diskutiert, die – ähnlich den menschlichen Sinnen nachempfunden – Informationen sammeln, um dann eine Entscheidung zu treffen. Die technischen Möglichkeiten gibt es bereits, so könnte man die optischen Sensoren von Handykameras nutzen, um zweidimensionale Streumuster an monochromatischen Lichtquellen für Kristallisationsprozesse zu messen und diese zur Prozessteuerung zu nutzen.

Ein anderes Beispiel ist etwa ein miniaturisiertes Mikromassenspektrometer, das Messgerätespezialist Krohne derzeit gemeinsam mit der TU Hamburg Harburg entwickelt. Interessant ist auch das Krohne-Forschungsprojekt für einen Tomographen, der die Auflösung von Salzkörnern in einer Rohrleitung bildlich darstellen soll.

Zum Thema ‚Smarter Sensor‘ sind noch viele Fragen offen. Mehr auf der nächsten Seite.

Verknüpfung mit innovativen Regelungsverfahren

Unter dem Stichwort ‚Smarter Sensor‘ wird es daher in Zukunft weitere Entwicklungen geben. Allerdings sind hier noch viele Fragen offen. So muss ein solcher Sensor sich selbst kalibrieren. Auch die Frage nach der Einbindung in die Automatisierungslandschaft wirft Fragen auf. Und letztendlich bleibt die Frage, wo diese Daten und Informationen landen und wie daraus Nutzen geschlagen wird. Besonders interessant ist daher die Kombination aus Prozessanalysenmesstechnik und innovativen Regelungsverfahren wie Advanced Process Control-System mit prädiktiver Prozessteuerung.

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Um diese Kombination auf Praxistauglichkeit zu testen, wurde jüngst das Projekt Recoba (cross-sectorial real time sensing, advanced control and optimization of batch processes, saving energy and raw materials) ins Leben gerufen. Neben dem Projektkoordinator BASF arbeiten weitere Partner aus Industrie und Forschung aus ganz Europa mit. BASF wird sich dabei auf die modellprädiktive Online-Regelung eines Emulsions-Copolymerisationsprozesses konzentrieren.

„Unser Ziel ist es, die derzeitige Prozessregelung, die auf einer Wiederholung nach einem festen Zeitplan basiert, durch eine modellgestützte Online-Prozessregelung zu ersetzen”, sagt BASF-Projektleiter Dr. Libor Seda. Durch diesen neuen Ansatz wirkt der Regler auf Basis des aktuellen Zustands des Produktionsprozesses. Dadurch beeinflusst der Regelungsmechanismus die Prozesssteuerungsvariablen in Echtzeit, um der optimalen Prozesstrajektorie zu folgen, was zu den gewünschten Produkteigenschaften führt.

Die im Falle der Emulsionspolymerisation zu steuernden Produkteigenschaften können beispielsweise Feststoffanteil, Copolymerzusammensetzung und Morphologie der Polymerlatexpartikel umfassen. „Der Vorteil einer solchen modellgestützten Prozesssteuerung ist die Möglichkeit, ein Produkt mit enggefasster Qualitätsspezifikation herzustellen und gleichzeitig eine maximale Zeit- und Energieeffizienz zu erzielen, da die Prozesssteuerung zu jeder Zeit der optimalen Prozesstrajektorie folgt“, erläutert Seda. Dadurch besteht ein erhebliches Potenzial, die Produktivität des Reaktors zu erhöhen, während gleichzeitig Energie für Heizung und Kühlung des Reaktors eingespart wird.

Warum die Prozessanalysenmesstechnik – obwohl bereits in vielen Unternehmen eingesetzt – dennoch nach wie vor ein Akzeptanzproblem hat? Das erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Trotz vielfältiger Entwicklungsanstrengungen und der Tatsache, dass Prozessanalysenmesstechnik bereits in vielen Unternehmen eingesetzt wird, hat diese jedoch nach wie vor ein Akzeptanzproblem. So stellt Steckenreiter fest: „Wenn ich ehrlich bin, sehe ich die größten Herausforderungen nicht in der Technik, sondern in der Kommunikation des Nutzens, der aus meiner Sicht unbestreitbar, jedoch nicht immer offensichtlich ist. Der Wertbeitrag von PAT wird gerade bei den komplexeren Analysemethoden und Sensorsystemen häufig nicht klar gesehen, weil er zu akademisch transportiert wird. Das ist sozusagen der Preis der Komplexität, so dass Kunden dann gelegentlich Schwierigkeiten haben, den Mehrwert zu verstehen bzw. ihn im Vorfeld zu erkennen.“

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Überzeugende Symbiose von Analytik und Regelung

Bei Evonik hat man den Mehrwert klar erkannt. Hier verspricht man sich seit kurzem von der Einführung des Prozesskontrollsystems mit Echtzeitoptimierung ein Einsparpotenzial von 50 Millionen Euro über den Zeitraum von zehn Jahren. Hier ergänzt nun eine Echtzeitoptimierung, oder auch Real Time Optimizer (RTO), die Advanced-Process-Control-Systeme (APC).

Neben technischen Daten aus der Anlage berücksichtigt die Echtzeitoptimierung permanent auch verschiedene Marktdaten wie Preise für Rohstoffe und Energie sowie die aktuelle Nachfrage am Markt. Aus all diesen Daten ermittelt sie kontinuierlich den optimalen Betriebszustand der Anlage und gibt diesen an das Advanced-Process-Control-System weiter, das die Anlage steuert. Bislang kam Echtzeitoptimierung vor allem in den großen Anlagen der erdölverarbeitenden Industrie zum Einsatz.

In den vergangenen sechs Jahren hat Evonik Advanced-Process-Control-Systeme bereits in 24 Teilanlagen des Segments Performance Materials eingeführt. „Entscheidend für unseren Erfolg bei der Einführung der Echtzeitoptimierung war es, die Kompetenzen der Verfahrens- und Automatisierungsingenieure zusammen zu bringen. Wir haben dabei vor allem vom Know-how der Mitarbeiter in den Anlagen und von den umfangreichen Erfahrungen von Evonik bei der Simulation von Prozessen profitiert“, erklärt Dr. Hans-Rolf Lausch, verantwortlich für Computer Aided Process Engineering & Automation im Geschäftsgebiet Verfahrenstechnik & Engineering bei Evonik.

Von Pharmaprozessen bis zu Kraftwerken: Ausgewählte Beispiele für PAT, zu sehen auf der Achema, haben wir auf der nächsten Seite für Sie zusammengestellt

PAT auf der Achema

Bestimmung der Konzentration: Mit der Liqui Sonic Inline-Analysenmesstechnik von Sensotech lässt sich die Konzentration in Flüssigkeiten direkt im Prozess bestimmen. Eingesetzt werden die Messsysteme zum Beispiel in der Herstellung von chemischen Produkten wie Schwefelsäure, in der Chloralkali-Elektrolyse, in Gaswäschern, Phasentrennprozessen, Kristallisationen oder Polymerisationen. Die Sensoren sind in jede Anlage integrierbar und werden direkt in Rohrleitungen oder Behältern eingebaut. Die Messwerte werden jede Sekunde aktualisiert und können online PCs und dem Prozessleitsystem zur Verfügung gestellt werden.

Halle 11.1, Stand F75

Ein starkes Team: Die optischen Tauchsonden-Serien Falcata und Excalibur von Hellma Analytics werden ab sofort durch die Knick-Wechselarmaturen Ceramat and Senso Gate ergänzt. Die Tauchsonden können kalibriert und gewartet werden, während der Prozess läuft. Die Wechselarmaturen ermöglichen eine einfache Reinigung der optischen Tauchsonden und sind somit für die Online-Messtechnik besonders geeignet. Außerdem wird die weltweit erste nach 3A zertifizierte optische NIR-Tauchsonde vorgestellt. Dadurch sind die hygienische Online-Messung relevanter Parameter und eine aktive Steuerung möglich.

Halle 4.2, Stand D35

Online schneller als im Labor: Der colorimetrische Ammoniumanalysator Liquiline System CA80AM von Endress+Hauser verwendet mit der Indophenol-Blau-Methode das gesetzeskonforme colorimetrische Standardprinzip. Damit kann sich das Betriebspersonal der Kläranlage auf hochpräzise Ammoniummessung nach ISO 7150-1, DIN 38406-5 und GB 7481-87 verlassen. Im Vergleich zu den üblichen Labormessungen liefert das Online Liquiline System CA80AM die Werte jedoch viel schneller. Dies bedeutet: bessere Reaktion auf unterschiedliche Ammoniumkonzentration am Einlauf und genaue Feinabstimmung des Belüftungssystems im Belebungsbecken. Am Auslauf hilft das System, die regelkonformen Ammoniumwerte zu erreichen und die Nachweise für die Wasserbehörden zu liefern.

Halle 11.1, Stand C27

Gegen die Korrosion: Korrosion ist der natürliche Feind von Dampfkraftwerken. Sie nagt an Rohren, Turbinenschaufeln und Rotoren. Die Konzentration von korrosiv wirkenden Anionen im Wasser-Dampf-Kreislauf müssen daher laufend überwacht werden, und zwar im Ultraspurenbereich. Metrohm Deutschland erfüllt diese Anforderungen an die Online-Überwachung mithilfe der Ionenchromatographie.

Halle 11.1, Stand F64

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