Gasanalytik Orientierungshilfe für Gasanalysen

Autor / Redakteur: Ruth Lindley und Jeff Gunnell / Dr. Jörg Kempf

Für welche Gasanalysetechnologie sollten Sie sich entscheiden? Sowohl Quantenkaskadenlaser als auch Gaschromatographen sind ausgezeichnete Geräte für die industrielle Gasanalyse. Der Beitrag vergleicht beide Verfahren und erklärt, welche Technologie sich für welche Anwendung am besten eignet.

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Um gesetzliche Vorschriften einzuhalten, ist die kontinuierliche Emissionsüberwachung von Kohlenwasserstoffen, Schwefelwasserstoff, Stickoxiden & Co. unabdingbar.
Um gesetzliche Vorschriften einzuhalten, ist die kontinuierliche Emissionsüberwachung von Kohlenwasserstoffen, Schwefelwasserstoff, Stickoxiden & Co. unabdingbar.
(Bild: © Ralf Geithe/Fotolia.com; [M]-Götzelmann)

Produktivitätssteigerung, Emissionskontrolle und Qualitätssicherung stellen Herausforderungen dar, mit denen Prozessanlagenbetreiber täglich konfrontiert sind und die im Fokus von Behörden stehen. Veränderungen bei Prozessen, Vorschriften und Personalbedingungen zwingen Ingenieure, Spezialisten und Techniker in jedem Industriezweig zur Suche nach leistungsstarken und gleichzeitig einfach anzuwendenden Technologien, welche die Wirksamkeit der Gasanalyse sowie des Gesamtbetriebs verbessern können.

Die Auswahl der am besten geeigneten Technologie für jede einzelne Anwendung ist dabei von entscheidender Bedeutung. Bei der großen Auswahl an Technologien auf dem Gasanalysemarkt kann es jedoch schwierig sein, die passende für jede einzelne Messanforderung zu bestimmen. Der Beitrag gibt eine Orientierungshilfe für die Entscheidung zwischen zwei beliebten Messverfahren: Gaschromatograph (GC) und Quantenkaskadenlaser (QCL).

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Beide Verfahren bieten hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit, aber abhängig von der jeweiligen Anwendung und den Messanforderungen ist das eine Verfahren dem anderen vorzuziehen. Der Preis von Quantenkaskadenlasern und Gaschromatographen ist ähnlich, und beide bieten eine Mehrkomponentenfunktionalität. Daher sollte die Wahl zwischen den beiden Verfahren nach der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Analyse getroffen werden.

Gaschromatograph

Die Gaschromatographie ist eine der am weitesten verbreiteten Methoden für die Analyse von Kohlenwasserstoffgemischen. Zu ihren Vorteilen zählen der Messbereich (von ppm bis 100 %), der Nachweis einer Vielzahl von Komponenten sowie die Reproduzierbarkeit der Messungen. Gaschromatographen wurden für Anwendungen in Prozessanlagen entwickelt und werden in diversen Anwendungen in Raffinerien, petrochemischen Anlagen, Kraftwerken sowie Umwelt­anwendungen eingesetzt, bei denen ausgewählte Komponenten in Gasströmen oder Flüssigkeiten kontinuierlich und präzise überwacht werden müssen. Gaschromatographen sind universelle Analysegeräte: Sie können flüssige Proben sowie Gase und eine große Auswahl an Molekülen messen – ob groß oder klein. Sie können komplexe Gemische voneinander trennen und oft Konzentrationen von Isomeren messen. Im Prinzip können Dutzende von Bestandteilen gemessen werden.

Quantenkaskadenlaser

Bei den Quantenkaskadenlasern handelt es sich um eine relativ neue Technologie der Gasanalyse. Sie beruht auf dem Prinzip der Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS – Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), bei der die Konzentration von Bestandteilen in Gasgemischen gemessen wird. Im Gegensatz zur Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie bietet der Quantenkaskadenlaser eine leistungsstarke Lichtquelle im mittleren Infrarot und eine wesentlich bessere Leistung.

Der Quantenkaskadenlaser kann mehrere Komponenten erkennen, ist in einem großen dynamischen Bereich sehr präzise sowie wartungsarm und langlebig. Quantenkaskadenlaser können normalerweise bis zu zwölf Komponenten pro Analysegerät messen. Es muss sich jedoch um kleine, gasförmige Moleküle wie CO, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe bis C4 handeln. Für Flüssigkeiten und größere Gasmoleküle oder bei einer sehr großen Anzahl von Komponenten in einem Strom wäre der Gaschromatograph die richtige Wahl.

Auf der nächsten Seite finden Sie einen tabellarischen Eignungsvergleich Gaschromatograph vs. Quantenkaskadenlaser.

Analysegeschwindigkeit

Bei manchen Anwendungen ist die Analysegeschwindigkeit entscheidend. Hier hat der Quantenkaskadenlaser einen Vorteil gegenüber dem Gaschromatographen: Bei einem Quantenkaskadenlaser fließt die Probe durch eine Messzelle, in der der Laserstrahl das Gas kontinuierlich analysiert. Die Ansprechzeit hängt davon ab, wie lange es dauert, die Zelle zu durchspülen – normalerweise weniger als zehn Sekunden, um 90 % einer Änderung zu erhalten. Somit ist das Ergebnis wirklich kontinuierlich und stellt einen Echtzeitwert dar.

Eignungsvergleich Gaschromatograph vs. Quantenkaskadenlaser
Eignungsvergleich Gaschromatograph vs. Quantenkaskadenlaser
(Bilder/Quelle: Emerson Automation Solutions)

Gaschromatographen hingegen basieren auf dem Prinzip der Eindüsung und der anschließenden Analyse. Die Zykluszeit eines Gaschromatographen variiert je nach Anwendung zwischen einer und mehr als 15 Minuten, wodurch die Konzentrationsdaten eher periodisch als kontinuierlich sind. Bei Anwendungen, die schnelle, kontinuierliche Messungen erfordern, fällt die Wahl daher auf den Quantenkaskadenlaser.

Empfindlichkeit

In Sachen Empfindlichkeit und Dynamikbereich sind Quantenkaskadenlaser leistungsstärker als Gaschromatographen. Quantenkaskadenlaser können bei manchen Stoffgemischen Konzentrationen im niedrigen ppb-Bereich (parts per billion) messen. Außerdem bieten sie einen dynamischen Bereich für Konzentrationen im ppb- bis Prozentbereich in einem Analysegerät, und zwar durch verschiedene Pfadlängen oder Spektrallinien von unterschiedlicher Stärke.

Gaschromatographen werden oft verwendet, um die komplette Zusammensetzung einer Probe zu messen. Sie messen Konzentrationen im ppm-Bereich und gleichzeitig den Hauptbestandteil bis zu 100 %. Um mithilfe eines Gaschromatographen jedoch Messungen im ppb-Bereich durchzuführen, sind normalerweise eine separate Eindüsung sowie spezielle Säulen erforderlich, wodurch das Analysegerät komplex und teuer wird. Wenn also eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist oder es einen großen dynamischen Bereich gibt (z.B. bei Online-Reinheitsmessungen mit der Möglichkeit zur Verfolgung von Prozessstörungen), dann stellt der Quantenkaskadenlaser die bessere Wahl dar. Wenn jeder Bestandteil einer Probe (einschließlich Hintergrundkonzentration) gemessen werden muss, eignet sich ein Gaschromatograph besser.

Lebenszykluskosten

Die Betriebskosten des Quantenkaskadenlasers sind normalerweise geringer als bei Gaschromatographen. Letztere benötigen ein Trägergas, üblicherweise Wasserstoff, Helium oder Stickstoff. Analysegeräten mit Quantenkaskadenlaser arbeiten ohne diese, sodass die Betriebskosten aufgrund der Verbrauchsmaterialien bei Gaschromatographen höher sind.

Quantenkaskadenlaser sind sehr stabil und können oftmals Validierung und Kalibrierkontrolle in Echtzeit durchführen, wobei sie die zu messenden Prozessgase nutzen. Dies ist durch die Art der Erstellung und Analyse von Spektren möglich. Daher müssen bei Quantenkaskadenlasern Tests mit Prüfgasen eventuell nur alle zwölf Monate durchgeführt werden.

Bei Gaschromatographen ist es üblich, Validierungen mit Prüfgas alle paar Wochen durchzuführen. Wenn also geringe Betriebskosten eine Grundvoraussetzung sind, fällt die Wahl auf Quantenkaskadenlaser. Können die benötigten Messungen mit einem Quantenkaskadenlaser durchgeführt werden, wird dieser aufgrund der geringeren Betriebskosten und Wartungsanforderungen wahrscheinlich vorgezogen.

* Die Autoren sind Mitarbeiter von Emerson Automation Solutions.

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