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Produktionsüberwachung in der Prozessindustrie Partikelströme in großen Behältern sicher erfassen

Redakteur: Sabine Mühlenkamp

In der Prozessindustrie werden zahlreiche Stoffe zu Pulver, Granulat oder körnigen Materialien verarbeitet. Die Korngröße ist dabei einer der wichtigsten Parameter. Allerdings ermitteln herkömmliche Messmethoden die Partikelgröße nur punktuell, in zeitlich großen Abständen und können so die Prozesse häufig nicht repräsentativ abbilden. Eine neue Inline-Sonde schafft Abhilfe.

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Die Inline-Sonde IPP 75-S hilft dabei Partikelströme in großen Behältern sicher zu erfassen.
Die Inline-Sonde IPP 75-S hilft dabei Partikelströme in großen Behältern sicher zu erfassen.
(Bild: Parsum)

Mit der Inline-Sonde IPP 75-S kann die Partikelgröße selbst in großen Behältern während der Verarbeitung lückenlos ermittelt werden. Dank des patentierten, faseroptischen Ortsfilterverfahrens werden mithilfe eines Lasers die „Schatten-Signale“ einzelner Partikel erfasst und daraus die individuelle Geschwindigkeit sowie Sehnenlänge für jedes Teilchen und somit die Partikelgröße im Gefäß bestimmt.

„Besonders in der chemischen Industrie aber auch in anderen Branchen werden oft sehr große Wirbelschichten oder High-Shear-Mischer mit einem Durchmesser von mehreren Metern verwendet“, berichtet Stefan Dietrich, Geschäftsführer bei Parsum. „Damit auch an bisher unerreichbaren Stellen eines Prozess-Behälters die Partikelgröße ermittelt werden kann, haben wir das Optik-Konzept unserer bewährten IPP 70-Sonde für die IPP 75-S weiterentwickelt, um besonders lange Sondenrohre zu ermöglichen. So können wir an kritischen Stellen, die bisher für kleine Sonden unerreichbar waren, repräsentativ den Partikelstrom messen.

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Dadurch wird für solche Anlagen eine Optimierung erreicht und die Effizienz gesteigert.“ Durch die hohen Messraten von bis zu mehreren Tausend Partikeln pro Sekunde gewährleistet die IPP 75-S eine stabile Messung und hohe statistische Sicherheit. Das ermöglicht ein besseres Verständnis des Prozesses und somit eine effiziente Optimierung. Die Sonde ist als PAT-Tool ideal für die chemische Industrie sowie die Pharma- und Food-Branche geeignet.

Sonde mit Lichtleitfaser gleicht Vibrationen aus

Die IPP 75-S wird üblicherweise für Partikel mit einer Größe von 50 µm bis 6 mm und einer Partikelgeschwindigkeit von 0,01 m/s bis 50 m/s verwendet. Für eine besondere Widerstandsfähigkeit und um den Anforderungen in der Pharma- oder Food-Branche gerecht zu werden, besteht die Sonde aus Edelstahl und verfügt über zwei Saphirfenster, mit denen die Optik vor Verschleiß geschützt wird. Damit die Korngröße an repräsentativen Stellen im Partikelstrom gemessen werden kann, wird die Sonde in dem entsprechenden Gefäß installiert.

Dafür besitzt das Sondenrohr eine Länge von 380 bis 2000 mm bei einem Durchmesser von 25 mm. „Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung waren die sehr großen mechanischen Belastungen, denen eine solche Sonde im Partikelstrom ausgesetzt ist“, berichtet Dietrich. „Durch den Gegendruck des Pulvers, der Flüssigkeit oder des jeweils verwendeten Materials entstehen starke Kräfte und Vibrationen in den großen Behältern. Daher nutzen wir einen verstärkten Flansch zur Befestigung, damit mögliche Biegungen und Vibrationen des Sondenrohres im Arbeitsprozess keinen Einfluss auf das Messergebnis haben.“

Auch das Herzstück der IPP 75-S – die neue Optik – ist vor diesem Hintergrund entwickelt worden, denn erst durch das robuste Beleuchtungskonzept ist die ungewöhnlich lange Sondenausführung möglich geworden. Dafür sitzt im hinteren Teil des Gehäuses eine Laserdiode, deren Lichtstrahl über eine Lichtleitfaser nach vorn ins Messvolumen geführt wird. Dort ermittelt die Sonde mitten im Partikelstrom die Abmessungen aller vorbeiströmenden Teilchen. Dank dieser Konstruktion mit einer flexiblen Faser können Anlagenschwingungen, wie sie häufig in Industrieanlagen auftreten, ausgeglichen werden. „Sogar gebogene Sonden können wir dank dieser Technik herstellen“, erklärt Dietrich. „Die Faser biegt sich mit dem Rohr, leitet den Laserstrahl und ermöglicht somit eine präzise Ausleuchtung des Messvolumens. Auf diese Weise können wir einer Verschlechterung der Signalqualität durch Rauschen oder Vibrationen entgegensteuern.“

Separationseffekte bei der Vereinzelung treten nicht auf

Bei Labormessungen unterliegen die vom Prozess entnommenen Proben häufig subjektiven Einflüssen und können durch die lediglich punktuelle Information den Prozess nicht richtig abbilden. Inline-Messungen hingegen können durch ein geeignetes Prozess-Interface auf das Arbeitsumfeld vor Ort eingehen und somit kontinuierlich präzise Messergebnisse garantieren.

In Wirbelschichten mit feuchten oder klebrigen Materialien besteht beispielsweise das Risiko, dass die Optik zu schnell verschmutzt. Daher vereinzeln und verdünnen die Parsum-Sonden durch einen speziellen Inline-Dispergierer den Partikelstrom im Prozessgefäß. „Beim Dispergieren werden die Partikel mit Druckluft angesaugt und durch das Messvolumen geführt“, erläutert Dietrich. „Dieser gerade und kurze Weg garantiert, dass keine Separationseffekte bei der Vereinzelung auftreten, Granulate nicht zerstört werden, aber ebenso die Sondenoptik nicht verschmutzt wird.“ Mittlerweile hat Parsum hierfür die zweite Generation der Inline-Dispergierer entwickelt: D24 und D12. Dank einer veränderten Strömungsgeometrie wird die Optik besser freigehalten, wodurch die Inline-Partikelmesssonden in vielen Fällen bis zu mehrere Wochen innerhalb der Prozesse verbleiben können, ehe sie gereinigt werden müssen.

Bei der Flüssigmesszelle FZ1 handelt es sich um ein weiteres Prozess-Interface, mit dem die Partikelgrößenverteilung in einem Fluid bestimmt werden kann. Dabei wird ein Glasrohr im Messvolumen der Sonde platziert und die Flüssigkeit dank eines Bypassstroms in den Messkreislauf gepumpt. So kann die Flüssigkeit nicht austreten und die Sonde wird nicht kontaminiert. „Dank diesen und ähnlichen Zusatzkomponenten lassen sich unsere Inline-Messsonden optimal an die jeweiligen Anforderungen des Prozesses anpassen“, resümiert Dietrich. „Beispielsweise mit einer Entnahmesonde für besonders kleine Prozessbehälter oder mit Spülzellen für frei fallende oder pneumatisch geförderte Partikel und Granulate.“

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