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MSR/Automatisierung Temperatur in 3-D

| Redakteur: Redaktion PROCESS

Wie wandert der Hot-Spot in einer Katalysatorschüttung? Mit dieser für die Prozessindustrie wichtigen Fragestellung beschäftigte man sich auch bei Bayer Technology Services. Im Ergebnis kam mit dem Multipunkt-Thermometer jetzt eine Lösung heraus, die Optimierungspotenziale in der Prozessführung verspricht. Mit der Entwicklung überzeugte man auch die Jury des mit 100 000 Euro dotierten Hermes-Awards, der anlässlich der diesjährigen Hannover Messe vergeben wurde. Wenn es auch nicht ganz für Platz 1 reichte, so war man immerhin unter den Top 5 der Nominierungsliste.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wie wandert der Hot-Spot in einer Katalysatorschüttung? Mit dieser für die Prozessindustrie wichtigen Fragestellung beschäftigte man sich auch bei Bayer Technology Services. Im Ergebnis kam mit dem Multipunkt-Thermometer jetzt eine Lösung heraus, die Optimierungspotenziale in der Prozessführung verspricht. Mit der Entwicklung überzeugte man auch die Jury des mit 100 000 Euro dotierten Hermes-Awards, der anlässlich der diesjährigen Hannover Messe vergeben wurde. Wenn es auch nicht ganz für Platz 1 reichte, so war man immerhin unter den Top 5 der Nominierungsliste.

Die richtige Temperaturführung entscheidet häufig über die Ausbeute der Prozesse, die Qualität des Produkts und die sichere Durchführung der Prozesse. Aus diesen Gründen ist die Temperatur der am häufigsten gemessene Parameter in der Chemie- und Pharmaindustrie. Viele Verfahren der Prozessindustrie erfordern über die punktförmige Temperaturmessung hinaus die Kenntnis der räumlichen Verteilung der Temperatur in einem Prozess. Typisches Beispiel dafür sind Reaktionen in Rohrreaktoren, bei denen die stoffliche Umsetzung während der Durchströmung eines Reaktionsrohres, eventuell unter Mitwirkung eines Katalysators erfolgt.

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Hier sind viele Parameter beteiligt, die Einfluss auf das Temperaturprofil haben (Stöchiometrie, Durchflussmenge, lokale Katalysatoraktivität, Wärmeaustausch mit dem Mantel), sodass die Messung der Temperatur an ein oder zwei Punkten zur Charakterisierung des Reaktionsablaufs (z.B. Hot-Spot-Erkennung) nicht ausreicht. Auch in weiteren Apparaten der Prozessindustrie (Kolonnen, Wärmetauscher, Verdampfer, Kristaller, Mischer) ist eine Prozessoptimierung durch Kenntnis der räumlichen Temperaturverteilung zu erwarten.

Im Rahmen einer Kooperation haben Bayer Technology Services (BTS) und Advanced Optics Solutions (AOS) nun einen völlig neuen Weg zur messtechnischen Erfassung von Temperaturprofilen in chemischen Anlagen verfolgt und die notwendigen Komponenten auf der Sensorseite und auf der apparativen Seite zur Einsatzreife gebracht.

Ziel war dabei, die Rückwirkung der Sensoreinbringung auf den Prozess zu minimieren, die Sensorinfrastruktur (Kabel, Versorgung, Informationsübertragung) gering zu halten und den Messumformer passend zur Automatisierungswelt in der CPI zu gestalten. BTS und AOS präsentierten das Ergebnis dieser Entwicklung auf der diesjährigen Interkama als Teilmesse der Hannover Messe Industrie.

Reflektiertes Licht

Der für die Temperaturmessung ausgenutzte Effekt beruht auf der Auswertung der Reflexionsspektren von Faser-Bragg-Gittern (FBG) die mithilfe einer einmaligen UV-Behandlung in Glasfasern eingeschrieben werden. FBG sind räumlich periodische Strukturen entlang der Faser, die durch einen alternierenden Brechungsindex gekennzeichnet sind. Ein FBG belegt etwa fünf Millimeter des Faserstrangs. Es können je nach Messaufgabe mehrere FBG an vorbestimmten Stellen in einen Glasfaserstrang eingeschrieben werden. Jedes FBG reflektiert aufgrund seiner spezifischen Periodizität eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Lichts.

Durch unterschiedliche Periodenlängen der FBG werden diese spektroskopisch unterscheidbar, so dass jedes Thermometer (=FBG) im Spektrum eindeutig zugeordnet werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des reflektierten Lichts ergibt sich aus der Temperaturabhängigkeit der effektiven optischen Periodizität. Diese wird durch den temperaturabhängigen Brechungsindex und die temperaturabhängige Lineardimension (Wärmeausdehnung) definiert.

Kernelement aus Glasfaser

Der Temperaturprofilsensor besteht daher aus einem Glasfaserstrang, der individuell für die jeweilige Applikation von AOS mit FBG’s präpariert wird. Die Glasfaser selbst wird durch eine Kapillare vor mechanischen und Stoffeinwirkungen geschützt. Die Auslesung der Thermometer erfolgt von nur einer Seite der Glasfaser, sodass die Prozessanbindung über ein Lichtwellenleiterkabel mit minimalem Aufwand erfolgen kann.

Für die spektroskopische Auswertung der Thermometer und die Anbindung an Prozessleitsysteme wurde von BTS auf Basis der proprietären Spektrometerplattform „SpectroBAY“ (PROCESS berichtete bereits in Ausgabe 5/2004, S. 34 ff) ein Messumformer entwickelt, der über optische Umschalter mehrere Glasfaserstränge simultan auswerten kann . Dieses Gerät bietet neben der Online-Übertragung der Messwerte Automatisierungsfunktionen, Remote Control, Selbstdiagnose sowie die Statusübermittlung über die bekannten Namur-Signale (z.B. Ausfall).

Für die Leitsystemanbindung können Profibus-DP oder verschiedene andere Feldbus-Systeme eingesetzt werden. Der besondere Vorteil dieses Gerätes ist die Kombinationsfähigkeit der Temperaturprofilmessung mit der NIR-Stoffkonzentrationsmessung. Dadurch ist es möglich, die räumliche Temperaturverteilung und die Stoffkonzentration simultan mit einem Gerät zu messen und zur Überwachung und Regelung einem Prozessleitsystem zur Verfügung zu stellen.

Bisherige Instrumentierungen haben den Temperaturbereich von -60°C bis +450 °C überdeckt.Da die Gerätetechnik, je nach Applikation, die Auswertung von rund 100 Thermometern, verteilt auf mehrere Glasfaserstränge erlaubt, ist auch eine dreidimensionale Darstellung der Temperaturverteilung in einem Volumen möglich.

Den Vorteil der innovativen Temperaturmessung soll eine Beispielrechnung verdeutlichen: Eine World-scale-Kunststoffanlage produziert heute Umsätze in einer Größenordnung von 500 Millionen Dollar im Jahr. Wenn die Anlage nur einen Tag länger in Betrieb bleiben kann bzw. die Stillstandzeiten reduziert werden können, lässt sich daraus ein erheblicher Mehrumsatz generieren.

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