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MSR/Prozessautomatisierung

Trends auf der Spur

| Autor/ Redakteur: Redaktion PROCESS /

Online-Analytik erobert sich ihren Platz in verfahrenstechnischen Anwendungen: Exakte Messwerte sind der Schlüssel zu einer effizienten und sicheren Verfahrenstechnik. Doch nun gehen MSR-Spezialisten einen Schritt weiter: Mithilfe der Online-Analytik will man Trends von Prozessen vorhersagen, um dann in den Prozess steuernd einzugreifen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Online-Analytik erobert sich ihren Platz in verfahrenstechnischen Anwendungen: Exakte Messwerte sind der Schlüssel zu einer effizienten und sicheren Verfahrenstechnik. Doch nun gehen MSR-Spezialisten einen Schritt weiter: Mithilfe der Online-Analytik will man Trends von Prozessen vorhersagen, um dann in den Prozess steuernd einzugreifen.

Ohne Frage, die effiziente Auslastung von Anlagen, eine höhere Qualität oder auf den Kunden genau zugeschnittene Endprodukte sind derzeit wichtige Voraussetzungen, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen. Verfahrenstechnische Prozesse müssen dafür noch exakter gesteuert werden.

Gängige Parameter, die direkten Einfluss auf den Prozess nehmen und online gemessen werden, sind Druck, Temperatur oder der Durchfluss, aber auch die kontinuierliche Überwachung von Abgasen und Abwässern ist heute zur Routine geworden.

So sind Gasanalysatoren, die bei Überschreitung eines Grenzwertes Alarm geben, längst in vielen Produktionsbetrieben fest installiert. Diese Systeme geben eine Rückmeldung an das Leitsystem und fahren die Anlage gegebenenfalls in einen sicheren Zustand.

Seit einigen Jahren arbeitet man nun daran, Trendinformationen etwa über die stoffliche Zusammensetzung eines Zwischenproduktes zu erhalten, um dann den Prozess dementsprechend zu regeln. Bis vor zehn Jahren spielte die Physik bei diesen Anforderungen der Mess- und Regeltechniker noch nicht mit. Mittlerweile haben die Online-Prozessanalytik sowie die nötige Messphysik jedoch einen gewaltigen technologischen Sprung gemacht. In den vergangenen Jahren wurde außerdem - u.a. dank der erweiterten Kommunikationstechnik - ein gutes Stück Praxistauglichkeit geschaffen.

Heute ist die Prozessanalysentechnik unentbehrlich für die vollautomatische Bestimmung von Stoffkonzentrationen in festen, flüssigen und gasförmigen Gemischen geworden. So ziehen bei Cognis Automaten in kürzesten Abständen chemische Analysen direkt aus dem Reaktor und geben diese an den Leitstand weiter.

Dadurch lässt sich die Anlage exakter und schneller steuern. Früher hielt man die Kesseltemperatur so lange auf einem Niveau, bis das Ergebnis aus dem Labor zur Verfügung stand, heute sind die Werte in Minuten erhältlich.

Ein anderes typisches Beispiel ist die Steuerung einer Destillationskolonne. Mithilfe eines Prozessführungskonzeptes ist der Betreiber in der Lage, das Produkt wesentlich konstanter in seiner stofflichen Zusammensetzung zu fahren. So werden die Qualität verbessert, die Ausfallzeiten verringert, und der Betriebsleiter kann sich an Spezifikationsgrenzen näher heran wagen.

Ein besseres Prozessmanagement lohnt sich auch finanziell. So führt nach Dr. Norbert Kuschnerus, Leiter BTS Process Management Technology, Leverkusen, ein besseres Prozessmanagement zu einer höheren Anlagenverfügbarkeit von fünf Prozent und zu einer Reduzierung der Produktionsplanungswarnungen um 90 Prozent. Je nach Einsatzgebiet macht sich der Einsatz von Online-Analytik schnell in barer Münze bezahlt.

Wenn es darum geht, aufwändige Laboranalytik in Onlineverfahren umzuwandeln, können die Kosteneinsparungen ebenfalls beachtlich sein. Bereits bei einer Probe pro Tag soll sich nach Expertenmeinung die Investition in die Online-Analytik rechnen.

Wissen um den Prozess und die Messtechnik

Wurde bis vor wenigen Jahren vor allem daran gearbeitet, bestimmte Analysengeräte zu miniaturisieren, geht es bei der heutigen Entwicklung hauptsächlich darum, die Technologie in den Gesamtprozess einzugliedern. Folgerichtig haben etwa die Bayer Technology Services (BTS) und Endress+Hauser Messtechnik (E+H) vereinbart, kundenspezifische Online-Analytik-Technologien für Anlagen der Prozessindustrie künftig gemeinsam zu vermarkten.

Die beiden Partner werden Projekte zur Analyse von Gas- und Flüssigkeitsströmen gemeinsam akquirieren und abwickeln. E+H bietet dabei die Hardware der Flüssigkeitsanalyse und den Marktzugang durch einen flächendeckenden Vertrieb, während BTS sein Applikations-Know-how aus der Planung und Betreuung von über 10 000 Messstellen mit mehr als 70 verschiedenen Messmethoden weltweit einbringt.

Optische Verfahren auf dem Vormarsch

Ist von Online-Analytik die Rede, wird dies meist mit der NIR-Technik (Nahinfrarot) gleich gesetzt. Hinter der Online-Analytik verbirgt sich jedoch ein weites Spektrum. Die modernen Verfahren zur vollautomatischen Konzentrationsmessung reichen von einfachen Messeinrichtungen über ausgereifte optische, chromatografische, spektroskopische und magnetische Verfahren bis hin zur komplexen Biosensorik. Häufig muss jedoch ein Messverfahren erweitert werden.

So wird etwa beim Darmstädter Kunststoff-Institut DKI Ultraschall zur Inline-Kontrolle von Polymerisationsreaktionen eingesetzt. Dabei wird der zeitliche Verlauf erfasst. Da die meisten Ultraschall-Messgeräte nur die Geschwindigkeit und nicht die Dämpfung erfassen, wurde mit der Berliner Firma Flexim ein Messgerät entwickelt, das den speziellen Anforderungen der Kunststoffverarbeitung gerecht wird.

Dennoch liegt der Schwerpunkt bei der Online-Analytik auf den optischen Verfahren. Spektrometer, unabhängig vom Wellenlängenbereich, werden besonders forciert. Das Inline-Prozess-Spektrometer UV-Spector des Schweizer Unternehmens Solvias wurde beispielsweise für den direkten Einsatz in Produktionsbetrieben der chemischen Industrie konzipiert.

Dabei lassen sich bis zu sechs fiberoptische Sonden für Anwendungen in Transmission, Transflektion und ATR (ATR = abgeschwächte Totalreflexion) anschließen. Die Einsatzmöglichkeiten für das Inline-Prozess-Spektrometer erstrecken sich von einfachen Farbmessungen oder Bestimmung der Farbmetrik über Konzentrationsbestimmungen bis hin zu Multikomponentenanalysen in Flüssigkeiten und Gasen. Interessante Beispiele aus der Biopharmazie sind chromatographische Trennprozesse zur Aufreinigung oder Filtration von Proteinen, Antikörpern und Hormonen.

Um die Ausbeute während der Fraktionierung zu maximieren und die Produktqualität zu verbessern, werden zu jeder Zeit Informationen über Qualität und Quantität des Produktes und seiner Nebenkomponenten benötigt. Das UV/VIS-Prozess-Spektrometer liefert diese Informationen in Echtzeit. Dafür wird eine speziell für die Biopharmazie konzipierte Transmissions-Durchflusszelle vom Typ Biopro direkt in den Auslauf der chromatographischen Säule eingebaut.

Die Partnerschaft zwischen E+H und BTS konzentriert sich dagegen auf den MIR (Mittel-Infrarot)-Bereich. Das MIR-Spektrometer von Endress+Hauser ist eine Ergänzung zum bewährten NIR-Spektrometer SpectroBay von BTS. „Im MIR-Bereich befindet sich die so genannte Fingerprint-Region, in der viele organische Moleküle mit geringem Aufwand identifiziert werden können“, erklärt Dr. Martin Gerlach, Leiter PAT bei BTS. „Hier wird ein hoher Informationsgehalt der Spektren genutzt. Eine direkte Übertragung der IR-Laboranalytik in den Prozess ist möglich.

Allerdings erfordert dies prozesstaugliche Inline-MIR-Spektrometer.“ Bis dato hatten die üblichen Verschmutzungen und Ablagerungen auf der Sonde wegen der sehr geringen Durchstrahlungstiefe der MIR-Spektroskopie eine breite industrielle Anwendung verhindert. Nun verhält sich das Messgerät sowohl vom Anschluss an den Messumformer als auch vom Betrieb eher wie ein Prozess-Sensor als wie ein herkömmliches Spektrometer.

Die Spektrometer-Sonde wird über den Sondenadapter an den Spektrometerkopf angekoppelt. Hierdurch sind sowohl unterschiedliche Spektrometerprinzipien als auch unterschiedliche Sondentypen in einem Baukasten realisierbar. „Mithilfe der robusten Reinigungs- und Kalibrierungstechnologien Topcal und Topclean von Endress+Hauser kann der einzigartige Vorteil einer hohen analytischen Informationsdichte im Mittelinfrarotbereich speziell in wässrigen Systemen prozesstauglich angewendet werden“, erläuterte Michael Ziesemer, Vorstandsmitglied für Vertrieb und Marketing bei Endress+Hauser. „Bis Ende 2007 sollen bereits 40 MIR-Spektrometer in den Prozessen der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie die stoffspezifischen Analyseparameter exakt ermitteln“, so Ziesemer.

Instandhaltung wird schwieriger

Die große Herausforderung bei der Online-Analytik ist die Komplexität der Technologie. Kaum ein Anwender kennt die etwa 80 zur Verfügung stehenden Messverfahren und die große Bandbreite von Einsatzbereichen im Detail. Da in der Analysenmesstechnik der Sensor bzw. der physikalische Messteil in der Regel direkt medienberührend ist, ohne dass eine Membran oder Hülle ihn schützen würde, sind Analysenmessgeräte zudem wartungsintensiver als andere Messgeräte.

Den Instandhaltungskosten kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Sie betragen etwa 70 Prozent der Lebensdauerkosten. Schützenhilfe erhalten die Anwender von den Instandhaltungsexperten von Rheinhold & Mahla. Diese präsentierten auf der diesjährigen Achema Konzepte für eine integrierte Industrieinstandhaltung und maßgeschneiderte Lösungen für die Chemie- und Pharmaindustrie.

Der Beratungs- und Lösungsansatz schließt dabei auch die Optimierung verfahrenstechnischer Prozesse sowie die Auslegung und Prüfung von Apparaten ein. Zu den Spezialkompetenzen gehört die Planung, Errichtung und Instandhaltung von Prozessanalysenmessgeräten.

Schützenhilfe in Sachen Prozessanalysentechnik erhalten die Anwender jetzt auch von der BASF in Ludwigshafen, deren Fachzentrum Prozessanalysentechnik sich auf der Achema präsentierte: „Wir bieten unseren Kunden über die eigentliche Technik hinaus Lösungen für fast alle Aufgabenstellungen“, erklärt Dr. Volker Huth, Leiter der Fachgruppe Projektierung im Fachzentrum.

Die Mitarbeiter sind ausgewiesene Experten, wenn es darum geht, Eigenschaften oder Zusammensetzung von Einsatzstoffen, Zwischen- und Endprodukten im Produktionsprozess zu bestimmen. Stoffkonzentrationen werden in den Produktionsanlagen rund um die Uhr online bestimmt und an das Prozessleitsystem der Anlage übergeben. Dies trägt erheblich zur Effizienz der Produktion bei. „Wir wählen jeweils die geeignete und zugleich wirtschaftlichste Methode aus“, betont Huth.

Das Leistungsspektrum des Fachzentrums umfasst Beratung, Planung, Projektierung und Installation von Messungen, aber auch Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Entstörung. Neueste Entwicklung des Fachzentrums sind spezielle Fensterflansche für die Installation an Rohrleitungen und Behältern, welche die störungsfreie Messung des Sauerstoffgehaltes per Diodenlaser-Spektrometer jetzt auch im chemischen Produktionsprozess ermöglichen.

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