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MSR / Automatisierung Unbeirrbar in der Hexenküche

| Redakteur: Redaktion PROCESS

Im schönen Goslar ist einer der weltweit führenden Hersteller von Metall-, Carbid- und Keramikpulvern angesiedelt: H.C. Starck wurde 1920 gegründet und gehört seit 1986 zur Bayer AG. Bekannt ist es für seine Produkte, die in Metallverhüttung und -verarbeitung, Optik, Elektrotechnik, Elektronik, beim Schweißen, thermischen Spritzen, in technischer Keramik, Katalysatoren und Batterien Verwendung finden.

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Im schönen Goslar ist einer der weltweit führenden Hersteller von Metall-, Carbid- und Keramikpulvern angesiedelt: H.C. Starck wurde 1920 gegründet und gehört seit 1986 zur Bayer AG. Bekannt ist es für seine Produkte, die in Metallverhüttung und -verarbeitung, Optik, Elektrotechnik, Elektronik, beim Schweißen, thermischen Spritzen, in technischer Keramik, Katalysatoren und Batterien Verwendung finden.

Beim Herstellen der pulverförmigen Grundstoffe herrschen in einigen der Prozessbehälter Extrembedingungen mit hohen Temperaturen, Krustenbildung und Ablagerungen an Tankwänden und -decke, extremer Schaumbildung und Materialbewegung. Eine besondere Herausforderung für die MSR-Techniker in dieser Umgebung ist das Ermitteln zuverlässiger Füllstandwerte. Um die für das Verfahren notwendigen Informationen sicher und ausdauernd zur Verfügung zu stellen, probierten die Verantwortlichen von H.C. Starck mehrere Varianten aus.

Die Randbedingungen für die Messgeräte waren dabei alles andere als einfach: Die Füllstandmessung in der Dioxid-Produktionsstraße stellt angesichts der aggressiven Chemikalien - Kalkmilch, Säuren, Fluorwasserstoffsäure und Schwefel - und der hohen Prozesstemperatur von 100°C eine besondere Herausforderung dar. Erschwerend kommt hinzu, dass sich beim Prozess Dämpfe, Schäume und starke Produktablagerungen bilden. Darüber hinaus befindet sich im Innern der 1,22 m weiten Reaktionsbehälter ein Rührwerk zur Optimierung des Mischungsprozesses, das eine turbulente Oberfläche erzeugt.

Das Ergebnis: Nach etwa acht Stunden Einsatz in der Dioxid-Produktionsstraße waren alle Füllstandmessgeräte so verschmutzt, dass sie ausfielen. So entstanden neben Reinigungskosten auch Ausfallzeiten. Auf der Suche nach Alternativen, die eine zuverlässigere Ermittlung von Füllstand und Volumen gestatten und keine Betriebseinschränkung z.B. durch Krustenbildung haben, wurden die Ingenieure schließlich in einer speziell für den Betrieb zugeschnittenen Konfiguration mit integriertem Radarantennenspülsystem fündig: Unter Einsatz von Mikrowellen-Impuls-Technologie liefert das Sitrans LR 300 Radar kontinuierliche Füllstandmesswerte in Flüssigkeiten und Schlämmen, selbst unter extremen Prozessbedingungen.

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, die kein Trägermedium erfordern, wobei die Prozessatmosphäre (Druck, Temperatur, Vakuum) praktisch keinen Einfluss hat. Die Radartechnologie ermöglicht aufgrund des Messprinzips eine kontinuierliche Füllstandmessung ohne Messstoffkontakt. Im Vergleich zu Schwimmern, Einperlgeräten oder anderen produktberührenden Messmethoden erfordert die berührungslose Technologie daher weniger Wartungsaufwand.

Speziell das Sitrans LR 300 Radar arbeitet mit einer Frequenz von 5,8 GHz (6,3 GHz in den USA) und einer bedingt durch das physikalische Prinzip hohen Signalübertragungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit). Aufgrund der Wellenlänge, des Abstrahlwinkels sowie der relativ unempfindlichen Antennenkomponenten hinsichtlich Anhaftungen ist diese Anordnung besonders für Prozessbedingungen geeignet, die zusätzliche Einbauten wie Heizröhren, Rührwerke oder Wellenbrecher aufweisen. Auch bei extremen Turbulenzen der Messstoffoberfläche, Schaum und Kondensatbildung wird ein Signal mit Amplitude empfangen.

Dank der verwendeten Frequenz und der schnellen Signalübertragung haben Temperatur- und Druckextreme, Dampf, dichter Schaum, Kondensation, Staub, aggressive Chemikalien, Verkrustungen, Turbulenzen oder Materialbewegungen nur einen geringen Einfluss auf die Messsicherheit. Das Verhältnis von Nutzsignalen zu Störsignalen bei einem hohen Rauschabstand schafft die Voraussetzungen für einen störungsfreien Betrieb auch unter dynamischen Bedingungen und eine gesteigerte Zuverlässigkeit im Vergleich zu Zweileitersystemen, deren Leistungsfähigkeit besonders bei geringer Dielektrizitätskonstante für eine rasche Verarbeitung und ein verzögerungsfreies Ansprechen oftmals nicht ausreicht.Das Sitrans LR 300 benutzt die patentierte Sonic Intelligence Technologie, um Signale zu verarbeiten.

Diese Technologie hat sich laut Hersteller Siemens in über 500 000 Applikationen weltweit bewährt. Besondere Echoauswertetechniken helfen, beständig zuverlässige Daten zu liefern. Die Software unterscheidet dabei zwischen Nutzechos vom Messstoff und Störechos, die durch Einbauten oder elektrisches Rauschen erzeugt werden (dynamische Echoverfolgung). Das Sitrans LR Radar System umfasst einen Transmitter/Receiver, eine Antenne und einen Signalprozessor. Es bietet zudem eine große Auswahl an Flanschen und Gewindeanschlüssen, um die Montage auf fast allen Tanks oder Behältern zu erleichtern. Auch für die Antenne stehen zahlreiche Optionen zur Verfügung (Stab-, Horn-, Sanitär-, Rohrantennen und verschiebbare Wellenleiter), um die Anforderungen spezieller Applikationen zu erfüllen.

Materialanbackungen werden abgespült

In Applikationen wie den eingangs beschriebenen mit Materialablagerungen ist eine Hornantenne die beste Wahl, denn die Ablagerungen haben auf eine Hornantenne weniger Einfluss als auf eine Stabantenne, da das Horn die Antenne vor Spritzern schützt. Für solche Applikationen bietet Siemens Milltronics zudem eine spezielle Reinigungsoption für die Hornantenne an. Das Spülsystem arbeitet mit einer Eintrittsöffnung für eine Spülleitung, die im Montageflansch angeordnet ist.

Durch sie strömt eine Flüssigkeit oder ein Gas. Dieser Einlass auf dem Flansch reicht bis zur Innenseite des Antennensystems, wo das Reinigungsmittel gegen den internen Emitter und die Innenwände der Hornantenne gespült wird. Durch Integration eines zeitgesteuerten Ventils ist eine automatische Steuerung möglich. Einziger Nachteil der zusätzlichen Reinigung: zu Beginn des Reinigungszyklus oder während der Reinigung ist das Signal aufgrund starker Verkrustung normalerweise nicht auswertbar. Dieser Zustand kann einige Sekunden dauern, aber die meisten Prozesse lassen einen gelegentlichen Signalverlust für diese kurze Zeitspanne zu.

Bereits im Jahr 2000 installierte H. C. Starck auf einem der oben beschriebenen Dioxidreaktoren ein Sitrans LR Radar-Gerät von Siemens Milltronics zu einem einwöchigen Probelauf. Das auf dem Deckel des Behälters montierte Radarinstrument war mit einer 150er Hornantenne sowie einem Spülsystem versehen. Die Montage bereitete keine Schwierigkeiten: Das Instrument wurde auf den Stutzen aufgesetzt, befestigt und an die Spannungsversorgung angeschlossen.

Bereits mit Standardparametern erwies es sich als voll funktionsfähig. In dieser Anwendung trägt das Horn zum Schutz der Antenne vor Spritzern aus dem Reaktionsgemisch sowie vor Ablagerungen bei. Das Reinigungskit spült die Antenne im laufenden Betrieb. Der Befestigungsflansch weist eine 1/80 (3,2 mm) weite Eintrittsöffnung für eine Spülleitung auf, die in regelmäßigen Abständen heißen Dampf (in anderen Anwendungen können auch Wasser oder Lösemittel eingesetzt werden) schräg gegen das Horn ausstößt. Dabei wird ein Wirbel erzeugt, der die Antenne von Materialablagerungen befreit.

Dass sich die Suche nach Alternativen in der Füllstandmessung für das Unternehmen ausgezahlt hat, sehen die Verantwortlichen als sicher an. Sie schätzen, dass sich die Einsparungen durch die nicht mehr erforderlichen, reinigungsbedingten Betriebsunterbrechungen auf monatlich bis zu 100 000 Euro summieren. Kein Wunder also, dass im Anschluss an den erfolgreich verlaufenen Test im Werk von H.C. Starck mehr als 60 Radarmessgeräte für verschiedene Produktionsprozesse in den verschiedenen „Hexenküchen“ installiert wurden.

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