In industriellen Prozessen mit Gasen, sei es z. B. in der Energiewirtschaft, Verfahrenstechnik, Produktion oder Chemie, mit dem Ziel der Optimierung, der Qualitätssicherung oder zur Abwehr von Gefahren erlaubt der Einsatz der on-line Gasanalytik eine optimale Prozesskontrolle.
Der Ausdruck „on-line“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Verzögerung zwischen der Konzentrationsänderung im Prozess und der gemessenen Signaländerung so kurz ist, dass das Messsignal immer die momentane Konzentration derart repräsentiert, dass z. B. noch sinnvoll gegengesteuert werden kann. Dies impliziert auch, dass die Analytik in dem Sinne kontinuierlich ist, dass relevante Änderungen der Konzentration nicht verschleift werden oder gar unentdeckt bleiben.
Solche Geräte können in situ arbeiten, indem sie, oft durch einen Filter oder eine Fritte geschützt, direkt dem Prozessgas ausgesetzt werden oder das Gas im Prozess durchstrahlen, wie z. B. bei in situ arbeitenden Photometern.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, das Gas zu entnehmen, zu transportieren, ggf. zu konditionieren und dann der Analyse zuzuleiten. Danach kann es rückgespeist oder verworfen werden. Diese Methode bezeichnet man als extraktive Gasanalytik.
Beide Methoden haben ihre Berechtigung und spezifische Vor- und Nachteile.
Die In-situ-Analytik ist oft schnell, nicht durch Aufbereitung verfälscht, und es sind meist weniger zusätzliche Bauteile notwendig. Demgegenüber sind die Anforderungen an Selektivität, Beständigkeit gegenüber den Prozessbedingungen und Vor-Ort-Justierung oft nicht beherrschbar.
Die Vorteile der extraktiven Analyse liegen in der Möglichkeit, die Probe für die Analyse zu konditionieren, z. B. störende Bestandteile wie Staub und Wasserdampf zu entfernen. Druck und Temperatur können auf ein der Analyse leichter zugängliches Niveau gebracht werden.
Dieser Vorteil kann natürlich auch zum Nachteil gereichen, wenn die Prozessführung während der Probenkonditionierung den Messwert verfälscht, z. B. dadurch, dass die Messkomponente in einem zur Trocknung des Gases eingesetzten Kühler teilweise ausgewaschen wird.
Im Folgenden konzentriert sich die Darstellung auf die extraktive Analytik.
Die Planung kann mit der Festlegung der Entnahmestelle beginnen, die natürlich von der Messaufgabe selbst beeinflusst ist. Dabei ist zuerst abzuklären, ob am ins Auge gefassten Entnahmeort wirklich die interessierende Gasprobe vorliegt. Dort sollten auch alle Mischvorgänge und chemischen Reaktionen vollständig abgelaufen sein. Entnahmestellen hinter Kühlern oder Abscheidern eignen sich dabei besonders für Analysenmessungen, bei denen Mittelwerte in der Stoffbilanz stärker interessieren als die Feststellung momentaner Schwankungen. Meist befindet sich das Messgut an diesen Orten in einem für die Entnahme leichter zu verarbeitendem Zustand.
Bei größeren Gaskanälen kann auch eine Konzentrationsschichtung lateral zur Strömung auftreten. Randnahe Strömungen oder aber auch das Gas in einer beruhigten Zone könnten nicht repräsentativ sein und dann zu fehlerhafter Analyse führen. Hier könnte es notwendig sein, in Vorversuchen die zur Entnahme einer repräsentativen Probe geeignete Stelle durch Abtastung des Leitungsquerschnitts zu ermitteln.
Es kann mit einer Sonde entnommen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, eine Vorseparation durchzuführen, z. B. lassen sich durch ihre Trägheit Partikel, Tropfen und Aerosole vom Analysensystem fernhalten, indem im Gegenstrom entnommen wird. Will man hingegen solche Stoffe in der Probe haben, muss man mit der Strömung isokinetisch absaugen. Oft sind auch innerhalb der Sonde Filter angebracht, die zusammen mit der Sonde beheizt werden können, um Versottung zu vermeiden. Bei problemlosen Messgasen werden einfache T-Stücke verwendet, die rechtwinklig oder im spitzen Winkel vom Hauptstrom abgehen.
Besonders einfach wird die Versorgung des Analysators mit Gas in einer Bypass-Anordnung realisiert, die durch eine Drossel im Hauptstrom den Bypass-Strom erzeugt. Sie ist im Bild 1 schematisch dargestellt. Zur Aufgabe von Justiergasen sind Drei-Weg-ventile angebracht. Der Zustrom ist mit einem Filter versehen. Falls notwendig, kann auch ein Kolonnenkühler in den Gaseingang des Analysators integriert werden.
Ist kein Überdruck zum Gastransport gegeben, wird eine Messgaspumpe eingesetzt. Bei dem Einsatz von pulsierenden Pumpen besteht die Gefahr, dass eine zu starke Pulsation den Messewert verfälscht, sei es durch ein Signalrauschen, das von Turbulenzen induziert wird, oder gar durch Versatz des Messwertes durch Druck- und Strömungsabhängigkeiten. Daher ist es oft geboten, den Analysator von den Pumpenstößen zu entkoppeln, indem ein strömungsbegrenzendes Element zwischen Pumpe und Analysator geschaltet wird. Wird die Pumpe, wie im Bild 2 dargestellt, druckseitig durch ein Nadelventil gedrosselt, sollte keine Pumpe verwendet werden, die dann einen hohen Druck aufbaut, da es dadurch zu unerwünschten Reaktionen, wie z. B. Kondensation, kommen kann. Zur Entnahme aus Systemen, die unter Atmosphärendruck stehen, eignen sich besonders einfache Schwingankerpumpen. Natürlich können auch geregelte Pumpen eingesetzt werden. Die Messung und ggf. Überwachung der Strömung zur richtigen Einstellung des Nadelventils erfolgt geräteintern (Bild 2) über die Bestimmung des Druckabfalls an einer Drossel.
Liegt das Gas unter ausreichendem Überdruck gegenüber dem Analysatorausgang vor, genügt eine Steuerung oder oft besser eine Regelung der Strömungsmenge. Ist der Druck zu hoch oder schwankend, ist eine Druckreduktion und Stabilisation mit Hilfe eines Druckreglers erforderlich; oder es ist direkt eine Strömungsregelung einzusetzen. Besonders einfach gestaltet sich diese Regelung mit dem Gerät FTC300flow, das die aktuelle Strömung misst und ein Ausgangssignal für ein Proportionalventil erzeugt, das die Strömung konstant hält. Dieser Aufbau ist in Bild 3 dargestellt.
Ist die Entnahme und Rückspeisung unter gleichem, aber hohem Druck erforderlich, eignen sich sogenannte Gaszirkulatoren, bei denen der Messgasweg voll gekapselt und somit druckfest, und die fördernden Drehschieber magnetgekoppelt angetrieben werden. Die Messgeräte FTC300 und FTC130 können mit bis zu 20 bar beaufschlagt werden.
Um die Probe einer kontinuierlichen und dauerhaften Analyse zugänglich zu machen, ist oftmals eine Konditionierung der Probe notwendig, die als Probenaufbereitung bezeichnet wird und meist die Abtrennung störender Bestandteile beinhaltet.
Alle Formen der Separation müssen so durchgeführt werden, dass die Probe repräsentativ für die Gaszusammensetzung im Prozess bleibt. Wenn sich ihre Zusammensetzung in für die Konzentrationsbestimmung relevanter Weise ändert, muss dies nachvollziehbar sein, um ggf. den Messwert zu korrigieren. So muss z. B. die mit dem Einsatz von Messgaskühlern einhergehende Verminderung des Gasvolumens in die Konzentrationsbestimmung einbezogen werden.
Es werden physikalische und chemische Verfahren bei der Probenaufbereitung eingesetzt.
Unter physikalischen Verfahren lassen sich nennen.
Am häufigsten werden mechanische Filter zur Partikelabscheidung und Messgaskühler zum Entfernen kondensierbarer Komponenten eingesetzt.
Chemische Verfahren können durch Katalyse, durch chemische Bindung oder Adsorption problematische Substanzen umwandeln oder aus dem Messgas entfernen. Dazu gehören z. B.:
Zu beachten ist, dass diese Stoffe sich meist im Einsatz aufbrauchen und vor Ende ihrer Kapazität gewechselt bzw. wiederaufbereitet werden müssen.
Zur Sicherstellung der Qualität der Analyse ist das Messgerät mit Prüfgasen zu kontrollieren und ggf. neu zu justieren. Bei der Einspeisung des Justiergases ist zu bedenken, dass Kühler, Filter, Ad- und Absorber in die Gaszusammensetzung eingreifen, z. B. indem sie Feuchtigkeit abgeben. Die Einspeisung des Justiergases sollte so erfolgen, dass es möglichst die gleiche Behandlung erfährt wie das Messgas. Diese Situation ist in Bild 2 dargestellt. Ist über den Zeitraum des Justierprozesses mit einer Austrocknung des Gaswegs zu rechnen, sollte das Justiergas angefeuchtet zugeführt werden. Die Rückspeisung des Gases in den Prozess ist während der Justierung auszusetzen, wenn dadurch eine Kontamination stattfindet.
Für viele Messungen und Justierungen, die nicht unter identischen Druckbedingungen stattfinden, ist eine Kompensation des Druckeinflusses notwendig. Um dies einzuschätzen, sollte man sich bewusst sein, dass der Messwert von Photometern sich in etwa proportional zu Druck ändert. Eine Druckänderung von 50 hPa, wie sie schon unter atmosphärischen Bedingungen stattfinden kann, führt zu einer Messwertänderung von etwa 5%. Bei Messgeräten nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip ist eine Druckkompensation im Bereich über 800 hPa (absolut) im Allgemeinen nicht notwendig. Der FTC 400 mit der integrierten IR-Messung ist deshalb mit einer Druckkompensation ausgerüstet, die in Bild 4 dargestellt ist. Sie ist sowohl bei der Messung als auch bei der Justierung aktiv, um den Messwert – bezogen auf Normaldruck – korrekt anzuzeigen.
In der Analysentechnik wird die Ansprechzeit meist als sogenannte T90-Zeit angegeben. Sie ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, bis das Messgerät auf eine sprunghafte Konzentrationsänderung der Messgröße mit 90% des Wertes der Endkonzentration reagiert. Die T90-Zeit enthält in dieser Definition die manchmal separat angegebene sogenannte Totzeit, die vom Konzentrationssprung im Prozess bis zum 10%igen Wert der Endkonzentration festgelegt ist.
Ist eine schnelle Reaktion des Messgerätes erforderlich, ist dies bereits bei der Wahl des Entnahmeortes zu berücksichtigen, z. B. sollte der Abstand zur Reaktionszone nicht unnötig weit entfernt gewählt werden. Außerdem müssen die Entnahmeströme groß genug sein, um die Aufenthaltsdauer der Probe im Aufbereitungssystem genügend kurz zu halten. In den Analysenrohrleitungen liegen eigentlich immer Pfropfenströmungen vor, die sich dadurch auszeichnen, dass das Gas sich mit der Geschwindigkeit v= (dV/dt)/Q ausbreitet, wobei dV/dt die Entnahmemenge pro Zeit und Q der Querschnitt der Rohrleitung bedeuten. Deshalb sind kleine Rohrquerschnitte für kurze Ansprechzeiten sinnvoll. Große Aufweitungen im Querschnitt, z. B. durch Pumpen, Kühler, Abscheider und Filter, verhalten sich oft wie Mischreaktoren, die – als Daumenregel – das 4-Fache ihres Volumens benötigen, um eine sprunghafte Konzentrationsänderung am Eingang zu 90% am Ausgang abzugeben. Falls möglich gilt es, solche „Mischreaktoren“ in dem Entnahmeweg vor dem Analysator zu vermeiden oder wenigsten klein zu gestalten. Manche polaren Gase zeigen eine Neigung – insbesondere zusammen mit Feuchte –, sich an Oberflächen anzulagern. Dadurch kann es zu Chromatografie-Effekten kommen. Daher sollten inerte glatte Materialen verwendet werden. Eine Beheizung der Leitungen kann diesen Effekt ebenfalls verringern. In Bild 4 ist eine auf minimale Ansprechzeit optimierte Förderung des Messgases gezeigt. Für Fördermengen im Bereich von weniger als 1l/min empfiehlt sich eine 1/8“-Leitung mit 2,1mm Innendurchmesser. Bei langen Messgaswegen und großen Fördermengen ist ein sogenannter „fast-loop“ oft hilfreich (siehe Bild 5). Dabei wird dem Hauptstrom eine für die Analyse zu große Probenmenge entnommen und bis nahe an den Analysator herangeführt. Dort findet dann die Abtrennung eines für die Analyse passenden Probenstroms statt. Diese Abtrennung ermöglicht auch eine Separation von Staub, Aerosolen und Flüssigkeiten. Die separierten Anteile können durch den „fast-loop“ in den Prozess zurücktransportiert werden, man bezeichnet diese Ausführung auch als „cross-flow filtration“.
Edelstahlbauteile aus 1.4571 (LF316Ti) eignen sich für permeationsdichte, druckfeste und relativ korrosionsbeständige Anordnungen. Für in der Analysentechnik gebräuchliche Strömungen von kleiner 100l/h sind Rohre mit einem Innendurchmesser von etwa 2mm gut geeignet. PTFE bzw. PFA sind besonders inert, allerdings recht permeationsoffen, sie eigenen sich daher nicht für die Spurenanalyse von z. B. Sauerstoff. Dies gilt abgeschwächt für alle Kunststoffe
Telefon: +49 (0) 69 530 564 44
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