Automatisierte ph-messung unverzichtbar in der Zuckerrübenverarbeitung

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1 Zucker Perspektiven in der Prozessanalytik News 9 INGOLD Leading Process Analytics Automatisierte ph-messung unverzichtbar in der Zuckerrübenverarbeitung Bei der Zuckerrübenverarbeitung wird im Schwemmwasser, bei der Extrak tion und während der Carbonation der ph-wert zur Prozesssteuerung genutzt. Dabei garantiert ein automatisches Reinigungssystem verlässliche Messdaten und verlängert zudem die Lebensdauer der Elektroden. Zuckeranbau in Deutschland Zucker wird heute weltweit in 127 Ländern erzeugt. Der Anteil Rübenzucker am Gesamtmarkt beträgt ca. 26%. Nach Angaben der «Wirtschaftlichen Vereinigung Zucker» wurden in der Bundesrepublik Deutschland im Wirtschaftsjahr 2005/06 in landwirtschaftlichen Betrieben Zuckerrüben angebaut. Die Zuckerrüben anbaufläche nahm 2005 mit rund ha etwa 4 Prozent der gesamten Ackerflä che ein. Die auf dieser Fläche angebauten und geernteten Zuckerrüben wuden in 26 Zuckerfabriken zu rund 4 Millionen Tonnen Zucker verar - bei tet. ph-messung im Schwemmwasser Der ph-wert hat einen großen Einfluss auf die Prozessführung der einzelnen Pro duktionsschritte bei der Zuckerherstellung. In jeder Zuckerfabrik gibt es daher eine Reihe ph-messungen, die eine optimale Steuerung der Produktionsabläufe ermöglichen. Sind die Rüben in der Zuckerfabrik angekommen, werden sie erst einmal von grobem Schmutz befreit. Die Reinigung in der Schwemmrinne und der Waschanlage erfolgt mit im Kreislauf geführtem Wasser (Schwemmwasser). Bereits während der Reinigung können sich geringe Mengen Zucker im Schwemmwas ser lösen. Durch mikrobiologische Vorgänge (Umsetzung der Zucker zu Säuren) kann die Qualität des Schwemmwassers beeinträchtigt werden, und Säurekorrosion in den Rohrleitungen ist die Folge. Eine ph-messung bzw. Regelung sorgt durch

2 Kalkmilchdosage für die Einhaltung eines definierten ph-bereichs. ph-messung bei der Extraktion Wenn die Rüben blitzsauber sind, geht es weiter zur Schnitzelmaschine. Die Rü benschnitzel werden nun gewässert und vorgewärmt. In großen Extraktionstürmen wird bei etwa 70 C der Zucker aus den Rübenzellen herausgelöst. Für diesen Vorgang ist der ph-wert und der Härtegrad des Wassers enorm wichtig. Der ph-wert sollte zwischen 5,2 und 5,8 liegen und die Wasserhärte sollte 100 Grad DH betragen. Auch hier sorgt eine installierte ph-messung mit Säure- und Kalkmilchdosage für den optimalen ph-bereich. Bei diesem Produktionsschritt entsteht der Rohsaft mit ca % Zuckergehalt. ph-messung bei der Carbonation Die entzuckerten Rübenschnitzel werden getrocknet und als Viehfutter an die Landwirte zurückgegeben. Der Rohsaft enthält neben dem gewünschten Zucker noch andere lösliche Stoffe wie z.b. Phosphat und Magnesium oder Zitronen- und Apfelsäure sowie Eiweiße. Diese organischen und anorganischen Stoffe müssen in einem weiteren Schritt dem Rohsaft entzogen werden. Die Reinigung, also die Trennung von Zucker und Nichtzuckerstoffen, erfolgt durch Zugabe von Kalkmilch und Einblasen von Kohlendioxid. Dabei werden die Nichtzuckerstoffe von dem Kalk gebunden und als Carbonate ausgefällt. Der Fachmann spricht hier von Carbonation. Nach zweimaliger Prozedur und Filtration bleibt ein klarer, hellgelber Dünnsaft zurück. Auch bei der Carbonatation ist der ph-bereich eine entscheidende Größe für den Prozessablauf. Deutlich reduzierter Wartungsbedarf Aufgrund hoher Temperaturen und hoher Kalkkonzentrationen ist die ph- Messung insbesondere bei der Carbonation besonders anspruchsvoll. Zum einen hat die hohe Temperatur Einfluss auf die Standzeit der Membrangläser, und zum an deren sorgt die Kalkmilch für einen hartnäckigen Niederschlag auf der Elektrodenoberfläche. Besonders gut hat sich für diese Applikation eine automatische Steuerung der ph-sonde bewährt. Der METTLER TOLEDO ph-transmitter M 700 in Verbindung mit dem Reinigungs- und Kalibriersystem EasyClean 400 wurde optimal an diese Anforderungen adaptiert, und die kontinuierliche ph-messung konnte völlig automatisiert werden. In definierten Zeitabständen wird die Messkette aus dem Prozess gefahren, anschließend gereinigt und einmal täglich kalibriert. Der manuelle Wartungsaufwand konnte so deutlich reduziert werden. Als universell einsetzbare ph- Elektrode für die verschiedenen Anwendungen unter zum Teil drastischen Bedingungen in der Zuckerfabrik eignet sich besonders gut der Typ InPro 4260 mit integriertem Temperaturfühler. MTP01 Automatisches Reinigungs- und Kalibriersystem EasyClean MTP02 ph-transmitter M MTP03 ph-elektrode InPro Herausgeber Mettler-Toledo AG Process Analytics Im Hackacker Urdorf, Schweiz ph-elektrode InPro 4260 ph Transmitter M 700 Bilder MarCom-Archiv 8902 Urdorf, Schweiz Südzucker Archiv, Deutschland US Sugar Corp. Archiv Technische Änderungen vorbehalten. Mettler-Toledo AG 06/07 Gedruckt in der Schweiz. Automatische ph-messung in Verbindung mit dem Reinigungs- und Kalibriersystem EasyClean METTLER TOLEDO Zucker News

3 ph und gelöster Sauerstoff für höheren Ertrag Optimierte Energie durch Kraft-Wärme-Kopplung in der Zucker- und Alkoholindustrie Die Techniken der Kraft-Wärme-Kopplung können durch inline gesteuerte Messparameter für ph-wert, gelösten Sauerstoff und Leitfähigkeit in verschiedenen sensiblen Prozessschritten optimiert werden. Dies führt zu einer höherer Effizienz, verbesserter Energieausbeute und letztlich zu weniger Instandhaltungs- und Reparaturkosten. Allgemeine Marktübersicht In den letzten Jahren haben in Brasilien die Investitionen in der Zucker- und Alkoholindustrie aus zwei Hauptgründen zugenommen: die Aussichten des Alkoholund Zuckerexportes und die Zunahme des Inlandsverbrauchs aufgrund des erhöhten Verkaufes von Autos mit Mehrzwecktreibstoffen. Brasilien ist heutzutage der Weltmarktführer in der Alkoholproduktion. Die Nachfrage an Energie in Zuckermühlen, kombiniert mit der in großer Menge hergestelltem Bagasse, der als Biotreibstoff für Boiler verwendet werden kann, verleitete viele Gesellschaften dazu, mit Kraft-Wärme-Kopplung zu arbeiten. Das Boilerwasser muss für die Dampfgewinnung behandelt werden. Die Steuerung der Wasseraufbereitung sichert die Qualität des Wassers und die hohe Effizienz des Prozesses. Hintergrund Die Wasseraufbereitung und der thermische Zyklus für die Kraft-Wärme-Kopplung in Zuckermühlen besteht aus mehreren Schritten: Durch die Zugabe des Kraftstoffs (im Falle von Zuckermühlen ist es Zuckerrohrbagasse) wird das eingespritzte Wasser bis zur Dampferzeugung erhitzt, und dann wird der Dampf für die erforderliche Prozessenergie verwendet. Auf grund des hohen erzeugten Dampfdrucks muss die Wasseraufbereitung und deren Qualität streng kontrolliert werden. Nach der Verwendung wird der Dampf kondensiert und wieder mit dem aufbereiteten Wasser vermischt (Entionisierung oder Umkehrosmose). Das von der Aufbereitung kommende Wasser ist mit Sauerstoff kontaminiert und wird zuerst durch den Entlüftungsprozess geleitet, wo Sauerstoff durch mechanische oder chemische Reaktionen (Hydrazin- oder Natriumsulfit) entfernt wird. Nach diesem Prozess wird die Konzentration an gelöstem Sauerstoff gemessen, bevor das Kesselspeisewasser dem Kessel zugeführt wird. Die Notwendigkeit der Kontrolle von Kesselspeisewasser Das verwendete Kesselspeisewasser sollte durch analytische Messungen kontrolliert werden. Tritt ein bestimmtes Maß an Wasserverschmutzung ein, kann der Kessel mechanisch beschädigt werden, und das System kann seinen Wirkungsgrad verlieren. Aufgrund bestimmter Prozessbedingungen ist die Messung jedoch schwierig. Deshalb müssen die benutzten Sensoren beständig und zuverlässig sein, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden. Stichprobenerhebungen werden im Allgemeinen durchgeführt, um gelösten Sauer stoff und ph-werte zu messen. Messstellen zur Analytik werden normalerweise installiert: im Kondensator, im Reinigungssystem, bestehend aus der Entionisierung oder Umkehrosmose, und nach dem Entlüftungsprozess. Sauerstoffmessungen verhindern Oxidation Die Messung des gelösten Sauerstoffs wird verwendet, um Oxidation zu ver- hindern. Der Entlüftungsprozess wird durch Hinzufügen von Natriumsulfit oder Hydra zin durchgeführt. Eines der gefundenen Hauptprobleme in der Messung ist der niedrige Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser (etwa 5 ppb). Deshalb wird am häufigsten der InPro 6900 mit dem Transmitter O2-4100ppb verwendet. Dieses System misst aufgrund seiner größeren Kathode und seines speziellen Elektrolyten den gelösten Sauerstoff bis zu Werten von 1 pbb. ph-messungen verhindern Verkrustungen und Korrosion Der ph-wert ist eine andere analytische Variable, die kontrolliert werden muss. Seine Überwachung verhindert Verkrustungen, Kontaminationen mit Kohlendioxid und die sich daraus ergebende Korrosion des Kessels. Häufig wird der InPro 3250 verwendet, ein ph-sensor mit geringem Wartungsbedarf für anspruchsvolle und ge naue Messungen. Stichprobenartige Mes sungen müssen die meiste Zeit gemacht werden entsprechend der ASTM 5128 Standard testmethode, welche geeignet ist, den ph-wert bei niedriger Leitfähigkeit zu messen. Leitfähigkeitsmessungen schützen vor ionischer Kontaminierung Die Leitfähigkeit wird nicht nur für die endgültige Produktqualität und zur Identifizierung der Kontaminierung durch Ionen kontrolliert, sondern kontrolliert auch im Auf bereitungssystem die Reinigung METTLER TOLEDO Zucker News 3

4 Entlüftungsprozess Kesselreinigung Abwasser Kessel ph und Regenerationslösung (in der Entionisierung). Die Leitfähigkeitsmessung wird auch verwendet, um die Qualität des Kondensates, die zum thermischen Zyklus zu rückkehrt, zu kontrollieren. Aufgrund der niedrigen Leitfähigkeit, gemessen im Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozess, wurde der InPro 7001 mit 2 Elektroden konzipiert. O2 Turbine Kraftstoff Einspritzung (Zuckerrohrbagasse) Kondensator Leitf. Kühlturm Entionisierung oder Umkehrosmose Abwasser Leitf. Reinigung von Entionisierungsund Umkehrosmoseanlage Nutzen der Ausführung Analytische Messungen in behandeltem Wasser für Kraft-Wärme-Kopplung gewährleisten, dass die Qualitätsparameter beachtet und angezeigt werden, sobald eine Korrektur im Wasseraufbereitungssystem oder im Produktionsprozess notwendig ist. Die Überwachung des ph- Werts ist wichtig, um Verkrustungen und Kontaminationen mit CO2 zu verhindern. Die Korrosion kann nicht nur durch die Kontrolle des ph-werts verhindert werden, sondern es muss auch der gelöste Sauerstoff in der Wassereinspritzung des Kessels gemessen werden. Leitfähigkeitsmessungen verhindern Verschmutzung durch Ionen. Das gesamte analytische Messsystem hilft der Wasseraufbereitung und dem thermischen Zyklus, einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten und Kosteneinsparungen und hohe Energieausnutzung zu ermöglichen. MTP04 ph-messung MTP05 Leitfähigkeitsmessung MTP06 Sauerstoffmessung ph-messung entscheidend für die Qualitätssicherung InPro 3250 SG Die METTLER TOLEDO ph-elektrode InPro 3250 SG erfüllt strengste Genauigkeitsanforderungen, was die Verdrängung eines Mitbewerbers ermöglichte. Ausschlaggebend waren eine hohe Zuverlässigkeit, gepaart mit reduzierter Wartung und verlängerter Lebensdauer des Sensors. Eine herausfordernde Situation Ein in der Welt führender Verarbeiter von Maisprodukten, ist mit einer herausfordern den Anwendung an Mettler-Toledo Ingold herangetreten. Die am Prozessende durchgeführte ph-messung eines konzentrierten Fruchtzuckermaissirups wurde bei 80 C durchgeführt und wies eine niedrige Leitfähigkeit und eine sehr hohe Viskosität auf. Es ist kritisch, die Messung des ph-werts und die vor der Lieferung kontrollierte Produktqualität zu dokumentieren. In dieser nordamerikani schen Produktionsanlage war ein Wettbewerber nur in der Lage, die strengen Genauigkeitsanforderung zu erfüllen, wenn er häufige und intensive Kalibrierungsarbeiten bei der ph-messung vornahm. Des weiteren waren die ph-mess ergebnisse schwerfällig und die harten Bedingungen der Anwendung führten zu einem kurzen Sensor leben. Konnte METTLER TOLEDO diese Situation verbessern? METTLER TOLEDOs Empfehlung Für diese Anwendung wurde eine InPro 3250 SG ph-elektrode ausgewählt. Die Elek trode verfügt über einen vorbedruckten Flüssigelektrolyten, der verhindert, dass das Diaphragma durch das klebrige Zuckerprodukt verklebt. Zudem werden Messstörungen durch eine Absicherung gegen Erdpotentiale mittels «solution ground» verhindert, was auch eine erweiterte Sensordiagnostik zulässt. Der Sensor wurde in einer Armatur montiert und an einen ph 2100 e Transmitter verkabelt. Seite an Seite mit der Installation des Wettbewerbers Das METTLER TOLEDO System wurde für Versuchsvergleichszwecke Seite an Seite METTLER TOLEDO Zucker News 4

5 mit dem Wettbewerbssystem installiert. Das ursprüngliche Wettbewerbssystem musste alle 3 Tage einer routinemäßigen Kalibrierung (Ein-Punkt-Kalibrierung gegen eine Probenahme) unterzogen werden, während das METTLER TOLEDO System während der gesamten Auswertungsperiode unberührt blieb, um eine Gesamtabweichung festzustellen. INGOLD Technologie verdrängte Wettbewerber Die Stabilität der Messung über diese Zeit war unglaublich! Selbst nach vier Monaten in Betrieb, lag das völlig unberührte METTLER TOLEDO System innerhalb von 0,1 ph-einheiten. Das System des Wettbewerbs, das sich innerhalb dieses Zeitraumes fast 40 routinemäßigen Kalibrierungen mit Probenahmen zu unterziehen hatte, lag bei den Probeentnahmen innerhalb von 0,05 ph-einheiten. MTP07 ph-messung Tragbares ph-meter 1120 für die mobile Messung vor Ort Es ist für sich selbst schon eine Herausforderung, eine aussagekräftige typische Messung einer entnommenen Probe zu erhalten. Die Abkühlung der Probe und die Aussetzung gegenüber der Atmosphäre, können die Genauigkeit der Probe, wenn diese zu einem zentralen Labor gebracht wird, beeinflussen. Diese Situation führte zur Verwendung des tragbaren ph-meter Modells Die tragbare Einheit erlaubt vor Ort Probemessungen und akzeptiert den gleichen ph-sensor, wie er im Prozess verwendet wird, was jegliche Diskrepanzen minimiert (siehe separates Kästchen). Zufriedenheit des Kunden drückte sich in weiteren Bestellungen aus. Die ph-messung ist seit 2 Jahren im Betrieb, und der Kunde ist mit der Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems sehr zufrieden. Aus der reduzierten routinemäßigen Elektrodenpflege und dem verlängerten Sen sorleben ergeben sich erhebliche Kosten einsparungen. Dieser Erfolg hat zum Ersatz von 16 weiteren ph-anwendungen geführt. ph ph-wert in Abhängigkeit der Temperatur (Puffer-pH 4,01) Temperatur C Was Sie wissen müssen! Die Bedeutung der Temperatur beim Vergleich von inline gegenüber offline ph-messungen. Ein Sachverhalt muss klar gestellt werden: Elektroden mit integriertem Temperaturfühler können nur die Steilheit entsprechend der Nernstgleichung kompensieren. Temperaturkompensierte Elektroden können keinesfalls ph-änderungen bei Lösungen mit verschiedenen Temperaturen kompensieren. ph-änderungen durch unterschiedliche Temperaturen sind real und sollen auch so gemessen werden. Wie die Abbildung zeigt, kann der Temperatureinfluss erheblich und auch nichtlinear sein. Der Vergleich einer «kalten» Probe mit einer inline Prozessmessung kann zu einer Fehlinterpretation führen. Timing ist alles «Probenahmen» können den ph-wert mit der Zeit aus verschiedenen Gründen ver - ändern. Aus der Luft aufgenommenes CO2 kann den ph-wert senken. Biologisch aktive Lösungen können weiter reagieren, da Mikroorganismen weiterhin Nährstoffe verarbeiten. Lösungen können, speziell bei höheren Drücken, flüchtige Komponenten produzieren und eine ph-verschiebung bewirken. Proben mit niedriger Leitfähigkeit, wie reines Wasser oder reine Zuckerlösungen, sind besonders beeinflussbar, da sie sehr wenig Pufferkapazität besitzen. Sofort gemessene Proben und eine minimale atmosphärische Berührung sichern eine repräsentative Messung. Das tragbare ph-meter 1120 ist für beide oben genannten Situationen ideal und akzeptiert dieselbe Elektrode wie sie im Prozess verwendet wird. Wenn der ph- Prozess vollständig verstanden wird und der Kalibrierung, der Probenahme und der Messung entsprechende Beachtung geschenkt wird, sind die Anforderungen an eine offline Analyse minimal und die inline Messung liefert ph-werte, auf die sie sich verlassen können. 5 METTLER TOLEDO Zucker News

6 ProTalk 2007 Das neue Veranstaltungskonzept von METTLER TOLEDO Unsere Seminare und Veranstaltungen zeichnen sich seit mehr als 10 Jahren durch aktuelle Themen und fundiertes Know-how für die Prozessanalytik aus. Auch im zweiten Halbjahr 2007 bieten wir Ihnen neue Veranstaltungstypen und zeitnahe Themen für Ihre Weiterbildung an. Erfahren Sie mehr über die neuen Veranstaltungen: Intensiv-Workshops ph-messung in Stuttgart Sauerstoff-Messung (Gießen) Anwendertrainings ph-messung in Gießen Sauerstoff-Messung (Gießen) Theoretische und praktische Vertiefung in der jeweiligen Messtechnik: Wollen Sie mehr über die ständig wachsenden Anforderungen an elektronischen Messungen erfahren und sind an praktischen Übungen zum besseren Umgang mit Messsystemen interessiert? Besuchen Sie die Intensiv-Workshops und vertiefen Sie Ihren Einblick in die Messtechnik. Vor-Ort-Seminare Interessieren sich mehrere Mitarbeiter und Kollegen für ein bestimmtes Schulungsthema? Stellen Sie Ihre Schulung individuell zusammen! Praktische Einblicke in die Messungen live an den Geräten: Wenn für Sie die praktische Anwendung von aktueller Messtechnik interessant ist, dann sind unsere intensiven Anwendertrainings genau das richtige für Sie. Hier können Sie praktisch erfahren, wie Sie gemäß aktuellster Vorschriften Messsysteme installieren, parametrieren, kalibrieren und Fehler selbst beheben können. MTP08 ProTalk Programm Mettler-Toledo GmbH Prozessanalytik Ockerweg 3, D Gießen Tel Fax Mettler-Toledo Ges. m. b. H. Südrandstraße 17, A-1230 Wien Tel Fax infoprocess.mtat@mt.com Mettler-Toledo (Schweiz) GmbH Im Langacher, Postfach CH-8606 Greifensee Tel Fax salesola.ch@mt.com Besuchen Sie uns im Internet