Sauerstoffmessung in der Gasphase Überwachung in der Abgasverbrennung

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1 Chemie Perspektiven in der Prozessanalytik 18 News INGOLD Leading Process Analytics Sauerstoffmessung in der Gasphase Überwachung in der Abgasverbrennung Echtzeit-Überwachung der Sauerstoffkonzentration in Rauchgas spielt bei der Explosionsverhütung eine entscheidende Rolle. Durch die Verwendung amperometrischer Sauerstoffsensoren besteht vor allem kein Bedarf an komplexen und kostspieligen Probenahmesystemen mehr! Unternehmensprofil Das Langelsheim-Werk in Deutschland ist die größte Anlage der Chemetall-Gruppe mit dem breitesten Produktangebot. Die Palette reicht von Spezialchemikalien für die Oberflächenbehandlung von Metallen bis zu hochreinen Metallen und Metallverbindungen mit Cäsium, Barium, Titan und Zirconium. Die Produktion am Standort Langelsheim umfasst 20 Anlagen verschiedener Art und Größe, von denen die Mehrheit unter das Bundes-Immissionsschutzgesetz fallen. Feststellung potentieller Explosionsrisiken Im Rahmen der «Technischen Leitlinie zur Kontrolle der Luftqualität» wurde eine neue Gas-Verbrennungsanlage gebaut. Da an allen Chemetall-Standorten Sicherheit oberste Priorität hat, wurde die Einheit mit zwei Sauerstoff-Analysatoren von METTLER TOLEDO ausgestattet, um potentielle Explosionsrisiken festzustellen. Bei der Verbrennung von Prozess-Abgasen muss der Sauerstoffgehalt im Ausgangsstoff ständig unterhalb von 1 Vol.-% liegen, um jegliches Explosions- oder Brandrisiko auszuschließen. Die eigensicheren Sauerstoffsensoren wurden direkt in zwei Sammelleitungen installiert. Durch einen unteren Schwellenwert von 0,1 Vol.-% kann jeder Lufteintritt so früh wie möglich festgestellt werden. Übersteigt der Sauerstoffgehalt den Schwellenwert, wird dem System automatisch Stickstoff zugeführt, um den Ausgangsstoff zu verdünnen und die Sicherheit zu gewährleisten. Da Sauerstoff nur durch Leckage an bestimmten Ventilen in das System eindringen kann, ist es

2 einfach, das Problem zu orten und schnell Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Wartungsfreundlichkeit Im Gegensatz zu den regulären alternativen Analysemethoden für diese Art der Anwendung erfordert die METTLER TOLEDO-Lösung mit den InPro 6800 Gas- Sensoren trotz Prozesstemperaturen von bis zu 60 C und Drücken bis zu 100 mbar keinerlei Probenkonditionierung! Dies führte zu erheblich geringeren Installationskosten und Wartungsanforderungen. Die Kalibrierung der Sensoren wird mit Hilfe von Normalluft vorgenommen und dauert nur wenige Minuten. Die robuste Bauform garantiert Langlebigkeit auch unter rauen Bedingungen. Sauerstoffsensor InPro 6800 Gas Alle Bestandteile sind für die Verwendung in Gefahrenzonen zugelassen. Das System ist sehr kompakt und auch für Montage vor Ort geeignet. Der Transmitter ist für Protokollzwecke sogar mit einer Flash-Speicherkarte ausgestattet, auf der Ereignisse mit Zeit und Datum sowie Kalibrierungsdaten gespeichert werden. Perspektive Zum Jahresende 2008 kommt unser neuer Transmitter M420 auf den Markt. Dieser Transmitter der nächsten Generation ist zu unserer Serie von ISM -Sensoren vollständig kompatibel. Die Intelligent Sensor Management-Sensoren (ISM) bieten vollständige Diagnose-, Plug and Measure- Funktion und echte vorbeugende Instandhaltung. Weitere Details erfahren Sie jederzeit bei Ihrem METTLER TOLEDO-Vertreter. Grundlegende Funktionen des InPro 6800 Gas Innerhalb von Sekunden betriebsbereit mit dem «Quick Disconnect»-System Membran mit langer Lebensdauer Für Gefahrenzonen zugelassen Keine Beeinträchtigung der Messungen durch Feuchtigkeit und die meisten organischen Lösungsmittel Herausgeber Mettler-Toledo AG Process Analytics Im Hackacker 15 CH-8902 Urdorf Schweiz Transmitter M420. Bilder Mettler-Toledo AG GEA Group, Germany Johnson Matthey, UK Guangzhou Golden-Boy Co, Ltd Technische Änderungen vorbehalten. Mettler-Toledo AG 07/08 Gedruckt in der Schweiz. Sauerstofftransmitter O2 4220X MTP01 Sauerstoffsensor InPro 6800 Gas / inpro6800gas MTP02 Sauerstofftransmitter O X / o2-4220x 2 METTLER TOLEDO Chemie News 12

3 M400-Transmitterserie M400 der vielseitige Transmitter für hochmoderne Prozessmessungen Der neue flexible Transmitter M400 ist für anspruchsvolle Anwendun- gen konzipiert und verfügt über die ISM -Technologie mit dem neuen, einzigartigen dynamischen Nutzungsdauer-Indikator. Er deckt ph- / Redox-, Sauerstoff- und Leitfähigkeitsmessungen ab und kann Informationen von analogen wie auch ISM-Sensoren empfangen. M400 Der Multiparameter- Transmitter für mehr Flexibilität Transmitter müssen bedienerfreundlich, vielseitig in ihrer Anwendung und kostensparend in Bezug auf Prozessoptimierung und Wartung sein. Der neue Transmitter M400 von METTLER TOLEDO erfüllt alle diese Anforderungen. Der M400 ist ein Einkanal-Gerät zur Multiparametermessung und kann die folgenden Parameter verarbeiten: ph / Redox, Sauerstoff oder Leitfähigkeit. Da der M400 sowohl Daten analoger Sensoren wie auch Daten der innovativen ISM- Sensoren («Intelligent Sensor Management») empfangen kann, ist größtmögliche Flexibilität gewährleistet. Durch ISM-Technologie Statusinformationen in Echtzeit ISM vereinfacht die Bedienung von Prozessanalysesystemen von der Erstinstallation über die Wartung bis hin zum Sensorwechsel erheblich. Die ISM-Technologie kann auf alle Messparameter angewendet werden, die bei der Prozessanalyse eine entscheidende Rolle spielen. Die in Echtzeit vom ISM-Sensor gelieferten Statusinformationen erlauben eine echte vorbeugende Instandhaltung: Zeitpunkt für Sensorwechsel anhand eines dynamischen Nutzungsdauer- Indikators (DLI «Dynamic Lifetime Indicator») Überwachung des Zeitpunkts für Kalibrierung anhand eines adaptiven Kalibriertimers (ACT «Adaptive Calibration Timer») Elektronische Dokumentation der Kalibrierübersicht «Plug and Measure»-Funktion zur sofortigen Betriebsbereitschaft minimiert Wartungskosten Die «Plug and Measure»-Funktion ermöglicht den Beginn von Messungen innerhalb weniger Sekunden: Keine Installationsprobleme dank vereinfachte Inbetriebnahme Aktuelle Kalibrierungsdaten werden in ISM-Sensoren gespeichert und direkt an den Transmitter gesendet Hohe Zuverlässigkeit auch in anspruchsvollen Prozessanwendungen Während der Transmitter M300 für grundlegende Prozessanwendungen konzipiert wurde, eignet sich der M400 ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der chemischen Industrie. Die ab dem 4. Quartal 2008 erhältliche einzigartige isense Asset Suite für ph und gelösten Sauerstoff bietet zudem eine zuverlässige Kontrollkalibrierung im QS-Labor und gewährleistet eine umfassende nachvollziehbare Dokumentation für jeden Sensor während seiner gesamten Lebensdauer. MTP03 Transmitter M400 / m400 MTP04 Intelligent Sensor Management / ISM Der M400 Transmitter ist kompatibel mit ISM -Elektroden und -Sensoren. isense ist eine sehr benutzerfreundliche und einzigartige Software. Einfach den Sensor via USB an den Computer anschließen. METTLER TOLEDO Chemie News 12 3

4 Optimierte Prozessleistung EasyClean 200 ermöglicht Betrieb von ph-elektroden unter widrigen Umständen Ein ausgewogenes Messsystem mit dem Reinigungssystem EasyClean 200 überflügelte seine Konkurrenz bei rauen Sojabohnenanwendungen. Messgenauigkeit, Prozesszuverlässigkeit und schnelle Ansprechzeiten waren für den Kunden ausschlaggebend. Linyi Shansong Biological Products, China Das im Süden der chinesischen Provinz Shandong ansässige Unternehmen Linyi Shansong Biological Products Co., Ltd. ist ein Hightech-Unternehmen, das mit Hilfe von moderner Biotechnik natürliche sowie funktionelle Lebensmittel und Lebensmittelzusatz- und -inhaltsstoffe produziert. Alle wichtigen Anlagen und Maschinen des Unternehmens wurden vollständig aus Frankreich, Japan und Deutschland importiert. Das Unternehmen verfügt nun über zehn moderne Produktionslinien für Sojaisolate mit einer jährlichen Produktionskapazität von jeweils Tonnen Sojaisolaten, Tonnen Soja-Oligosacchariden und Tonnen Sojaflocken. Es besitzt die staatliche Hygienegenehmigung für den Export von Sojaisolaten und Soja-Oligosacchariden und ist ISO 9001:2000 zertifiziert. Der Produktionsprozess In der Produktionsstätte in Linyi werden unter Verwendung von entfetteten Sojaflocken als Rohmaterial Sojaisolate (SPI) produziert. SPI sind natürliche pflanzliche Eiweiße, deren Struktur den essentiellen Aminosäuren des menschlichen Körpers sehr ähnlich ist. Sie können Fleisch-, Milch- und anderen Produkten zur Nährwertsteigerung und Geschmacksverbesserung hinzugefügt werden. Der Proteinertrag aus dem Sojamark ist abhängig von Faktoren wie Wasser, Temperatur, ph-wert und Eintauchdauer. Wie das Diagramm (Abb. 1) zeigt, werden ph- Wert und Leitfähigkeit in verschiedenen Stadien des Produktionsprozesses gemessen: ph-wert: Auflösen des Sojamarks in Natronlauge ph-wert: Ausfällen des Sojaproteins mit Hilfe von Salzsäure Leitfähigkeit: Wiederaufbereitung des Kühlwassers Auflösen des Sojamarks in Natronlauge (NaOH) Sojaprotein löst sich in einer basischen Umgebung am besten auf. Daher wird das Sojamark in einer Natronlauge mit einem ph-wert von 9 aufgelöst und der ph-wert dann auf 7,5 ~ 7,8 angepasst. Die optimale Temperatur dafür beträgt 50 C. Ausfällen des Sojaproteins mit Hilfe von Salzsäure (HCl) Nach dem Abscheiden des Sojatrebers muss das aufgelöste Sojamark aus der Lösung ausgefällt werden. Da Sojaprotein am isoelektrischen Punkt (ph 3,3 5,6) über die geringste Löslichkeit verfügt, wird zum Ausfällen Salzsäure zugesetzt. Steuerung der Wiederaufbereitung des Kühlwassers (keine weiteren Ausführungen in diesem Artikel) Das in diesem Prozess entstehende Kühlwasser wird wieder aufbereitet. Nach der Verdünnung (1:7 bis 8) sollte die Leitfähigkeit zwischen 0 und 100 µs/cm betragen. Probleme auf Kundenseite Das Unternehmen Linyi verwendete fünf Messsysteme eines Wettbewerbers. Diese Systeme waren jeweils über einen Kugelhahn angeschlossen. Trotz eines automatisierten Reinigungssystems konnten keine zuverlässigen ph-messungen erzielt werden. Da ph-werte jedoch für die Optimierung des Ertrags von Sojaprotein von größter Bedeutung sind, war Linyi auf der Suche nach einer langfristigen Lösung. Die METTLER TOLEDO-Lösung Bei der Untersuchung vor Ort stellte METTLER TOLEDO fest, dass die Sensoren nicht vollständig eingetaucht waren und das Reinigungssystem nicht voll-automatisch funktionierte. Außerdem tendierte das äußerst viskose Protein dazu, an den Membranen der Elektrode hängenzubleiben, und das Diaphragma durch kleine Körnchen zu verstopfen. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen und die Reak- 4 METTLER TOLEDO Chemie News 12

5 tionszeit zu verkürzen, wurde das folgende Messsystem vorgeschlagen: ph-elektrode: InPro 4250 mit Lochdiaphragma Armatur InTrac 777 e Transmitter ph 2100 e Reinigungssystem EasyClean 200 e Fünf METTLER TOLEDO-Systeme wurden parallel zu den Systemen des Wettbewerbers installiert. Der direkte Vergleich fiel eindeutig zugunsten unserer Anlagen aus, so dass der Kunde weitere fünf Systeme von METTLER TOLEDO bestellte und installierte. Kundenvorteile Die Verwendung dieses ausgewogenen und maßgeschneiderten Systems von Messgeräten hatte für einen der größten Sojaproduzenten Chinas vielfältige Vorteile: Erhöhte Prozesssicherheit durch zuverlässige Messungen Minimale Unterbrechungszeiten des ph-signals für maximale Verfügbarkeit im Betrieb Ersparnis von Natronlauge und Salzsäure durch genauere Dosierung Niedrigere Kosten für Verbrauchsmaterial durch verlängerte Lebensdauer der Elektroden Reduzierter Wartungsaufwand durch On-line-Reinigung und -Kalibrierung ohne Stillstandzeiten Zeitersparnis und Vermeidung manueller Fehler durch einfache Handhabung des Transmitters Vermeidung der Verstopfung von Elektroden durch chemische Reinigung unter widrigen Gegebenheiten ph ph ph ph Sojamark, aufgelöst Sojamark, gekühlt Sojamark Lauge Separation Flüssigkeit Säureausfällung Separation Eiweißpaste Abwasser Kondenswasser Leitf. Enzyme Konzentration Sojaisolate Abb. 1: Messungen von ph-wert und Leitfähigkeit während der Produktion von Sojaisolaten. MTP05 ph-elektrode InPro 4250 (Nachfolger InPro 4260) / inpro4260 MTP06 Automatisches Reinigungssystem EasyClean 200 e / ec200e ph-elektrode InPro 4250 Armatur InTrac 777 e Reinigungssystem EasyClean 200 e MTP07 ph Transmitter ph 2100 e / ph2100e METTLER TOLEDO Chemie News 12 5

6 Vorwärtsstreulicht-Sensoren Trübungsmessungen zur Qualitätskontrolle bei der Produktion von Biodiesel Bei der Produktion von Biodiesel ist die Filtrierung ein äußerst wichtiger Prozessschritt. Durch die Verwendung eines In-line-Trübungsmessers mit Vorwärtsstreulicht-Technologie wird die Filterleistung überwacht und eine anhaltend hohe Qualität des Biodiesels gewährleistet. Brasiliens Biodiesel-Markt In Brasilien wächst der Bereich Biodiesel sehr schnell, da dieser erneuerbare Kraftstoff zu erheblich weniger Verschmutzung führt als konventioneller Diesel und eine neutrale CO2-Bilanz aufweist. Biokraftstoffe haben in Brasilien bereits eine lange Tradition, und die Verwendung von Bioethanol ist weit verbreitet. Durch die Herstellung von Biodiesel verringert Brasilien seine Abhängigkeit vom Erdöl. Gegenwärtig investieren in Brasilien sieben Unternehmen stark in Biodieselprojekte. Im Jahr 2008 wird die gesamte Produktionskapazität nahezu 2 Mrd. Liter betragen und damit gegenüber dem Vorjahr eine Steigerung um 180 % aufweisen. Mehrfache Prozesskontrolle durch Trübungsmesser Während des gesamten Produktionsprozesses von Biodiesel spielt die Reinigung eine wichtige Rolle. In einem der ersten Schritte wird eine Waschung mit saurem Wasser durchgeführt. Die Entfernung des Waschwassers geschieht durch Phasentrennung. Dieser Prozess wird vollständig durch Trübungsmessungen gesteuert. Eine komplexere Anwendung stellt die Messung der Produkttrübung nach dem letzten Filterungsschritt dar, direkt bevor der Biodiesel in Lagertanks abgefüllt wird. Als Produkt mit natürlichen Ausgangsstoffen sind Kontaminanten wie Proteine, Fasern und Bakterien vorhanden. Da moderne Fahrzeugmotoren hochwertige Kraftstoffe voraussetzen, müssen all diese Kontaminanten entfernt werden, um Anlagerungen in Motoren, Korrosion und Leistungsverringerungen zu verhindern. Dank des großen Vertrauens in unsere Produkte und Dienstleistungen entschied der Kunde, ein Weltunternehmen im Bereich Verarbeitung von Agrarprodukten, zur Überwachung des wichtigsten Filtervorgangs einen Trübungsmesser von METTLER TOLEDO einzusetzen. Unsere Mitarbeiter nahmen Proben des Biodiesels und stellten die extrem niedrigen Trübungswerte fest. Um ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau aufrecht zu erhalten, empfahlen wir, einen In-line- Trübungsmesser zu installieren, der die letzte Filterleistung mit Hilfe von Vorwärtsstreulicht überwacht. Die METTLER TOLEDO-Lösung Das in dieser Anwendung installierte System bestand aus: Trübungssensor InPro 8400 Transmitter Trb 8300 F/S Der Trübungssensor InPro 8400 Dieser werkskalibrierte Trübungsmesser hat eine Spulenform und ist mit Saphiroptik ausgestattet. Die gleichzeitige Messung von direktem und gestreutem Licht kompensiert Farbveränderungen und Alterung der Lichtquelle. Der Transmitter Trb 8300 F/S Die Transmitterserie Trb 8300 von METTLER TOLEDO bietet Detailinformationen zur Sensorleistung, einfache Inbetriebnahme des Geräts und einen geringen Wartungsaufwand. Rückmeldung des Kunden Die Trübungsmessung von Filtraten ist eine typische Anwendung zur Optimierung des Filterungsprozesses und zur Verbesserung von Qualität und Ertrag. Durch die Installation einer In-line-Trübungsanalyse konnten die Ausfallzeiten erheblich verringert werden. Der Kunde zeigte sich nach der Installation des ersten Systems sehr beeindruckt von dessen Leistung und Anwenderfreundlichkeit. Gegenwärtig wird über weitere Installationen nachgedacht. Trübungstransmitter Trb 8300 F/S Trübungssensor InPro 8400 MTP08 Trübungssensor InPro / inpro8400 MTP09 Trübungstransmitter Trb 8300 F/S / trb8300fs 6 METTLER TOLEDO Chemie News 12

7 ISM-Technologie für optimierte Prozesskontrolle ph-elektrode InPro 4250 SG Echtzeit-pH-Überwachung verringert Störungen und maximiert die Prozesseffizienz Durch den Wechsel zur ph-elektrode InPro 4250 SG konnte der Verbrauch um 50 % reduziert werden. Weitere Ersparnisse werden mit dem Wechsel zur ISM-Technologie mit der Echtzeitinformation über den Zustand der Elektrode verfügbar werden. Das Unternehmen Johnson Matthey ist ein Chemieunternehmen, das sich auf seine Fähigkeiten in den Bereichen Katalysatoren für chemische Prozesse, Feinchemikalien, chemische Katalysatoren und pharmazeutische Wirkstoffe sowie auf Vertrieb, Veredelung und Herstellung von Edelmetallen konzentriert. Diagnosemängel führten zu Elektrodenausfällen Der Geschäftsbereich Katalysatoren für Prozesstechnologien des britischen Unternehmens Johnson Matthey mit Sitz in Clitheroe, Lancashire, wollte ph und Leitfähigkeit während einer wichtigen Phase der Produktion eines seiner Katalysatoren überwachen. In dieser Phase kann ein dickflüssiger Brei das Referenzdiaphragma der Elektrode verstopfen, wodurch es zu Ausfällen der Elektrode kommt. Das zuvor installierte Messgerät für ph lieferte kaum Diagnoseinformationen zum Zustand der Elektrode, so dass die Elektrode unvorhersehbar ausfiel. Modernste ISM-Technologie ermöglicht Elektrodenüberwachung in Echtzeit Das Risiko einer Verstopfung des Diaphragmas wurde durch den Wechsel zur ph-elektrode InPro 4250 SG mit Lochdiaphragma verringert. Durch die Verwendung der einfach abzulesenden, hochmodernen Diagnosefunktion des M700- Transmitters in Kombination mit der «Intelligent Sensor Management» (ISM)- Funktion der Elektrode waren die Anwender bei Johnson Matthey in der Lage, Echtzeitinformationen über den Zustand der ph-elektrode abzurufen. Damit konnten Wartungsarbeiten vorausschauend vorgenommen werden, wodurch sich die Anzahl unvorhergesehener Störungen verringerte und so die Prozesseffizienz maximiert wurde. Rückmeldung des Kunden Der Technische Leiter Bilal Tai erklärt: «Unsere Produkte haben sehr strenge ph- Toleranzen. Deshalb müssen wir uns jederzeit auf die Genauigkeit der ph-messungen verlassen können. Unser altes System lieferte uns nicht die Diagnosedaten, die wir brauchten, um sicherzustellen, dass unsere ph-elektroden zwischen den Kalibrierungen einwandfrei funktionierten. Wenn Probleme auftraten, konnten wir diese oft nicht innerhalb der Zeitvorgaben entdecken, die den hohen Standards unseres Betriebs entsprechen. Seit wir M700 und InPro 4250 SG einsetzen, hat sich unser Elektrodenverbrauch um ca. 50 % reduziert! Die über den Transmitter M700 verfügbaren Diagnoseinformationen bieten uns die Sicherheit, dass unsere ph-elektroden zwischen den Kalibrierungen einwandfrei arbei- «Seit wir M700 und InPro 4250 SG ten. Sobald Probleme einsetzen, hat sich unser Elektrodenverbrauch um ca. 50 % re- ihre Quelle dank dem auftreten, können wir duziert!» Sensornetzwerk - Diagramm schnell lokalisieren und entsprechende Maßnahmen ergreifen.» MTP10 Intelligent Sensor Management / ISM Multiparameter Transmitter M700 Neueste Generation mit ISM: InPro 4260 i MTP11 Transmitter M700 www. mt.com / m700 METTLER TOLEDO Chemie News 12 7

8 ProTalk 2008 Neue Veranstaltungen 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 2008 bieten wir Ihnen ein breit gefächertes Programm für Ihre berufliche Weiterbildung an. Erhalten Sie die wichtigsten Grundlagen der Mess- und Regeltechnik. Erfahren Sie mehr über unsere Veranstaltungen: Intensiv-Workshops Theoretische und praktische Vertiefung in die jeweilige Messtechnik Sauerstoffmessung (Gießen) Vor-Ort-Seminare Interessieren sich mehrere Mitarbeiter und Kollegen für ein bestimmtes Schulungsthema? Stellen Sie Ihre Schulung individuell zusammen! Anwendertrainings Praktische Einblicke in die Messungen live an den Geräten ph-messung (Gießen) Sauerstoffmessung (Gießen) MTP12 ProTalk Programm / ProTalk Mettler-Toledo GmbH Prozessanalytik Ockerweg 3, D Gießen Tel Fax prozess@mt.com Mettler-Toledo Ges. m. b. H. Südrandstraße 17, A-1230 Wien Tel Fax process@mt.com Mettler-Toledo (Schweiz) GmbH Im Langacher, Postfach CH-8606 Greifensee Tel Fax salesola.ch@mt.com Besuchen Sie uns im Internet