Wirbelbett unter Kontrolle

Prozessüberwachung mit thermischem Durchflussgrenzschalter

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04.06.2008 Reaktionen in der Wirbelschicht erfordern eine sorgfältige Überwachung der Zuluft. Um den Produktionsprozess und die Wartung einer Phosphatanlage zu verbessern, suchte das belgische Chemieunternehmen Tessenderlo Chemie eine Alternative zu Schwebekörper-Durchflussmessern. Diese fand der Betreiber in thermischen Durchfluss-Grenzschaltern.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Um Produktionsausfälle zu vermeiden, überwacht Tessenderlo Chemie in der Phosphatproduktion den Luftstrom an einem Wirbelbett.
  • Schwebekörper-Durchflussmesser haben sich nicht bewährt, da Strömungsschwankungen zu Beschädigungen des Durchflussmessers und Produktionsausfällen führten.
  • Mit dem Thermatel TD2 nutzt der Betreiber nun einen thermischen Durchfluss-Grenzschalter, der unabhängig von der Prozesstemperatur arbeitet.

Tessenderlo Chemie besitzt im belgischen Ham eine der weltweit größten Anlagen zur Produktion von Dicalciumphosphat. Das Produkt wird aus Chlorwasserstoff (HCl) und phosphathaltigem Wüstensand hergestellt und für Viehfutter verwendet. Der Wüstensand stammt aus Marokko und wird auf Schiffen und Frachtkähnen über den Albert-Kanal transportiert. Die Salzsäure wird in einem Sulfatwerk in derselben Anlage hergestellt.

Die chemische Umwandlung zu Dicalciumphosphat erfolgt in so genannten „Pachoucos“: Gruppen von hohen Silos, in denen ein Gemisch aus Sand und Salzsäure – wie in einer Wirbelschicht – durch Einleiten eines Luftstroms von unten in Bewegung gehalten wird. In dieser Phase wird das Dicalciumphosphat gebildet. Um zu verhindern, dass sich das Salzsäure-Sand-Gemisch absetzt, darf der Luftstrom nicht unter einen kritischen Wert abfallen. Die dazu eingesetzten Kompressoren und Gebläse erzeugen einen Volumenstrom von 400mN³/h mit einem Überdruck von 0,5bar. Produktion und Wartung suchten nach einer Lösung, um zu überwachen, dass die Gebläse einen ausreichenden Luftstrom liefern: Die Produktion will Störungen vermeiden, und die Wartungsabteilung weiß, dass die Gebläse überholt werden müssen, wenn der Luftstrom nachlässt. Daher entschied man sich vor zwei Jahren, an fünf Stellen der Leitung zwischen Gebläse und Silo den Einsatz von Schwebekörper-Durchflussmessern zu testen.
Dabei stellte das Betriebspersonal fest, dass der Zuluftstrom trotz nahezu konstanter Strömung auf der Saugseite der Gebläse schwankte und ein unerwartetes Profil aufwies. Der Grund dafür war ein schwankender Strömungswiderstand in dem aus Sand und Salzsäure bestehenden Wirbelbett. Infolge dessen schlug der Schwebekörper des Durchflussmessers häufig gegen die oben und unten angebrachten Fänger. Die obere Fangvorrichtung löste sich häufig. Die mit dem Luftstrom ins Silo gesaugte Vorrichtung blockierte dann die Luftleitung, wodurch das Wirbelbett zum Erliegen kam.
Um die Produktion wieder aufnehmen zu können, musste das Silo geleert, die Leitungen geöffnet der Schwebekörper-Fänger entfernt und wieder installiert werden. Dazu kam, dass durch den Schwebekörper-Durchflussmesser ein beträchtlichen Druckverlust in der Leitung entstand.

Blenden- und Vortexmessung schieden aus

Als Alternativen wurden Messblenden und Wirbeldurchflussmesser (Vortex) erwogen. Während Erstere in der Anwendung zu einem unverhältnismäßig hohen Druckverlust führen würden, war die Vortex-Variante schlichtweg zu teuer. Staf Schelkens von Magnetrol brachte mit dem Thermatel TD1, einem thermischen Durchflussgrenzschalter eine weitere Alternative ins Gespräch. Das Messprinzip basiert auf der Kühlwirkung einer Gasströmung: Der Sensor besteht aus zwei Widerstandsthermometern von denen eines die Prozesstemperatur misst, während das zweite Thermometer intern beheizt wird. Dadurch entsteht zwischen beiden Fühlern eine Temperaturdifferenz von 20K. Durch die von Durchfluss oder Füllstand erzeugte Kühlwirkung auf das beheizte Thermometer sinkt die Temperaturdifferenz. Diese Veränderung kann dazu genutzt werden, einen Alarm, ein Steuerrelais sowie die nichtlineare mA-Ausgabe auszulösen. Zum Abgleichen des Sensors wird der gewünschte Gasstrom (Maximum, Minimum oder anderer Kalibrierpunkt) am Sensor vorbeigeströmt. Mithilfe eines Potentiometers wird die Temperaturwiderstandsschaltung eingestellt, bis das Relais reagiert. Während des Prozesses schaltet der Sensor dann bei der so abgeglichenen Strömung.

Das Vorgängermodell des TD2, der Thermatel TDF schied dabei aus, da bei diesem Gerät die Kühlung des Sensors nicht nur vom Durchfluss, sondern auch von der Gastemperatur abhängt. Infolge dessen ändert sich bei Schwankungen der Lufttemperatur auch der Schaltpunkt.
Dem gegenüber verfügt der TD2 über einen Temperaturabgleich, wodurch die Messung unabhängig von der Prozesstemperatur ist. Außerdem wird von dem Sensor ein 4- bis 20-mA-Signal ausgegeben, sodass der Anwender die Annäherung des Schaltpunkts messen kann. Das Gerät schaltet entsprechend des gemäß Abgleich eingestellten mA-Werts. Das Stromsignal wird zudem dazu genutzt, Fehler anzuzeigen. Je nach Anwendung wird ein Fehlersignal von 3,6mA (LLFS) oder 22mA (HLFS) genutzt.
Das Stromsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen beiden Sensoren. Es folgt keiner linearen Durchflussskala, sondern kann aufgrund seines reproduzierbaren Verhaltens dazu eingesetzt werden, Trends und Schwankungen der Strömung zu beobachten. In der Dicalciumphosphat-Produktion wurde der Sensor an einen Schreiber angeschlossen, wobei eine Verzögerung eingestellt wurde, um Alarme aufgrund starker Durchflussschwankungen zu unterdrücken. Denn das Ziel war es, einen kontinuierlichen Druckabfall zu detektieren.
Nun kann neben einer direkten Anzeige für unzureichenden Druck (der auch bei einer zu schnellen Sandzufuhr vorkommen kann) auch der Durchflusstrend überwacht werden. Nach einem korrekten Abgleich zwischen 0 und 2,575mN³/u kann der Luftstrom über das 4- bis 20-mA-Signal überwacht werden. Ein sinkender Durchfluss lässt Aussagen über den Zustand der Gebläse zu und kann dazu genutzt werden, Wartungsarbeiten besser zu planen.

Öl im Luftstrom erzeugt Probleme

Auf den ersten Blick schien dieses Messprinzip die Lösung zu sein, allerdings entstanden durch das im Luftstrom vorhandene Öl Probleme. Erst mit dem CIP-Modell des thermischen Durchflussmessers konnten diese gelöst werden. Das Modell ist mit zwei Sensoren ausgestattet und ist so aufgebaut, dass eine Verschmutzung der Sensoren verhindert wird. Sechs Monate Erfahrung mit vier Produktionseinheiten, die mit den Geräten ausgestattet wurden, zeigen, dass die Messung nicht durch Ölablagerungen beeinflusst wird. Deshalb wurde beschlossen, die restlichen 16Produktionseinheiten ebenfalls mit diesen Sensoren auszustatten. Die zu erwartenden Installationskosten bleiben dabei im Rahmen des üblichen Wartungsbudgets.

Heftausgabe: Juni 2008

Über den Autor

Alfons Calders , Redakteur Industrie Technisch Management
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