Artikel Better don´t touch

Die Entwicklung der industriellen organischen Chemie im 19.Jahrhundert ist eng mit der Gewinnung und Aufbereitung von Steinkohlenteer verknüpft. Ursprünglich bloß lästiges Koppelprodukt, entfaltete der Steinkohlenteer bereits früh sein schier unerschöpfliches chemisches und ökonomisches Potenzial. Geschätzte 10000 Inhaltsstoffe, beinahe ausschließlich aromatische Verbindungen, verbergen sich in dem zähflüssigen Rohstoff und bilden das Ausgangsmaterial für unzählige Synthesen.

Seit Julius Rütgers 1859 in Erkner bei Berlin seine „Theerproductenfabrik“ errichtete, steht der Name Rütgers quasi synonym für die Aufbereitung von Steinkohlenteer. Heute liegt der Firmensitz des international tätigen Unternehmens in Castrop-Rauxel, wo Rütgers Chemicals die größte Steinkohlenteerraffinerie der Welt betreibt. Rund 500000 Tonnen Steinkohlenteer werden hier jährlich verarbeitet, hinzu kommen ca.150000 Tonnen Cracker-Rückstände aus der Mineralölverarbeitung und etwa 100000 Tonnen weitere Rohstoffe.
Ebenso wie in einer Erdölraffinerie geschieht die Teeraufarbeitung durch fraktionierte Destillation. Die Gewinnung der wertvollen Aromate aus dem Teer gleicht der Ökonomie eines Aschenputtels: So liegt der Jahresertrag an reinem Naphthalin, mit einem Anteil von ca.10% Hauptinhaltsstoff des Steinkohlenteers, bei etwa 70000t jährlich, weiterhin werden in Castrop-Rauxel aus dem eingesetzten Teer jährlich etwa 3000t reines Anthracen und ca.2000t Carbazol gewonnen. Mit einem Anteil von über 50% ist das mengenmäßig bedeutendste Produkt der Steinkohlenteerdestillation jedoch Pech, das vor allem als Elektrodenbinder in der Aluminiumindustrie Verwendung findet.

Bei ihrer Inbetriebnahme im Jahr 1956 war die Teerdestillation von Rütgers Chemicals in Castrop-Rauxel die erste Anlage zur kontinuierlichen Destillation von Steinkohlenteer der Welt. Kontinuierliche Verfahren erfordern kontinuierliche Messungen. Teer und Pech, beides unverzichtbare Bestandteile unserer Höllenvorstellungen, sind auch für Messinstrumente ausgesprochene Martermedien. Das Pech wird in den Röhrenöfen der Teerdestillationskolonnen erhitzt und erreicht Temperaturen zwischen 280 und 350°C. Damit es pumpfähig bleibt, darf es nicht unter 180°C abkühlen. Sein Erstarrungspunkt liegt bei 120°C.

Üblicherweise kommen in Raffinerieanlagen wegen der dort herrschenden Bedingungen und den besonderen Anforderungen an die Robustheit der Messinstrumente zur Durchflussmessung vorwiegend konventionelle Messblenden zum Einsatz. Das Pech hat einen Feststoffanteil von bis zu 5% und wirkt daher stark verschleißend. Messblenden verlieren durch die mechanische Abnutzung schnell ihre Kantenschärfe und damit ihre Messgenauigkeit. Zudem verstopft das zähe Medium schnell die Wirkdruckleitungen. Ein grundsätzlicher Nachteil von Durchflussmessungen im Druckdifferenzverfahren ist ihre begrenzte Messdynamik. Coriolis- und Wirbeldurchflussmesser, die zur Durchflussmessung eingesetzt wurden, erreichten ebenfalls keine befriedigenden Standzeiten. Auch sie unterliegen dem starken Verschleiß und leiden insbesondere unter der thermischen Belastung.

Seitdem 2004 bei Rütgers Chemicals erste Versuche mit Ultraschall unternommen wurden, hat sich das eingriffsfreie Verfahren als ideale Lösung für die schwierige Messaufgabe erwiesen. Dort, wo das zu messende Medium korrosiv oder chemisch aggressiv ist oder eine hohe Druckstufe besondere Ausfertigungen benetzter Messeinrichtungen erfordert, sind Clamp-On-Sensoren eine elegante Lösung. Diese werden eingriffsfrei von außen auf dem Rohr aufgespannt und stehen mit dem Medium in keinem direkten Kontakt. Zudem funktioniert das akustische Verfahren unabhängig von der Leitfähigkeit des Mediums.

Ein weiterer Vorteil der Ultraschalltechnik liegt in ihrer außerordentlichen Messdynamik. Da die eingestrahlte Ultraschallwelle ohne Trägheit vom fließenden Medium mitgenommen wird, werden auch noch sehr kleine Strömungen zuverlässig erfasst. Doch auch diese praktische Methode stieß bei höheren Temperaturen bislang an ihre Grenzen. Dies liegt zum einen an der beschränkten Temperaturbeständigkeit der zur akustischen Kopplung zwischen Rohr und Sensor verwendeten Schallleitpasten. Zum anderen liegt die Curie-Temperatur der für die Ultraschallwandler verwendeten Piezokeramiken bei etwa 300°C. Oberhalb der Curie-Temperatur verlieren die Piezokeramiken ihre Polarisation und damit die Fähigkeit, durch elektrische Anregung mechanisch zu schwingen.
Mit dem WaveInjector wurde eine Vorrichtung entwickelt, die den Anwendungsbereich der eingriffsfreien Ultraschallmessung auf Temperaturen bis 400°C ausdehnt. Um die Sensoren thermisch vom Rohr zu entkoppeln und gleichzeitig den akustischen Kontakt zu wahren, werden zwei stählerne Koppelplatten eingesetzt. Über ihre Oberfläche wird soviel Wärme abgestrahlt, dass die Temperatur an der Befestigungsstelle für die Sensoren in deren Arbeitsbereich liegt. Gleichzeitig stellen die Koppelplatten einen guten akustischen Kontakt sicher. Die robuste Montagevorrichtung sorgt für einen dauerhaft hohen Anpressdruck an der Auflagefläche. Speziell angepasste Metallfolien sorgen für die optimale Verbindung und Langzeitstabilität. Das Prinzip der thermischen Entkopplung funktioniert ebenso auf der anderen Seite der Temperaturskala, also bei Tieftemperaturdurchflussmessungen. So kommt das System beispielsweise zur Durchflussmessung von Kältemittel für Kühlanlagen oder tiefkalter Gase zum Einsatz. Der gegenwärtige Boom von Flüssigerdgas eröffnet der innovativen Messtechnik weiteres Potential.
Der WaveInjector wird in verschiedenen Größen angeboten, die jeweils einen größeren Nennweitenbereich abdecken. Da es sich um eine rein mechanische Anordnung handelt, kann die Schallkopplung zusammen mit den auf Explosionsschutz geprüften und entsprechend zertifzierten Sensoren auch im Ex-Bereich verwendet werden. Beim Anbringen der Sensoren ist kein Eingriff ins Rohr notwendig. Auch eine nachträgliche Montage ist problemlos möglich.

Inzwischen hat Rütgers in seiner Steinkohlenteerraffinerie in Castrop-Rauxel etwa fünfzig Durchflussmessstellen mit Ultraschalldurchflussmessern Fluxus und dem WaveInjector ausgerüstet. Das eingriffsfreie Verfahren hat sich bewährt – auch im Hinblick auf die Anlagenverfügbarkeit: Einerseits unterliegen die Ultraschallsensoren keinem mechanischem Verschleiß und haben sich auch als resistent gegenüber Temperaturschocks erwiesen. Zum anderen sind für die Montage, Kontrollen und Wartungsarbeiten keine Betriebsunterbrechungen notwendig. Sukzessive sollen nun weitere konventionelle Durchflussmesseinrichtungen durch Ultraschalldurchflussmesser ersetzt werden. Ein willkommener Nebeneffekt der Durchflussmessungen ist die genauere Kenntnis des Prozesses. Destillationen sind enorm energieaufwendige Verfahren. Dank verlässlicher Daten über die Stoffströme in den Destillationskolonnen kann der Prozess nun energieeffizient und ausbeuteorientiert optimiert werden.

• Die Prozessbedingungen – hohe Temperaturen und abrasive Inhaltsstoffe – stellen bei der Destillation von Stein-kohleteer hohe Anforderungen an die eingesetzten Durchflussmessgeräte.
• Dort, wo das zu messende Medium korrosiv oder chemisch aggressiv ist oder eine hohe Druckstufe besondere Ausfertigungen benetzter Messeinrichtungen erfordert, sind Clamp-On-Sensoren eine elegante Lösung.
• Mit dem WaveInjector wurde eine Vorrichtung entwickelt, die den Anwendungsbereich der eingriffsfreien Ultraschallmessung auf Temperaturen bis 400°C ausdehnt.

Autor: Jörg Sacher
12/2008 Dezember