Mithilfe von Inline-Konzentrationsmessung lassen sich Produktionskosten senken (Bild: Anton Paar GmbH)
Wichtiger denn je: Produktionskosten einsparen und dennoch qualitativ hochwertige Produkte herstellen.
Egal ob es darum geht den Stromverbrauch zu optimieren oder wertvolle Ressourcen während der Produktion flüssiger Chemieprodukte zu sparen, die Herausforderungen an die Anlagenbetreiber sind enorm. Eine gleichbleibend hohe Produktqualität kann dabei nur erzielt werden, wenn die chemischen Reaktionen im optimalen Bereich ablaufen. Mit einem Inline-Messgerät werden all diese Anforderungen denkbar einfach erfüllbar.
Konzentrationsmessungen bzw. Messungen indikativer Rohgrößen wie Dichte, Schallgeschwindigkeit oder Brechungsindex werden direkt in der Leitung oder im Tank durchgeführt und gewährleisten bei Konzentrationsschwankungen ein schnelles Eingreifen während der Produktion.
Applikationsentwicklung als entscheidender Schritt
Neben der Wahl eines passenden Sensors mit geeignetem Messprinzip ist die Applikationsentwicklung ein entscheidender Schritt hin zur Lösung der Messaufgabe.
Bei den meisten Chemikalien hängen die substanzspezifischen Parameter wie Dichte-, Schallgeschwindigkeit- und Brechungsindex-Werte stark von der Temperatur und Konzentration ab. Für die Ermittlung exakter Konzentrationswerte ist eine sehr hohe Messgenauigkeit der Roh-Messdaten (Dichte, Schallgeschwindigkeit und Brechungsindex) Grundvoraussetzung. Mit Hilfe von mathematischen Formeln wird dann die Konzentration berechnet und damit der gesamte vom Anwender gewünschte Konzentrations- und Temperaturbereich abgedeckt.
Grundsätzlich muss für die Applikationsentwicklung unterschieden werden, ob Zwei-Komponenten-Lösungen oder Gemische, die aus drei Komponenten bestehen, bemessen werden sollen.
Während Konzentrationsbestimmungen für Zwei-Komponenten-Lösungen meistens relativ leicht über nur einen physikalischen Messparameter, also einem Sensor, umzusetzen sind, werden bei Drei-Komponenten-Gemischen zwei unterschiedliche Messgrößen benötigt. Dies resultiert beispielsweise in der Kombination aus Dichte und Schallgeschwindigkeit.
Vorteile einer Kombinationsmessung
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die Vorteile einer Kombinationsmessung.
Abbildung 1 zeigt bei dem Zwei-Komponenten-System Schwefelsäure die Entwicklung der Dichte und der Schallgeschwindigkeit für die Konzentrationen von 0 Prozent bis 110 Prozent. Sowohl die Dichte als auch die Schallgeschwindigkeit weisen unterschiedliche Minima und Maxima sowie eine Diskontinuität auf.
- Schwefelsäuren mit einer Konzentration von 0 Prozent bis 90 Prozent können mit einem Dichtesensor erfolgreich gemessen werden,
- Schwefelsäure-Konzentrationen von 90 Prozent bis 100 Prozent allerdings nur mit einem Schallgeschwindigkeitssensor.
- Um Konzentrationsbereiche von 100 Prozent bis 110 Prozent (übersättigte Schwefelsäure, auch Oleum genannt) abzudecken, ist wiederum ein Dichtesensor einzusetzen.
Deshalb ist eine Umwandlung in eine Konzentration basierend auf einem Parameter nur bedingt möglich.
Bei dem Drei-Komponenten-Gemisch Formaldehyd-Methanol-Wasser wird durch katalytische Oxidation Methanol in Formaldehyd und Wasser umgewandelt. Um diese Reaktion zu überwachen, werden die Konzentrationen von Methanol und Formaldehyd bestimmt. Die Konzentration von Drei-Komponenten-Mischungen kann nur mit Hilfe von zwei voneinander unabhängigen physikalischen Parametern wie Dichte und Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Dabei spannt sich eine Ebene auf, in welcher jeder Punkt eindeutig einer Konzentration an Formaldehyd und Methanol zugeordnet werden kann (Abbildung 2).
Die im Diagramm ersichtlichen 90°-Kreuzungen sind eine ideale Voraussetzung für die Verwendung von kombinierten Dichte- und Schallgeschwindigkeitssensoren. Damit kann also die Drei-Komponenten-Mischung Formaldehyd-Methanol Wasser erfolgreich gemessen bzw. kontrolliert werden.
Die zwei Beispiele zeigen deutlich, wie wichtig eine detaillierte Ausarbeitung einer Messaufgabe im Vorfeld des Kaufs eines Inline-Messgeräts ist. Durch die Auswahl eines passenden Sensors oder Sensorkombination in Verbindung mit einer kundenspezifischen Konzentrationsformel lässt sich die Produktion durchgehend und lückenlos überwachen. Ein dadurch sofort möglich gemachtes Eingreifen in den Prozess bei Über- oder Unterschreiten gesetzter Grenzwerte reduziert Fehlproduktionen und schont somit den Geldbeutel.
Anton Paar verfügt inzwischen über einen großen Datenpool an Konzentrationsformeln, die in Verbindung mit der L-Dens-Serie (Dichte-Sensoren), L-Sonic-Serie (Schallgeschwindigkeits-Sensoren) oder L-Rix-Serie (Brechungsindex-Sensoren) die Grundlage für eine erfolgreiche, kostensparende und qualitativ hochwertige Produktion bilden.
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