Im Gasförmigen nichts Flüssiges

Diodenlaser für die Feuchtemessung in Erdgas und in petrochemischen Verfahren

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06.03.2013 Feuchte stellt selbst in geringen Konzentrationen in Erdgas und zahlreichen petrochemischen Verfahren eine Verunreinigung dar. Die daher notwendige Dehydration von Erdgas und petrochemischen Rohstoffen verursacht erhebliche Kosten und benötigt viel Energie. Die Verfahren, die hierfür zum Einsatz kommen, werden mithilfe von Spurenfeuchte-Analysatoren durchgeführt; dadurch bleibt eine hohe Produktqualität erhalten, und die Energiekosten bleiben relativ niedrig.

Entscheider-Facts Für Betreiber

 

  • Bei der Absorptionsspektroskopie mithilfe von abstimmbaren Laserdioden (TDLAS) bieten die schnelle Ansprechzeit sowie hohe Präzision und ein minimaler Wartungsaufwand Vorteile für den Anwender.
  • Diodenlaser messen in unterschiedlichen Anwendungen den Feuchtegehalt und tragen dazu bei, die Produktqualität zu erhalten und Verunreinigungen zu vermeiden.
  • Feuchteanalysatoren helfen, die richtige Feuchtigkeit z.B. für Katalysator-Reaktionen einzustellen.

Für die Feuchtemessung lassen sich verschiedene Gerätetypen einsetzen. In den letzten Jahren ist jedoch die Absorptionsspektroskopie mittels abstimmbarer Laserdioden (TDLAS, Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) die Technik der Wahl geworden. Diese Systeme kennzeichnen eine schnelle Ansprechzeit, hohe Präzision und – aufgrund der kontaktfreien Messung – ein minimaler Wartungsaufwand. Zudem benötigen sie im Allgemeinen keine Feldkalibrierung.

Einsatzgebiete von einfachen Kontrollaufgaben bis hin zur komplexen Prozesssteuerung

TDLAS- und HDLAS-Analysatoren haben sich in verschiedenen industriellen Bereichen durchgesetzt, dazu zählen beispielsweise die Speicherung und der Transport von Erdgas. Hier kommen die Geräte in Übergabestationen zum Einsatz, um sicherzustellen, dass das Erdgas den vertraglichen Tarifen entspricht und der Feuchtegehalt des Gases nicht über die Maximalwerte hinausgeht. Denn hohe Feuchtewerte, kombiniert mit sauren Gasen wie H2S und CO2, fördern die Korrosion der Anlagen und Komponenten. Zudem kann überschüssiger Wasserdampf bei kühleren klimatischen Bedingungen in der Pipeline zu Eis oder Methanhydrat kondensieren. Darüber hinaus kommt hinzu, dass Wasser eine Masse besitzt und deshalb die Re-Komprimierung sowie die Transportkosten erhöht. Auch bei der Extraktion von Kohlenwasserstoffen aus Erdgas werden die Analysatoren eingesetzt. Da Erdgas eine Gasmischung ist, lassen sich schwerere Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan und Butan durch kryogene Verfahren abtrennen. Vor dem Abkühlen auf eine niedrige Temperatur muss das Gas jedoch getrocknet werden, um den Wasserdampf zu entfernen.

Bei vielen Produktionsverfahren ist ebenfalls eine Dehydration notwendig. Als ein Beispiel sei hier die Herstellung von Flüssiggas (LNG, Liquefied natural gas) genannt: Methan geht bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von -160 °C von der Gasphase in die Flüssigphase über, in der es 1/600 des ursprünglichen Volumens einnimmt. Vor dem Verflüssigen muss das Erdgas allerdings gründlich gereinigt werden, um eine Eisbildung in den Tieftemperatur-Wärmeübertragern zu vermeiden. Auch bei der Herstellung von Ethylen spielen die Analysatoren eine wichtige Rolle, denn die Reinheitsanforderungen an Ethylen sind hoch. Die technischen Daten verlangen oft Feuchtegehalte von weniger als 1 ppmv (Volumenteile pro Mio.) – was sich nur mithilfe einer präzisen Feuchtebestimmung verifizieren lässt. Eine weitere Anwendung stellen Ofenumgebungen für Wärmebehandlung von Metallen dar. Bei zahlreichen Hartlöt-, Reduktions- und Glühverfahren dürfen nämlich nur begrenzte Wasser- und Sauerstoffkonzentrationen vorliegen. Die Ansprechzeit der TDLAS-Analysatoren ist dabei so kurz, dass ein einzelner Analysator aus mehreren Zonen oder eingespeisten Gasen Proben entnehmen kann.

Auch bei der katalytischen Reformierung kommen die Geräte zum Einsatz. Dabei wird eingespeistes Naphtha in einem katalytischen Reaktor mit wiederaufbereitetem Wasserstoff vermischt, um aromatische Verbindungen zu produzieren. Der Katalysator in den Reaktoren ist jedoch sehr teuer, und ein erhöhter Feuchtegehalt kann ihn schädigen. Allerdings sind Spuren von Feuchte erforderlich, um den Katalysator mit Chlorverbindungen zu aktivieren. Mithilfe der Analysatoren lässt sich dieses Gleichgewicht effizient herstellen.

Schnelle Ansprechzeit und individuelle Anpassung

Die Technik, nach der TDLAS-Feuchteanalysatoren arbeiten, beruht auf dem Lambert-Beer‘schen Gesetz. Wenn das Laserlicht der Geräte auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt wird, absorbiert der Analyt einen Teil der Photonenenergie; Wasser besitzt bekannte Absorptionsbanden für Licht im nahen Infrarotspektrum (800 bis 2.500 nm). Der Analysator wird anhand von Referenzstandards kalibriert, wobei GE Measurement & Control für seine Analysatoren Stickstoff bei verschiedenen Wasserdampfkonzentrationen verwendet, um die Beziehung zur Konzentration in ppmv zu kalibrieren und zu linearisieren. Dann wird zur Einstellung auf das Trägergas Methan oder eine kundenspezifische Gasmischung verwendet.

Verschiedene Faktoren beeinflussen TDLAS-basierte Feuchteanalysatoren: Ein Druck- oder Temperaturanstieg verändert die Absorption aufgrund molekularer Stoßverbreiterung in geringerem Maße. Außerdem beeinflussen Veränderungen im Trägergas die Absorption. Durch Anwenden eines Temperatur- und Druckprofils lässt sich beim Messen der Temperatur und des Drucks mit entsprechenden Sensoren jedes Instrument empirisch hinsichtlich dieser Effekte korrigieren, indem der Analysator die Rohdaten speichert. Während des Betriebs kommen die Rohdaten als Referenztabelle zum Einsatz, um effektiv eine bessere Genauigkeit zu erzielen.

Eigenentwicklung für große Trockenheit

HDLAS (Hochauflösende Laserabsorptionsspektroskopie) ist eine Technik, die der Analysatoren-Hersteller entwickelt hat, um eine höhere Präzision und kontinuierliche Messungen bei solchen Verfahren zu ermöglichen, die äußerste Trockenheit erfordern. Die Feuchtemessung mit TDLAS in Kohlenwasserstoffgasen, bei denen die Wasserdampfkonzentration unter 5 ppmv liegt, ist äußerst schwierig, da sich die Absorptionspeaks von Kohlenwasserstoffgasen mit den Wasserpeaks überlappen. Eine einsetzbare Technik stellt die Differenzialspektroskopie dar, bei der das Prozessgas mit einem Trockenmittel getrocknet wird und ein Nullliniensignal aufgezeichnet wird. Das Nullliniensignal wird anschließend vom Prozesssignal subtrahiert. Die Einschränkung der Differenzialmethode besteht hier in der Herstellung des sogenannten „Nullgases“. Die Messung muss offline erfolgen, und das System muss mit dem Nullgas gespült werden. Häufig enthält das Nullgas jedoch Wasserdampfrückstände, und das Trockenmittel hat eine begrenzte Lebensdauer.

Bei der HDLAS-Technik kommt eine Absorptionszelle mit langem Weg zum Einsatz, die im Vakuum betrieben wird. Durch das Anlegen eines Vakuums liegen die Gasmoleküle im Wesentlichen nicht so eng aneinander, und die Co-Absorption von Kohlenwasserstoff nimmt ab. Die in Bild 2 veranschaulichte Methode ermöglicht eine kontinuierliche Messung sowie die Durchführung von Messungen im Bereich von < 0,010 ppmv.

Zum Basiswissen über die TDLAS-Technik gelangen Sie hier.

Diodenlaser für die Feuchtemessung in Erdgas und in petrochemischen Verfahren – 1304ct917

Heftausgabe: März 2013

Über den Autor

Matthias Sprinz, Product Specialist Gas & Moisture, GE Measurement & Control
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