Der richtige Sensor für Nässe

Feuchtemessung in Raffinerien und bei der Erdgasaufbereitung

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17.06.2019 Feuchtigkeit zählt zu den kritischen Verunreinigungen bei der Erdgaslagerung und -herstellung sowie in petrochemischen Raffinerien. Für die Feuchtemessung gibt es zwar eine Vielzahl unterschiedlicher Analysatoren und Technologien, doch nicht alle Varianten sind für jede Situation geeignet. Den verschiedenen Anforderungen an die Feuchtemessung im Industriebetrieb begegnen Hersteller wie Michell Instruments mit jeweils passenden Sensortechnologien und Feuchteanalysatoren.

Entscheider-Facts für Betreiber

  • Restfeuchte ist in der Weiterverarbeitung von Gas und Öl ein kritischer Parameter. Je nach Anwendung herrschen jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Robustheit und Genauigkeit eines Messverfahrens.
  • Der Beitrag beschreibt drei etablierte Techniken für die Feuchtemessung in der Öl- und Gasindustrie: Sensoren auf Basis von Absorptionsspektroskopie, Schwingquartz-Technologie sowie keramische Sensoren.
  • Die Verfahren unterscheiden sich in Präzision, Nachweisgrenze, Messbereich und Kosten, sodass sie passende Lösungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche ermöglichen.

Bild1 – QMA 601 Prozessfeuchteanalysator

Der QMA601-Spurenfeuchte-Analysator mit Schwingquarz-Messtechnologie eignet sich für eine Vielzahl anspruchsvoller Prozessanwendungen. Bilder: Michell Instruments

Hinzu kommen speziell entwickelte Probenahmesysteme und Analysatorgehäuse. Diese werden bei Bedarf auch den Herausforderungen unter extremen Bedingungen gerecht, sei es in der Hitze der Sub-Sahara oder in der Kälte Sibiriens.

Absorptionsspektroskopie

Bei der Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Laserdioden (Tunable Diode Laser Spectroscopy, TDLAS) wird aus der gemessenen Absorption einer bekannten Strahlung die Konzentration eines Gases bzw. eines Gasbestandteils bestimmt. Eine durchstimmbare Laserdiode, deren Emmisionsfrequenz variiert werden kann, dient als Quelle der Strahlung.

Besonders in Nordamerika sind TDLAS-Geräte zur Feuchtigkeitsmessung in der Erdgasindustrie sehr beliebt. Ein Grund dafür ist die hohe Genauigkeit des Verfahrens: Selbst einfachere Geräte sind auf 2 % des abgelesenen Wertes genau und bieten ein unteres Erkennungslimit von 5 ppmv. Technische Entwicklungen haben diese Grenzen weiter verbessert, aktuelle Messgeräte sprechen schon ab 1 ppmv an bei einer Genauigkeit von 1 %.

Bild2 – OptiPEAK TDL600 Feuchte in Erdgas Analysator

Der Optipeak-TDL600-TDLAS-Analysator wurde speziell für die Feuchtemessung sich ändernden Zusammensetzungen von Erdgas und Biomethan entwickelt.

Als berührungslose optische Messgeräte sind sie beständig gegenüber Korrosion durch Sauergase. So lassen sich sehr stabile Feuchtigkeitsmessungen in Anwendungen erzielen, bei denen andere Methoden versagen. Das von Michell Instruments entwickelte Laser-Lock-System stellt zudem sicher, dass das Analysespektrum auf dem korrekten Wasserabsorptions-Signal bleibt. Es verhindert damit effektiv Sensordrift und sorgt für langfristig hohe Messgenauigkeit. Ein weiterer Vorteil, den die optische Messung mit sich bringt, sind schnelle Ansprechzeiten. Besonders im Bereich der Erdgasspeicherung ist es essenziell, die Einhaltung der Vorgaben für die Netzqualität schnell zu ermitteln, um Spitzenanforderungen für Gas erfüllen zu können. Nicht zuletzt sprechen die niedrigen Betriebskosten für TDLAS-Messgeräte.

Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzung, ihrer schnellen Ansprechzeiten und der Fähigkeit aktueller Modelle, mit Änderungen der Hintergrundgaszusammensetzung umzugehen, empfehlen sich TDLAS-Instrumente besonders für die Überwachung der Feuchtigkeit in Gasspeicheranlagen. Sie eignen sich ebenso für Anwendungen wie die Überwachung der Dehydratisierung von Erdgas, die Bestätigung der Feuchtigkeitsgehalte im Gas nach internationalen Richtlinien in Erdgas-Depots und Übertragungseinrichtungen oder die Feuchtigkeitskontrolle in Stickstoff.

Schwingquarz-Technologie

Bild3 – Promet EExd Prozessfeuchteanalysator

Der Prozessfeuchte-Analysator Promet EExd ist für den Einsatz im Ex-Bereich vorgesehen und basiert auf der Messtechnologie keramischer Spurenfeuchtesensoren.

Ein hygroskopisch beschichteter Quarzoszillator einer sogenannten Quarzkristall-Mikrowaage (Quartz Crystal Microbalance, QCM) dient als Grundlage der Schwingquarz-Technologie. Über diesen wird Messgas geleitet, die adsorbierte Feuchtemenge ist proportional zum Feuchtegehalt des Messgases. Aus der Masseänderung des Quarzoszilators folgt eine Frequenzänderung, die ebenfalls proportional zur adsorbierten Feuchtemenge ist und über die Messelektronik in Feuchtewerte umgerechnet wird.

Feuchteanalysatoren, die auf der Schwingquarz-Technologie beruhen, sind die erste Wahl, wenn minimale Detektionslimits eine Rolle spielen. Was ihnen im Vergleich zu TDLAS-Geräten an Genauigkeit fehlt, gleichen sie durch besonders hohe Empfindlichkeit aus. Untere Detektionslimits von unter 0,1 ppmV sind problemlos möglich – und nötig, um beispielsweise die Bildung von Eis in kryogenischen Prozessen zu verhindern. Neben der hohen Messempfindlichkeit schätzen vor allem Anwender in der Kohlenwasserstoff verarbeitenden Industrie die integrierte Selbstkalibrierung. Sie sorgt für eine regelmäßige Verifikation des Messinstruments und passt es damit an graduelle Veränderungen in der Messempfindlichkeit und Änderungen in der Zusammensetzung des Hintergrundgases oder anderer Parameter an. Auch in Hinsicht auf den typischen Verwendungszweck im Detektionsbereich unter 1 ppmV sorgt diese Selbstverifikation für Sicherheit beim Anwender. Beispiele sind die Verflüssigung von Gas, kryogene Extraktionsanlagen zur Entfernung von Erdgasflüssigkeit, oder im Raffinerie-Reformer-Kreislaufgas, wo Spuren stark aggressiven Salzsäuredampfs vorkommen und den Sensor beeinträchtigen können.

Mit der neuesten Generation der QCM-basierten Analysatoren wurden auch die bisher oft bemängelten, relativ hohen Instandhaltungskosten reduziert. Verlängerte Wartungsintervalle und ein modulares Design sorgen für geringeren Wartungsaufwand. QCM-Geräte eignen sich überall dort, wo höchste Detektionsempfindlichkeit wichtig ist: Beim Trocknen von Erdgas mittels Molekularsieb oder Glycol, dem Transport und der Speicherung von Erdgas oder der Überwachung von Recyclinggas beim katalytischen Reforming. Auch bei der Qualitätsüberwachung in der Ethylenproduktion kommen sie zum Einsatz.

Keramische Sensoren

Bild4 – Liquidew_I_S Prozessfeuchteanalysator für Flüssigkeiten

Der Prozessfeuchte-Analysator für Flüssigkeiten Liquidew I.S. …

Keramische Feuchtigkeitssensoren basieren auf der Anlagerung von Wasser an eine Aluminiumoxidschicht. Die Menge der durch Adsorption gebundenen Wassermoleküle korreliert mit der Luftfeuchtigkeit der Umgebung und beeinflusst die Leitfähigkeit der Oxidschicht, was mittels Impedanzmessungen leicht auszuwerten ist.

Bild5 – Easidew PRO I_S_ Keramik-Spurenfeuchtesensor

… verwendet einen Keramik-Spurenfeuchtesensor Easidew PRO I.S.

Als älteste und lange etablierte Technologie zur Prozessfeuchtemessung bieten diese Sensoren ebenfalls viele Vorteile. Neben niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten verbuchen sie hohe Toleranzen gegenüber Änderungen der Zusammensetzung des Gasstroms für sich. Gleichzeitig haben sie einen großen Messbereich, sowohl für den Taupunkt als auch für den Feuchtigkeitsgehalt.
Genau wie an der QCM-Technologie wurden in den letzten 20 Jahren ständig Weiterentwicklungen und Verbesserungen vorgenommen. Während frühere Generationen der Sensordrift unterlagen, keine Temperaturkompensation boten und bei plötzlichen Druckänderungen im System mechanische Schäden davontrugen, sind diese Probleme in heutigen keramischen Spurenfeuchtesensoren beseitigt.

Systembedingt benötigen Sie mehr Zeit für eine Messung als die bisher genannten Sensortypen, einen Nachteil, den sie an anderer Stelle mehr als wettmachen: Unter allen verfügbaren Technologien zur Messung von Feuchtigkeit in Kohlenwasserstoffprozessen sind Aluminiumoxidsensoren bei weitem die vielseitigsten. Sie decken einen Messbereich von etwa 23.000 ppmv auf der nassen bis 10 ppbv auf der trockenen Seite ab – eine Messung über neun Größenordnungen mit einem einzigen Sensor.

Die bei Bestimmung des Taupunktes auf 1 bis 2 °C genauen Sensoren eignen sich sowohl für die Messung von Feuchtigkeit in Gasen als auch in Flüssigkeiten, woraus sich eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten ergibt. So finden sie zum Beispiel bei der Überwachung gelöster Feuchtigkeit in Naphta-Einsatzmaterial Verwendung oder in anderen Prozessen, bei denen hohe Siedepunkte die Dampfphasenmessung mittels TDLAS oder QCM verhindern. Außerdem lässt sich mit Aluminiumoxidsensoren im Gegensatz zu TDLAS und QCM der Taupunkt bei Leitungsdruck messen. Dies ist für Erdgas-Pipelines in Regionen von Vorteil, in denen vertragliche Spezifikationen einen zulässigen Grenzwert für den Taupunkt bei Leitungsdruck vorgeben und nicht für den Feuchtigkeitsgehalt.

Auch die Kosten sind gut überschau- und vor allem kalkulierbar. Aluminiumoxidsensoren sind unter den genannten Sensorlösungen die preiswerteste in der Anschaffung, und Wartungskosten lassen sich durch Teilnahme an Serviceprogrammen minimieren. Diese sogenannten „Sensoraustauschprogramme“ ermöglichen eine einfache und gleichzeitig günstige jährliche Rekalibrierung sowie minimale Stillstandszeiten. Der „alte“ Sensor wird ausgebaut und durch einen neuwertigen ersetzt. Damit liegen die Kosten auf zehn Jahre gerechnet unter denen für QCM oder TDLAS-Analysatoren.

www.michell.com

Heftausgabe: Juni/2019
Rolf Kolass, Michell Instruments

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Rolf Kolass, Michell Instruments
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