Modularität gleich Flexibilität

Modulare Mikro-Technologie für den Prozess

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12.03.2012 In Bereichen, in denen die Gasqualität eine übergeordnete Rolle spielt, kann ein Prozessgaschromatograph (PGC) die Prozesssteuerung positiv beeinflussen. Die Wahl des richtigen Gasanalysensystems unter Berücksichtigung der jeweiligen Bedingungen und Anforderungen ist ebenso entscheidend wie die Prüfung der Kosten, die über die gesamte Laufzeit anfallen. Investitionen, die zunächst günstiger erscheinen, können sich langfristig als wahre Kostentreiber erweisen.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Bei der Analyse von Prozessgasen werden verschiedene Komponenten untersucht, was durch ein neues, modulares System individuell angepasst möglich wird.
  • Das Analysensystem lässt sich prozessnah installieren und ermöglicht so von unterschiedlichen Umwelteinflüssen unverfälschte Messergebnisse.
  • Weitere Module lassen sich implementieren, sodass das System sich beispielsweise in Erdgasaufbereitungsanlagen oder auch bei Erdöl-Raffinerien für Raffinerie- und Kreislaufgase einsetzen lässt.

Im Zeitalter der Globalisierung und einer stetig wachsenden Weltbevölkerung ist ein steigender Energiebedarf unabwendbar. Aktuelle Studien belegen, dass der globale Primärenergieverbrauch bis 2030 dramatisch zunehmen wird und dass allein in den Entwicklungsländern ein um 45 % erhöhter Energiebedarf zu erwarten ist. Steigende Energiekosten sind eine Konsequenz, mit der sich nicht nur die Endverbraucher, sondern auch die Betreiber von Anlagen auseinandersetzen müssen. Eine optimierte Prozesskontrolle kann signifikant dazu beitragen, Kosten zu reduzieren und somit Gewinne zu maximieren.

Analytik vor Ort vornehmen

Die Qualitätskontrolle von Prozessgasen ist für sich genommen ein hochkomplexer Prozess und bedarf einer Analyse von zahlreichen Komponenten, um Betreiberspezifikationen einzuhalten. Hierzu zählt unter anderem die Messung der unterschiedlichen Kohlenwasserstoffketten, die Berechnung der Dichte, des Wobbe-Indexes, des Brenn- sowie des Heizwertes, aber auch die Messung des Feuchte-, Schwefel- und Sauerstoffgehalts sowie des Kohlenwasserstofftaupunkts. In der Regel erfordert dies mehrere verschiedene Typen von Analysengeräten von unterschiedlichen Herstellern, die jeweils innerhalb eines Analysenhauses oder Schutzschrankes integriert werden müssen. Ein Schutzschrank ist grundsätzlich notwendig, um die Geräte vor Umwelteinflüssen wie Umgebungstemperatur und -feuchte zu schützen. Viele Betreiber kennen die Problematik, dass sich diese Schutzbehausungen aufgrund ihrer Größe oftmals weit entfernt von den Probeentnahmepunkten befinden. Ein hoher logistischer Aufwand – auch bedingt durch die notwendigen Wartungsintervalle – ist die Folge und führt für den Anwender automatisch zu erheblichen Mehrkosten.

Ein neu entwickeltes, kompaktes Gasanalysensystem ermöglicht zum einen eine prozessnahe Installation und zum anderen vereint es durch seine modulare Bauweise je nach Kundenbedarf verschiedene Analysengeräte. Der Betreiber profitiert in Bezug auf seine Prozesskontrolle von kurzen Zykluszeiten, hoher Verfügbarkeit und im Vergleich zu klassischen PGCs von deutlich geringeren (Re-)Kalibrierungsanforderungen. Die Anschaffungs- sowie die Betriebskosten, die unter anderem aufgrund des niedrigen Trägergasverbrauchs zustande kommen, verringern sich. Mehrfach-Service- und Wartungsverträge gehören ebenfalls der Vergangenheit an.

Den Anforderungen entsprechende Module kombinieren

Das Konzept des Gasanalysensystems besteht aus unterschiedlich miteinander kombinierbaren Modulen, die sich in einem individuellen Paket für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1 IIC T4 eignen. Der Betreiber hat je nach Prozessaufgabe die Möglichkeit, zum Basismodul, welches in einem Ex p-Gehäuse integriert ist, bis zu fünf weitere optionale Module hinzuzufügen.
Das Basismodul bildet der Mikro-GC mit einer gepackten Säule, die für die Messung von permanenten Gasen wie Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und von kurzkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen von C1 bis C3 ausgelegt ist. Der Mikro-GC basiert vollständig auf der Mikro-Technologie und besteht aus einem Injektor, der vorprogrammierte Probenmengen in den Trägergasstrom injiziert, und einem Wärme-Leitfähigkeits-Detektor (WLD).

Erfordern die Produktspezifikationen auch die Messung von langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen von C4 bis C9, hat der Anwender die Möglichkeit, einen zweiten Mikro-GC zum Gasanalysensystem hinzuzufügen. Dieses Modul ist mit dem Basismodul weitgehend identisch, die Messung erfolgt jedoch mittels einer kapillaren Säule.

Durch ein weiteres optionales Modul lässt sich in Gasgemischen die Feuchte im Bereich der Taupunkttemperatur von -80 bis 20 °C bei einer Genauigkeit von ± 1 K messen. Es setzt sich aus einer Auswerteeinheit und einem Sensor zusammen, welcher keine Querempfindlichkeiten gegenüber Kohlenwasserstoffen, Methanol und Glykol im Messgas aufweist. Das Modul bestimmt die Feuchte auf Basis einer patentierten faseroptischen Methode. Der Zusammenhang zwischen Taupunkt und Feuchtegehalt wird hierbei konform zur DIN EN ISO 18453 berechnet. Das Hinzufügen eines weiteren Sensors, der die Ergebnisse anhand einer abgewandelten Form des Taupunktspiegel-Verfahrens ermittelt, ermöglicht die Bestimmung des Kohlenwasserstofftaupunkts. Der eingesetzte Sensor nutzt dieselbe Auswerteeinheit wie das Feuchte-Modul und trägt so zur Kompaktheit des Gesamtsystems bei.

Die Bestimmung der Schwefelwasserstoff- und Sauerstoffkonzentrationen ist unter sicherheitsrelevanten Aspekten für den Betreiber oft eine Mindestanforderung, sie dient aber auch der Prozesskontrolle. Zur Schwefelwasserstoffmessung steht ein auf der UV-Resonanz-Absorption-Spektrometrie (UV-RAS) basierendes Modul zur Verfügung, das auch im Spurenbereich zuverlässig Messergebnisse ausgibt und einen Messbereich bis 100 Vol. % abdeckt. Alternativ bietet sich die Messung mit einem Modul mit elektrochemischem Messprinzip an, das differenzierbare Messbereiche von 0 bis 100 ppm oder bei Bedarf höheren Konzentrationen ermöglicht.
Für die Sauerstoffkonzentration ist ebenfalls ein Modul auf elektrochemischer Basis vorgesehen, welches je nach Kundenanforderung unterschiedliche Teilmessbereiche innerhalb einer Spanne von 0 bis hoch zu 10.000 ppm abdecken kann. Unter Berücksichtigung kundenspezifischer Anforderungen ist beispielsweise der Einsatz eines Moduls auf paramagnetischer Basis für die Sauerstoffgehaltbestimmung ebenso möglich. Das Gasanalysensystem ist in jeder Konstellation serienmäßig mit einer integrierten Software ausgestattet, die den Brenn- und Heizwert, die Dichte, die relative Dichte und den Wobbe-Index gemäß den Standards ISO 6976 und ASTM D3588 berechnet.

Unverfälschte Messergebnisse durch Implementierung ins System

Um das modulare System nahe dem Probeentnahmepunkt installieren zu können, bietet der Hersteller optional eine komplette Systemintegration an, welche einen klimatisierten Schutzschrank für die Außeninstallation umfasst. Somit stellt der Betreiber sicher, dass Umweltbedingungen wie Temperatur und Feuchte keinen Einfluss auf die Messwerte haben. Das System lässt sich zusätzlich mit einem temperaturgeregelten Gasflaschenschrank und einem kundenspezifisch ausgelegten Probenaufbereitungssystem ausrüsten. Kommunikationsschnittstellen wie Modbus ermöglichen einfaches Handhaben und Überwachen der Ergebnisse per Fernzugriff. Damit hat der Betreiber die Möglichkeit, die komplette Systemlösung aus der Hand eines einzelnen Anbieters zu erhalten.

Im Vergleich zu klassischen PGCs bietet dieses Komplettsystem dem Anwender weitere Vorteile. Aufgrund der Möglichkeit, das komplette Analysensystem in unmittelbarer Nähe der Probenentnahmestelle zu installieren, reduzieren sich mögliche Messfehler, die durch Totvolumen und Temperatureinflüsse entstehen können. Außerdem verringern sich durch die modulare Bauart Wartungs-, Ausfalls- und Instandhaltungskosten erheblich. Da klassische PGCs im Vergleich zu dem neuen Gasanalysensystem mit einem Trägergasverbrauch von maximal 1 ml pro Minute mindestens das Zehnfache verbrauchen, minimieren sich auch die Anforderungen an die benötigte Infrastruktur. Der Betreiber muss Gasflaschen nicht so häufig wie bisher austauschen oder er kann kleinere Flaschengrößen einsetzen. Dies reduziert den Logistik- und Personalaufwand. Die vorprogrammierte Software kann die Kalibrierung dazu automatisch vornehmen. Das Verhältnis des Stromverbrauchs des auf Mikro-Technologie basierenden Gaschromatographen zum klassischen PGC liegt im Durchschnitt bei 1 zu 3 und trägt so ebenfalls zur Kostenreduzierung bei.

Flexibel einsetzbar

Die Marktanforderungen an das modulare Gasanalysensystem variieren je nach Einsatzgebiet. So benötigen einige Anwendungen, zum Beispiel Erdgasaufbereitungsanlagen, Module zur Analyse von kurz- und langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen sowie zur Bestimmung des Feuchte- und Schwefelwasserstoffgehalts und zur Bestimmung des Kohlenwasserstofftaupunkts. Andere Applikationen wiederum benötigen weniger Module.

Eine weitere Anwendung findet sich beispielsweise in Erdöl-Raffinerien, wo sowohl Raffineriegase als auch Kreislaufgase vorkommen. Kreislaufgas besteht in typischer Zusammensetzung hauptsächlich aus Wasserstoff und Verunreinigungen, welche sich wiederum aus Methan, Ethan, Propan, Butan, weiteren Kohlenwasserstoffverbindungen, Wasser und Luft zusammensetzen. Diese Komponenten müssen gemessen/kontrolliert werden, damit das Kreislaufgas immer innerhalb der spezifizierten Toleranz für den Wasserstoffgehalt liegt. Für diese Applikation wird das Gasanalysensystem typischerweise mit dem Basismodul, dem zweiten Micro-Gaschromatographen, dem Schwefelwasserstoffmodul und dem Feuchtemodul angeboten.
Unter Berücksichtigung der knappen Ressourcen hat sich in der jüngsten Vergangenheit die Nutzung einer weiteren Gasquelle ergeben. Heutzutage werden die verschiedenen Gase, die von Mikroorganismen auf Deponien freigesetzt werden, genutzt, um Gas-Otto-Motoren und Gasturbinen anzutreiben, die wiederum Elektrizität und Hitze erzeugen. Das Deponie-Gas besteht typischerweise aus 60 % Methan und 40 % CO2. Zur weiteren Verwendung sind die Werte für die Qualitäts- und Prozesskontrolle entscheidend. Für diese Applikation wird dem Betreiber neben dem Basismodul hier meist die Überwachung der Feuchte, des Schwefelwasserstoff- und Sauerstoffgehalts notwendig erscheinen. Diese Messanforderungen sind oft auch in Biogasaufbereitungsanlagen gestellt.

Betreiber von Anlagen, in denen Gasprozesse überwacht oder gesteuert werden müssen, haben erstmalig eine Alternative zu klassischen PGCs. Die modulare Lösung des Modular Gas Analyzer MGA-nano ermöglicht den Kundenanforderungen gerechte Systemlösungen, die sich nahe dem Prozess installieren lassen und dazu eine dauerhafte Kostenersparnis bieten.

Heftausgabe: März 2012
Gerd Büttner, Bartec Benke GmbH

Über den Autor

Gerd Büttner, Bartec Benke GmbH

David Zengerly, Bartec Benke

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