Probenintegrität in analytischen Instrumentierungssystemen sicherstellen: Best Practices

Tipps zur Erhaltung einer repräsentativen Probe in einem analytischen Instrumentierungssystem

Karim Mahraz, Swagelok Product Manager, Analytical Instrumentation

Ziel eines analytischen Instrumentierungs- (AI-) Systems ist es, ein zeitnahes analytisches Ergebnis zu liefern, das das Fluid in der Prozessleitung zum Zeitpunkt der Probenentnahme repräsentiert. Wenn die Probe durch die AI-Systemkonfiguration so verändert wird, dass das analytische Ergebnis abweicht, ist die Probe nicht mehr repräsentativ, und das Ergebnis ist nicht mehr sinnvoll oder nützlich. Selbst bei korrekter Entnahme am Entnahmepunkt kann die Probe unter folgenden Bedingungen nicht mehr repräsentativ werden:

• Tote Beine (Deadlegs) an ungeeigneten Stellen im Prozessleitsystem führen zu einem „statischen Leck“ – einem Ausbluten oder Lecken der alten Probe in die neue Probe
• Die Probe wird durch Kontamination oder Adsorption verändert
• Das chemische Gleichgewicht wird durch einen partiellen Phasenwechsel gestört
• Die Probe durchläuft eine chemische Reaktion

Tote Beine (Deadlegs) verstehen

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Mischvolumen und Toten Beinen zu verstehen. Ein Mischvolumen ist ein Reservoir mit separatem Ein- und Auslass, wie ein Filter oder Abscheider. Fluid strömt, oft langsam, durch ein Mischvolumen. Ein Totes Bein hingegen ist typischerweise eine T-Formation mit einem Verschluss am Ende, sodass kein Durchfluss stattfindet (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. In dieser Totes-Bein-Konfiguration sickert alte Probe, die im T-Stück gefangen ist, in den Hauptfluidstrom und kontaminiert die neue Probe.

Beispiele für Tote Beine sind Druckmessgeräte, Transducer, Laborprobenahmeventile oder Sicherheitsventile. Sie können berechnen, wie schnell ein Mischvolumen eine alte Probe ausspült, aber das gilt nicht für ein Totes Bein. Ein Totes Bein hält die alte Probe zurück und lässt einen kleinen Teil davon mit der neuen Probe mischen und kontaminieren sie.

Tote Beine können sich ohne Intervention auflösen – oder auch nicht. Sie verhalten sich nicht vorhersagbar. Generell werden Tote Beine problematischer, je höher das Verhältnis von Länge zu Durchmesser ist. Zusätzlich verstärkt geringerer Durchfluss in der Analysatorenleitung den Effekt des Toten Beins. Ein Druckmessgerät mit einem Totes-Bein-Volumen von 10 cm³ hat bei hohem Durchfluss vielleicht wenig Effekt, aber bei niedrigem Durchfluss (z. B. 30 cm³/min) könnte es – an der falschen Stelle platziert – die gesamte Anwendung beeinträchtigen.

Hier einige allgemeine Richtlinien zu Toten Beinen:

• Hohe Durchflussraten wann immer möglich nutzen
• Komponentendesign wählen, das Tote Beine minimiert oder eliminiert
• Bei Installation sicherstellen, dass der Endanschluss die Länge des Toten Beins minimiert
• Tote Beine in den Bypass-Loop verlegen, sodass nur die minimal notwendige Anzahl Totes-Bein-Komponenten in der direkten Leitung mit aktivem Fluss zum Analysator verbleibt
• T-Stücke und 2-Wege-Kugelhähne durch 3-Wege-Kugelhähne ersetzen

Abbildung 2. Fünf Tote Beine in dieser Konfiguration bergen das Risiko, die Probe zu kontaminieren.

Abbildung 3. Eine Variation von Abbildung 2, diese Konfiguration führt Designverbesserungen ein, die die Toten Beine eliminieren oder an Stellen verschieben, wo sie den Analysatorwert nicht beeinflussen.

In den meisten Prozessleitsystemen können Totes-Bein-Komponenten so positioniert werden, dass die meisten nicht in direkter Linie mit aktivem Fluss zum Analysator stehen. Totes-Bein-Komponenten können in einen Bypass-Loop platziert werden und erfüllen dort weiterhin ihren Zweck. Ein Bypass-Loop (oder Fast Loop) ist eine Konfiguration, die relativ schnellen Fluss in einer Schleife mit Rückführung zur Prozessleitung ermöglicht. An einem Punkt in der Schleife wird ein Teil des Flusses zum Analysator abgelenkt. Abbildung 2 zeigt ein System mit fünf Toten Beinen. Abbildung 3 zeigt eine Variation mit folgenden Verbesserungen:

• Zwei Druckmessgeräte werden in einen Bypass-Loop verlegt
• Ein Druckmessgerät wird ohne Ersatz entfernt
• Der Kalibriergas-Einlass wird in das Stromwahlsystem verlegt
• Die Laborprobenentnahme wird in einen Strömungskreis verlegt, der an einem Filter beginnt

Wenn mehrere Fluidströme über ein Stromwahlsystem zum selben Analysator laufen, sollten Komponenten mit Toten Beinen, wann immer möglich, vor dem Stromwahlsystem in einem Bypass- oder Rückführkreis platziert werden, um die Möglichkeit von Querstromkontamination zu minimieren. Gleiches gilt für Komponenten mit „Gedächtnis“ – also Komponenten mit großer Oberfläche (Filter) oder permeablen Materialien wie Elastomere. Beispiel: Anstatt einen Filter nach dem Stromwahlsystem zu platzieren, ist es besser, mehrere Filter zu beschaffen und sie vor dem Stromwähler zu platzieren – einen in jeder der mehreren Leitungen. Ebenso ist es nicht ratsam, einen Laborprobenanschluss mit T-Stück und Schnellkupplung nach dem Stromwahlsystem zu platzieren, da die T-Konfiguration ein Totes Bein ist, das Querstromkontamination verursachen kann.

Abbildung 4. Schnellkupplungs-Laborprobenanschlüsse befinden sich auf Bypass-Loops vor dem Stromwahlsystem. So erzeugen sie keine Toten Beine auf einer von Probenströmen geteilten Leitung.

Eine ideale Konfiguration, wie in Abbildung 4 gezeigt, platziert den Laborprobenanschluss auf einem Bypass-Loop – einem separaten Bypass-Loop für jede Probenleitung – vor dem Stromwahlsystem. Der Laborprobenanschluss, Messgeräte und andere Tote Beine können auf dem Bypass-Loop platziert werden, stromabwärts des Punkts, an dem Fluss zum Analysator abgelenkt wird. Ein zusätzlicher Vorteil: Während ein Strom zum Analysator läuft, fließen die anderen Ströme durch ihre jeweiligen Bypass-Loops weiter, wodurch die Probe aktuell bleibt. Komponenten mit begrenztem Gedächtnis, die sicher nach dem Stromwahlsystem platziert werden können, umfassen einige hochwertige Regler, Absperrventile, Rückschlagventile und Durchflussmesser. Bei Flüssigproben, wenn der Druckabfall durch den Analysator minimal ist, können Totes-Bein-Komponenten wie Messgeräte nach dem Analysator platziert werden.

Die Verwendung einer Double-Block-and-Bleed (DBB) Konfiguration – bestehend aus zwei Absperrventilen und einem Entlüftungsventil zum Vent – ist ein etablierter Industriestandard – und das aus gutem Grund: Sie schützt vor Kontamination zwischen Fluidströmen. Diese Konfiguration sollte immer dann verwendet werden, wenn eine beabsichtigte Sperre zwischen zwei Fluidströmen besteht, die getrennt bleiben müssen. DBB ist die Basis aller Stromwählsysteme.

Über die Komponentenplatzierung hinaus ist auch die Komponentenauswahl ein wichtiger Faktor im Prozessleitsystem-Design. Komponenten variieren in der Menge des toten Raums, den sie enthalten. Der Systemdesigner sollte Querschnittszeichnungen prüfen und nach totem Raum suchen. Der Strömungspfad durch ein Ventil oder eine Baugruppe sollte glatt und ohne scharfe Richtungsänderungen sein, die Druckabfall verursachen könnten.

Leckagen und Permeation

Leckagen und Permeation erfolgen in Richtung des niedrigeren Partialdrucks. Um zu bestimmen, ob Leckagen oder Permeation ein Problem für ein System darstellen, identifizieren Sie die Probenzusammensetzung und ihren Absolutdruck, und tun Sie dasselbe für die Atmosphäre außerhalb des Systems. Daraus bestimmen Sie den Partialdruck. Beispiel: Ist das Systemmedium 100 % Stickstoff bei 100 psia, beträgt der Partialdruck des Stickstoffs 100 psia. Und vereinfacht: Besteht die Atmosphäre aus 80 % Stickstoff und 20 % Sauerstoff bei 15 psia, betragen die Partialdrücke Stickstoff 12 psia, Sauerstoff 3 psia. Unter diesen Bedingungen wird Sauerstoff in das System eindringen und Stickstoff aus dem System entweichen. Selbst bei Erhöhung des Systemdrucks auf 200 psia, 1000 psia oder höher würde Sauerstoff aus der Atmosphäre dennoch eindringen, da der Partialdruck für Sauerstoff außerhalb des Systems größer ist als innerhalb.

Permeation ist nicht immer ein Problem. Eine kleine Menge Sauerstoff, die in die Probe eindringt, mag je nach Anwendung irrelevant sein. Wenn Permeation ein potenzielles Problem ist, sollte der Systemdesigner O-Ringe, Elastomere und PTFE vermeiden und stattdessen Edelstahl und Metall-zu-Metall-Dichtungen einsetzen. Eine weitere Möglichkeit ist, das Probenkonditionierungssystem oder andere Systemteile in einer stickstoffgespülten Box einzuschließen.

Designkonfigurationen mancher pneumatischer Ventile erlauben Leckagen oder Permeation zwischen Probe und Antriebsluft. Der Aktuator eines Ventils kann integraler Bestandteil des Ventildesigns sein, wie bei Miniatur-Modulventilen. Mit anderen Worten: Ventilkörper und Aktuator sind im selben Block enthalten und können nur durch eine einzelne Dichtung, wie einen O-Ring, getrennt sein. Versagt diese einzelne Dichtung, können Moleküle aus der pneumatischen Luft in die Probe lecken oder Moleküle aus der Probe in die Antriebsluft entweichen. Solche Leckagen können zu fehlerhaften Analysenwerten führen oder schlimmeres – Feuer oder Explosion verursachen. Bei integralen Aktuatoren achten Sie auf Ventile mit Doppeldichtungen und Sicherheitsvorkehrungen wie einem belüfteten Luftspalt, der Luft- oder Prozesslecks sicher entweichen lässt (Abbildung 5).

Abbildung 5. In dieser Zeichnung eines Double-Block-and-Bleed-Ventils schützen Doppeldichtungen und ein belüfteter Luftspalt vor dem Eindringen von Antriebsluft in den Fluidstrom.

Adsorption

Adsorption bezeichnet die Tendenz mancher Moleküle, an festen Oberflächen zu haften, einschließlich der Rohrinnenseiten. Manche Moleküle wie Stickstoff, Sauerstoff und andere „permanente Gase“ haften an festen Oberflächen, lassen sich aber leicht wieder ablösen. Andere Moleküle wie Wasser und Schwefelwasserstoff haften fest an der Rohrwand. Wenn eines dieser „klebrigen“ Moleküle in der Probe ist, haftet es an der Rohrinnenseite und taucht im Analysenwert für einige Zeit nicht auf.

Manche Betreiber glauben, sobald die Rohrinnenseiten gesättigt sind, verschwindet das Adsorption-Problem – das ist nicht wahr. Angenommen, die Rohrtemperatur steigt durch tägliche Änderungen der Sonneneinstrahlung. Höhere Temperaturen geben Molekülen mehr Energie, sodass sie die Rohrwände verlassen und Änderungen im Analysenwert verursachen.

Wenn die gemessenen Moleküle mehr als 100 ppm in Ihrer Probe ausmachen, wird Adsorption wahrscheinlich keine große Rolle spielen. Liegt der Anteil jedoch darunter, muss Adsorption adressiert werden. Eine elektropolierte Innenoberfläche des Rohrs oder PTFE-Auskleidung bietet marginale Verbesserungen der Adsorptionsrate. Eine weitere Option ist siliziumausgekleidetes Rohr. Während der Herstellung wird eine sehr dünne Siliziumschicht auf die Rohrinnenseite aufgebracht. Obwohl das Produkt teuer ist, ist die Verbesserung dramatisch. Das Rohr bleibt flexibel mit der Siliziumauskleidung, obwohl der minimale Biegeradius zunimmt.

Phasenerhalt

Eine repräsentative Probe zu erhalten, erfordert das Vermeiden eines partiellen Phasenwechsels in der Probe. Moleküle nehmen unterschiedliche Phasen an – fest, flüssig, gasförmig oder Gemisch – abhängig von Temperatur und Druck im System. Der Punkt, an dem Phasenwechsel für jedes Molekül beginnen, ist unterschiedlich, wie im Phasendiagramm dargestellt, mit Temperatur auf einer Achse und Druck auf der anderen. Abbildung 6 zeigt die Zusammensetzung von Wasser. Durchgezogene Linien zeigen die Grenzflächen zwischen den Phasen.

Abbildung 6. Das Phasenwechsel-Diagramm zeigt die Punkte, an denen Wasser zwischen fest, flüssig und gasförmig wechselt.

Eine analytische Probe besteht meist aus mehr als einer Molekülart. Es ist wichtig, die Zusammensetzung der Probe zu bestimmen (d. h., welcher Prozentsatz aus Molekül A, welcher aus Molekül B usw. besteht).

Solange die Probe vollständig flüssig oder vollständig gasförmig bleibt, bleibt die Zusammensetzung gleich. Erlauben wir jedoch einen partiellen Phasenwechsel der Probe, ändert sich unsere Zusammensetzung. Abbildung 7 zeigt ein Phasendiagramm für ein Molekülgemisch. An jedem Punkt zwischen flüssiger und Dampfphase gibt es eine Zweiphasenkombination – was zu unterschiedlichen Zusammensetzungen führt. Mit anderen Worten: Die Probe hat sich in zwei verschiedene Zusammensetzungen fraktioniert, und der Analysator kann die ursprüngliche Zusammensetzung nicht mehr bestimmen.

Abbildung 7. Phasendiagramm für ein Molekülgemisch

Die Herausforderung für den Analysator-Ingenieur und -Techniker ist, Druck und Temperatur in Zonen zu halten, die die gesamte Probe in einer Phase durch das analytische System hindurch bewahren. Für eine Gasprobe ist die einfachste Lösung der Einbau eines Reglers, der den Druck senzt. Zusätzlich können, falls nötig, die Probenleitungen beheizt und mit isolierten, gebündelten Rohren auf hoher Temperatur gehalten werden. Sowohl Regler als auch gebündelte Rohre sind relativ einfache Komponenten zur Installation und Wartung.

Bei Flüssigproben sind die Herausforderungen etwas größer. Eine Pumpe kann den Druck erhöhen, und falls nötig, können Kühler installiert werden. Leider sind weder Pumpen noch Kühler besonders einfache Komponenten zur Installation und Wartung, obwohl sie notwendig sein können.

Fazit

Eine repräsentative Probe zu erhalten, kann herausfordernd sein. Es gibt keinen Alarm in einem analytischen Instrumentierungssystem, der ankündigt, dass die Probe nicht mehr repräsentativ ist. Der einzige Weg, das Problem aufzudecken, ist, die Punkte zu kennen, an denen das Probenahmesystem straucheln kann. Glücklicherweise sind all diese Probleme vermeidbar oder korrigierbar. Die meisten Korrekturmaßnahmen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Komponentendesign und seine Limitationen kennen (Tote Beine, toter Raum, Leckage von Antriebsluft)
• Die richtigen Fragen an den Fluidsystemanbieter stellen (z. B. zu Ventildruckstufen, Querschnittszeichnungen, Spülbarkeitsdaten)
• Komponenten an der richtigen Stelle im Prozessleitsystem platzieren (z. B. im Bypass-Loop, auf der einen oder anderen Seite des Stromwahlsystems)
• Ermitteln/Berechnen, ob Adsorption auftritt oder relevant ist (basierend auf Partialdruck)
• Wissen, welche Materialien oder Designs Leckagen, Permeation und Adsorption verhindern
• Richtigen Druck und Temperatur für Phasenerhalt berechnen und einhalten, basierend auf Phasendiagrammen

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