Top 8 Genauigkeitsherausforderungen bei Prozessanalysatoren und wie man sie überwindet

Probenahmesysteme: 8 häufige Genauigkeitsherausforderungen bei Prozessanalysatoren

Tony Waters, Experte und Ausbilder für Probenahmesysteme

Probenahmesysteme zählen zu den komplexesten Anlagen in einer Produktionsstätte. Sie umfassen zahlreiche Komponenten und Prozesse, die zusammenarbeiten müssen, um eine analytische Messung der Prozessstrombedingungen zu liefern. Dieses Ergebnis muss sowohl präzise als auch zeitnah sein, da es zur Erreichung der Steuerungsziele der Anlage verwendet wird. Dennoch wissen Ingenieure und Techniker, dass ein Probenahmesystem anspruchsvoll sein kann. Jedes Element des Systems kann die Genauigkeit des Prozessanalysators beeinflussen. Um Ihr Team bei der Verbesserung der Analysatorzuverlässigkeit zu unterstützen, haben Swagelok-Feldein Ingenieure acht häufige Herausforderungen identifiziert, die die Genauigkeit eines Systems beeinträchtigen.

Auswirkungen auf die Analysatorgenauigkeit

Konstruktionsfehler in Probenahmesystemen können die Probenintegrität gefährden, indem sie Folgendes beeinflussen:

• Repräsentativität:  Konstruktionsmängel können dazu führen, dass die Probe den Prozess nicht genau abbildet und sogar die chemische Zusammensetzung des Prozessfluids auf unvorhergesehene oder unbeabsichtigte Weise verfälscht. Das System benötigt eine repräsentative Probe, um sicherzustellen, dass die Messung den Steuerungszielen entspricht.
• Zeitlichkeit:  Wenn eine übermäßige Zeitverzögerung zwischen der Probenahme und der Erlangung eines Analysatorergebnisses auftritt, riskiert die Anlage Produktverluste oder kostspielige Nachbearbeitung zur Korrektur eines Produktionsfehlers. Eine branchenübliche Reaktionszeit beträgt eine Minute. 
• Kompatibilität:  Wenn Temperatur, Druck, Durchfluss und/oder Aggregatzustand nicht den Anforderungen des Prozessanalysators entsprechen, kann die Probe den Analysator beschädigen oder dessen Genauigkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus tragen genaue Analysatorergebnisse dazu bei, eine sichere Betriebsumgebung aufrechtzuerhalten, indem sie potenziell gefährliche Betriebsbedingungen kennzeichnen.

Identifizierung & Bewältigung häufiger Herausforderungen

Herausforderung 1: Ungeeignete Entnahmestellen

Die Wahl einer Entnahmestelle kann eine differenzierte Entscheidung sein. Ein Ziel ist die Vermeidung von Zeitverzögerungen. Befindet sich die Entnahmestelle in einem Niedrigdurchflussbereich des Prozessrohrs, dauert es länger, bis Änderungen in den Prozesschemikalien in einem analytischen Ergebnis sichtbar werden. Mischvolumen, wie ein Kolonnenboden, Tank oder Trommel, sind ebenfalls eine große Quelle für Verzögerungen. Darüber hinaus sollten Systemdesigner einen Ort wählen, an dem die Probe gut durchmischt ist, beispielsweise stromabwärts von induzierter Turbulenz durch eine Pumpenauslassöffnung, eine Drosselblende oder einen Rohrbogen.

Herausforderung 2: Falsche Verwendung von Entnahmelanzen

Bei der Verwendung einer Entnahmelanze zur Probenahme sollte diese idealerweise lang genug sein, um das mittlere Drittel des Prozessrohrs zu erreichen, damit eine repräsentative Probe entnommen wird. Zudem erhält man nahe der Rohrmitte ein zeitlicheres Ergebnis, da die Strömung dort schneller ist. Allerdings sollte stets die maximal zulässige Länge berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Lanze nicht unter Resonanzschwingungen leidet. Manchmal reicht bereits ein Eintritt von 15 % in den Rohrdurchmesser aus. Die Lanze sollte nicht breiter als notwendig sein, da große Volumen zu Zeitverzögerungen führen. Wird nur eine Düse ohne Lanze verwendet, wird das System wahrscheinlich ein viel größeres Volumen aufweisen, was zu erheblichen Verzögerungen führt.

Herausforderung 3: Falsche Feldstationsauslegung

Bei einer Gasprobe möchten Systemdesigner den Druck so schnell wie möglich reduzieren (auf 10–15 psig, oder sogar 5 psig, wenn das Systemdesign dies zulässt). Hochdruckgase bewegen sich langsamer, da die Moleküle dicht gepackt sind, was zu Zeitverzögerungen führt. Zudem verringert niedriger Druck das Kondensationsrisiko, was vermieden werden sollte, da es mit vielen Gasprozessanalysatoren nicht kompatibel ist und die Repräsentativität der Probe beeinträchtigt. Ein weiterer Grund für die Aufrechterhaltung niedrigen Drucks ist die Sicherheit für Bediener und Techniker.

Ein Druckminderer an der Feldstation reduziert den Druck in der Probe, sodass sie schneller zum Analysator strömen kann.

Herausforderung 4: Verzicht auf einen Bypass (Fast Loop)

Beim Verdampfen einer Flüssigprobe benötigt Ihr Probenahmesystem möglicherweise einen Bypass (Fast Loop) stromaufwärts des Verdampfungsreglers. Andernfalls kann die Flüssigprobe zu langsam fließen, was zu Zeitverzögerungen führt, da ein kleines Flüssigvolumen ein großes Gasvolumen ergibt. Ohne Bypass können sich mehr als 100 ml langsam fließendes Flüssigvolumen stromaufwärts des Reglers befinden, was zu vielen Stunden Zeitverzögerung führen könnte.

Herausforderung 5: Tote Beine (Deadlegs)

Tote Beine beeinträchtigen die Repräsentativität einer Probe, indem sie alte Probenmoleküle speichern und diese langsam in die neue Probe abgeben. Jeder T-Stück oder Kreuzstück in der Probenleitung ist ein totes Bein, es sei denn, alle seine Anschlüsse werden durchströmt. Beispiele hierfür sind Messgeräte oder Schalter, Sicherheitsventile oder Laborprobenentnahmestellen. Tote Beine beeinträchtigen ein Analyseergebnis eher, wenn von einem Hochkonzentrations- auf einen Niedrigkonzentrationsstrom umgeschaltet wird. Sie sind auch bei niedrigem Durchfluss eher problematisch. Tote Beine in einer direkten Leitung zum Analysator sollten versetzt oder entfernt werden.

Herausforderung 6: Querstromkontamination

Ein einzelnes Dreiwegeventil stellt keine ausreichende Barriere zwischen Kalibrierflüssigkeit und Probe dar. Bei dieser Anordnung kann die Kalibrierflüssigkeit über den Ventilsitz lecken und die Probe verunreinigen – oder wahrscheinlicher, die Prozessstromprobe könnte in die Kalibrierflüssigkeit gelangen. Beide Szenarien verfälschen die Analyse. Eine bessere Konfiguration ist ein Double-Block-and-Bleed-Aufbau, der sicherstellt, dass jegliche Leckage von einem blockierten Anschluss in eine Entlüftungs- oder Ablassleitung und nicht in die Probe gelangt.

Herausforderung 7: Ungeeignete Temperatur und Druck

Achten Sie auf Phasenänderungen in Ihren Proben, da Sie einen teilweisen Phasenwechsel verhindern möchten. Mehrphasige Proben sind nicht repräsentativ und wahrscheinlich nicht mit Ihrem Analysator kompatibel. Es ist nicht schwierig festzustellen, ob Ihre Probe die Phase wechselt. Ein Softwareprogramm kann ein Phasendiagramm für die chemische Zusammensetzung Ihres Systems erstellen. Als Faustregel gilt: Halten Sie Gasproben oberhalb des Taupunkts (damit sie nicht kondensieren) und Flüssigproben unterhalb ihres Siedepunkts (damit leichtere Komponenten nicht ausdampfen). Wenn Sie Ihre Leitung beheizen, müssen Sie die gesamte Leitung beheizen, da bereits wenige Zentimeter unbeheizter Leitung ausreichen, um die Temperatur zu senken und Kondensation zu verursachen. Streben Sie an, Gase etwa 20 °C über dem Taupunkt zu halten.

Herausforderung 8: Ungeeignete Probenkonditionierung

In einem Probenkonditionierungssystem möchten Sie Flüssigkeiten aus einer Gasprobe entfernen, da diese Ihren Prozessanalysator beschädigen und Ihr Analyseergebnis beeinträchtigen können. Große Tropfen in einer Gasprobe können durch Schwerkraft (über einen Abscheider oder Fallrohr) oder Trägheit (über einen Zyklonabscheider) entfernt werden. Sehr feine, als Aerosol schwebende Tröpfchen erfordern jedoch einen Koaleszer. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass Koaleszer keine großen Tröpfchen herausfiltern. Zudem werden bei zu hoher Durchflussrate kleinere Tröpfchen durch die Elemente des Koaleszers gedrückt und tropfen nicht wie gewünscht ab. Schließlich ist die Probe beim Verlassen des Koaleszers gesättigt – nahe am Taupunkt und kurz vor erneuter Kondensation. Es ist hilfreich, sich vom Taupunkt zu entfernen, indem man die Temperatur erhöht oder den Druck senkt. Ein Druckabfall kann mit einer Nadelventil erzeugt werden.

Weitere Informationen zur Identifizierung und Bewältigung von Bedrohungen für die Genauigkeit von Prozessanalysatoren in Probenahmesystemen finden Sie in den praxisorientierten Schulungen von Swagelok zu Probenahmesystemen oder wenden Sie sich an Ihr lokales Swagelok-Verkaufs- und Servicecenter für ein Exemplar von Industrial Sampling Systems, dem Lehrbuch, auf dem Swageloks Schulungen basieren.