Expertenleitfaden zur optimalen Düsenplatzierung in Flüssigkeits- & Erdgas-Probenahmesystemen

Wie Sie Düsen in Ihrem Flüssigkeits- & Erdgas-Probenahmesystem positionieren

Karim Mahraz

In einem Flüssigkeits- oder Gasprobenahmesystem wird an der Entnahmestelle eine Düse verwendet, um die Probe dem Analysator zuzuführen. Die richtige Platzierung, Position und Ausrichtung dieser Düse ist entscheidend, um zeitnahe, genaue analytische Messungen zu gewährleisten, daher müssen Sie es richtig machen. Schlechte Düsenplatzierung kann zu Analyseverzögerungen, Probenkontamination und ungenauen Ergebnissen führen.

Idealerweise wird ein Probenahmesystem-Ingenieur die Rohrleitungslayouts und sogar das Prozessbehälterdesign diktieren, um sicherzustellen, dass die Düse richtig positioniert ist. Oft muss ein Ingenieur jedoch mit bestehenden Schemata arbeiten – selbst wenn die Düse nicht richtig positioniert oder ausgerichtet ist. Nachfolgend werden wichtige Überlegungen für Ingenieure überprüft, die mit der Lokalisierung und Konstruktion von Düsen für sowohl Flüssigkeits- als auch Gasprobenahmesysteme beauftragt sind. Zusätzlich empfehlen wir, qualifizierte Analysator-Ingenieure, Prozessingenieure und Chemiker sowie Komponentenlieferanten in verschiedenen Designphasen einzubeziehen, um sicherzustellen, dass jede Variable berücksichtigt wird.

Düsenstandort wählen

Düsen sind typischerweise kurz, mit einem kleineren Durchmesser als die Hauptprozessleitung, von der sie abzweigen. Sie beherbergen oft eine Sonde, die in ihrer einfachsten Form ein metallischer, gläserner oder keramischer Rüssel ist, der in das Prozessfluid ragt und einen kontinuierlichen Fluss von Flüssigkeit oder Gas für die Analyse entnimmt.

Bei der Bestimmung, wo die Düse in einer Pipeline oder einem Behälter positioniert werden soll, wählen Sie einen Ort, an dem das Prozessfluid gründlich gemischt ist, damit Ihre Probe die Prozessbedingungen genau widerspiegelt. Wenn möglich, installieren Sie einen Inline-Static-Mixer in der Prozessleitung. Wenn das keine Option ist, lokalisieren Sie den Anschluss nachgeschaltet von einem Punkt induzierter Turbulenz wie einer Pumpenauslass, einer Durchflussblende oder einem Rohrbogen. Die Turbulenz wird helfen, das Prozessfluid vor der Probenahme zu mischen.

Eine Probenahmeentnahme unmittelbar nach einer Turbulenzquelle ist keine gute Praxis. Die Turbulenz verursacht Druckschwankungen und Wirbelströme – von denenいずれ die analytischen Messungen beeinflussen kann.

Gasprobenahme

Sie sind besser bedient, den Anschluss mindestens zwei Rohrdurchmesser nachgeschaltet der letzten Strömungsstörung zu platzieren. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) empfiehlt diese Praxis. Sie erlaubt zwei Standorte für manuelle Schornsteingasprobenahme:

1. Mindestens acht Schornstein- oder Kanal-Durchmesser nachgeschaltet und zwei Durchmesser aufwärts von jeglicher Strömungsstörung; oder
2. Mindestens zwei Schornstein- oder Kanal-Durchmesser nachgeschaltet und ein halber Durchmesser aufwärts von jeglicher Strömungsstörung.

Die EPA betrachtet den ersten Standort als ideal. Wenn die erste Regel nicht erfüllt werden kann, erfordern EPA-Richtlinien zusätzliche Probenahmepunkte, um gegen die Möglichkeit der Schichtung abzusichern.

Flüssigkeitsprobenahme

Für Pipeline-Probenahme lokalisieren Sie Ihren Anschluss mindestens zwei Rohrdurchmesser nachgeschaltet der letzten Strömungsstörung – überall, wo er nicht mit einem Durchflussmess-Element interferiert. Wenn das Prozessfluid jedoch eine Flüssigkeit ist, die nahe an ihrem Blasenpunkt ist, ist es klug, konservativer zu sein. Um Blasen in Ihrer Probe zu vermeiden, lokalisieren Sie den Anschluss, wo mindestens fünf Rohrdurchmesser gerades, freies Rohr aufwärts und zwei Durchmesser abwärts vorhanden sind.

Dampfprobenahme

Wenn der zu probierende Strom ein Dampf bei oder nahe seiner Taupunkttemperatur ist, wird der Anschlussstandort kritischer. Einige Kondensation kann an Druckpunkten in der Nähe von Strömungsstörungen auftreten; Sie wollen nicht, dass Ihre Gasprobe flüssiges Kondensat enthält. Um dieses Potenzial zu minimieren, erfordert eine europäische Norm (ISO 10715 1997, 13) für die Messung von Erdgas, dass der Probenahmeanschluss mindestens 20 Rohrdurchmesser nachgeschaltet der letzten Strömungsstörung liegt; die relevante amerikanische Norm (API MPMS 14.1 2006, 15) erfordert mindestens fünf Rohrdurchmesser. Wenn das Rohr eine andere Sonde enthält, wie ein Thermowell, sollte die Probenahmesonde mindestens fünf Thermowell-Durchmesser vom Thermowell entfernt positioniert werden.

Noch größere Trennung ist für isokinetische Probenahme erforderlich, die verlangt, dass die Geschwindigkeit in der Sonde der im Prozessrohr entspricht. Zum Beispiel empfiehlt die relevante amerikanische Norm (ASTM D1066) für gesättigten Dampf, dass der Probenahmeanschluss mindestens 35 Rohrdurchmesser nachgeschaltet und vier Rohrdurchmesser aufwärts einer Strömungsstörung liegt. Da diese Trennung schwer zu erreichen sein kann, schlägt ASTM vor, dass nicht-konforme Standorte ein 9:1-Verhältnis von aufwärts zu abwärts Distanzen beibehalten.

Eine Düse konstruieren

Wenn Sie in die Designphase eintreten, werden Sie feststellen, dass das Düsendesign, einschließlich der Ausrichtung, stark von den Bedürfnissen der Sonde abhängt. Düsen- und damit Sondenstandort und -ausrichtung können beeinflussen, wie Partikel innerhalb eines Prozessstroms die Analyse beeinflussen. Die korrekte Düsen- und Sondenplatzierung kann das Potenzial minimieren, dass Partikel in die Sonde gelangen, wo sie die Probe kontaminieren oder sich ansammeln und schließlich die Sonde blockieren können.

Der einfachste Weg, eine Düse zu konstruieren, ist, einen weiblichen Gewinde-Boss an eine Pipeline zu schweißen und ihn durchzubohren. Zuerst schweißen Sie eine Verstärkungsplatte an die Pipeline, es sei denn, ihre Wand ist ausreichend dick. Als Nächstes wählen Sie eine Boss-Größe, um die gewindete Sonde oder das Ventil aufzunehmen. Ein anderer Ansatz ist, einen männlichen Gewindenippel auf die Leitung zu schweißen.

Natürlich werden weder dieser einfachen Methoden eine Prozessrohrleitungsspezifikation erfüllen, die Gewindeverbindungen an der Prozesshülle verbietet. Angesichts dieser Einschränkungen können Sie ein Ventil auf den Nippel schweißen oder einen Flanschrohr-Düsenanschluss verwenden.

Einen Gasstrom anzapfen

Wann immer möglich, wählen Sie ein horizontales Rohr für die Probenahme von Prozessgas. Die horizontale Ausrichtung ermöglicht es, die Düse vertikal zu positionieren. Es ist auch einfacher, einen langen, geraden Lauf zu finden. Platzieren Sie die Düse oben an der Leitung, damit Schmutz oder Flüssigkeit zurück in das Prozessrohr fallen. Wenn das Prozessgas sauber und trocken ist, könnten Sie eine Gasdüse an der Seite eines horizontalen Rohrs platzieren. Vermeiden Sie jedoch eine solche horizontale Sondenausrichtung für schmutzige Proben, da der Gasfluss in der Sonde möglicherweise nicht turbulent ist; feste Partikel könnten ausfallen und die Sonde blockieren.

Derselbe Bedenken bezüglich Blockierung gilt für eine horizontale Düse an einer vertikalen Gaspipeline. Geneigte Düsen ermöglichen es, eingeschlossene Flüssigkeiten oder Feststoffe zurück in den Prozess fallen zu lassen. Diese Funktion funktioniert gut für Flüssigkeitsentfernung, aber möglicherweise nicht für Feststoffe, die in der Sonde steckenbleiben können.

Für vertikale Schornsteine sollte die Düse horizontal oder leicht geneigt und viel größer sein – dimensioniert für spezielle Sonden. Hier basiert der Düsenstandort auf der Gastemperatur: nicht zu heiß (damit Materialkosten vernünftig sind), aber über der Säuretaupunkttemperatur (damit Schwefelsäure nicht in der Sonde kondensiert). Für Schornsteingasüberwachung ist die optimale Gastemperatur an der Düse etwas mehr als 600 °C (1.112 °F), um vollständige Verbrennung zu gewährleisten.

Bei der Probenahme aus einem Prozessdampfstrom, der Kondensattropfen enthalten kann, wie ein gesättigtes Dampfsystem, ist der bevorzugte Anschlussstandort ein langes, abwärts fließendes Prozessrohr. Überprüfen Sie jedoch immer den Leitungsdruck. Eine abwärts führende Leitung verbindet sich oft mit der Saugseite einer Prozesspumpe und kann bei niedrigem Druck laufen. Eine Niedrigdruckquelle ist gut für eine Gasprobe, die an einen Fackelstutzen abgeleitet wird, aber nicht für eine, die Sie über einen Fast Loop an den Prozess zurückführen wollen. Mit einem Fast Loop wollen Sie wahrscheinlich vom Prozesspumpenauslass probieren und das Gas zur Saugseite zurückführen.

Einen Flüssigkeitsstrom anzapfen

Eine vertikal aufwärts fließende Pipeline ist oft der beste Standort für eine Flüssigkeitsprobenahmedüse, da Sie sicher sein können, dass das Rohr voll ist. Für dieses Setup wählen Sie eine horizontale Düse, da sie eine kürzere Sonde ermöglicht, die weniger vibriert. Eine horizontale Düse ist für eine Flüssigkeitsprobe in Ordnung, da der Fluss in der Sonde sicher turbulent ist, was die Sedimentation von Feststoffen in der Sonde verhindert.

Der Flüssigkeitskopf in der Rohrleitung über dem Anschluss bietet etwas zusätzlichen Druck, der sicherstellen kann, dass das Prozessflüssigkeit am Anschluss über ihrem Blasenpunkt liegt. Der zusätzliche Druck hilft auch beim Transport der Probe. Vermeiden Sie die Probenahme einer Flüssigkeit aus einer vertikalen Prozessleitung, die abwärts fließt – es gibt keine Garantie, dass die Leitung voll ist.

Die Probenahme eines Flüssigkeitsstroms aus einer horizontalen Leitung ist riskant, da das Prozessrohr nicht voll sein kann, was zu einer zweiphasigen Probe führt. Wenn das Prozessrohr nach dem horizontalen Lauf aufwärts abbiegt, können Sie sicher sein, dass die Leitung voll ist; wenn es abwärts abbiegt, könnte der horizontale Abschnitt eine statische Gasschicht über der fließenden Flüssigkeitsschicht beherbergen.

Konventionelle Weisheit besagt, dass Flüssigkeitsanschlüsse immer an der Seite einer horizontalen Prozessleitung sein sollten; das ist guter Rat bei Probenahme ohne Sonde. Die Probenahme von einer Düse an der Seite der Leitung reduziert das Risiko, eingemischten Dampf an der Spitze des Rohrs oder Schlamm am Boden zu extrahieren.

In der Praxis ist es normalerweise besser, eine Sonde zu verwenden, um in die Mitte der Leitung zu reichen. Bei Verwendung einer Sonde ist die Ausrichtung weniger wichtig. Normalerweise wird eine vertikale Düse oben an der Leitung bevorzugt, da sie schwere Feststoffe zurück in das Prozessrohr fallen lässt. Im Allgemeinen sollte die Düse nicht am Boden eines horizontalen Rohrs sein, da Feststoffe hineinfielen und die Probenkonditionierung erschweren. Wenn Sie einen vorhandenen Bodenanschluss verwenden müssen, installieren Sie eine Sonde, die in das mittlere Drittel des Rohrdurchmessers reicht.

Bevor der Anschlussstandort finalisiert wird

Bevor Sie sich auf Ihren endgültigen Anschlussstandort festlegen, denken Sie daran, dass Ihre Wahl der Sonde die Ausrichtung und den Durchmesser der Düse und ihrer Endanschlüsse bestimmen wird. Sobald Sie eine Sonde ausgewählt haben, überprüfen Sie Ihren gewählten Standort erneut, um den physischen Platz für Installation und Wartungsarbeiten zu prüfen. Vergewissern Sie sich, dass genügend Freiraum für die Fertigung der Düse, die Wartung des Prozessabsperrventils und das Zurückziehen der Sonde vorhanden ist. Berücksichtigen Sie auch Zugänglichkeit und Beleuchtung. Ein einfacher Anschluss und eine Rohrsonde erfordern möglicherweise nur eine kleine Plattform und Leiter, aber eine Feldstation benötigt eine vollständige Plattform und Beleuchtung.

Für tiefergehende, personalisierte Trainingsunterstützung zu Düsenplatzierung und Probenahmesystemdesign kontaktieren Sie Ihr lokales Swagelok Vertriebs- und Servicecenter.