Kleine Rohre, große Vorteile: Gasmessung auf engstem Raum

Messung in kleinen Rohrleitungen mit einem durchstimmbaren Diodenlaserspektrometer und einem mehrfach reflektierenden gefalteten optischen Pfad

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19 Feb, 2025

Tyler Schertz

In der chemischen und petrochemischen Industrie sind Echtzeitinformationen entscheidend, um Prozesse zu steuern und die Sicherheit und Effizienz zu erhöhen. Durch den Einsatz von Automatisierungsebenen werden dynamische Messwerte bereitgestellt und wichtige Prozessvariablen wie Druck, Temperatur und Konzentrationen erfasst.

Eine längere Version dieses Artikels wurde zuerst in der Zeitschrift Hydrocarbon Engineering veröffentlicht.

Um Konzentrationsmesswerte zu erhalten, sind Industrieanlagen auf Analysatoren oder chemische Sensoren angewiesen. Eine wichtige automatisierte Messung in petrochemischen Anlagen stellt sicher, dass kein Sauerstoff in die Fackelleitung zwischen dem Knock-out-Behälter und der Flüssigkeitsdichtung gelangt, wodurch explosive Mischungen vermieden werden.

Viele traditionelle Analysemethoden wurden so angepasst, dass Gase wie Sauerstoff entweder extraktiv oder direkt innerhalb des Prozessstroms gemessen werden können, wobei bei letzterem keine Laboranalyse erforderlich ist. Dazu gehören Technologien wie paramagnetische (zur Sauerstoffmessung), nichtdispersives Infrarot (NDIR), ultraviolett-sichtbare (UV-vis) und elektrochemische Methoden. Insbesondere die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS oder TDL) gewinnt in diesen Anwendungen an Bedeutung.

Obwohl TDL ursprünglich in erster Linie als extraktive Methode gedacht war, hat es sich weiterentwickelt. Heutzutage führen verschiedene Hersteller In-situ-Messdesigns ein, einschließlich Cross-Stack- und Sondenaufbauten. METTLER TOLEDO hat außerdem eine Wafer-Prozessadaption eingeführt, die mit schmalen Pipeline-Durchmessern von nur 5 bis 10 cm (2 bis 4 Zoll) funktioniert.

In safety-critical measurements, rapid response time is essential to prevent accidents. That’s why plant operators and HSE professionals always prefer in situ measurements when possible.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics at METTLER TOLEDO

Im Bereich der Absorptionsspektroskopie gibt es Techniken wie UV-Vis, Infrarot (IR), NDIR, DDL und Raman. Diese Methoden basieren auf einem einfachen Prinzip: Bestimmte Frequenzen des Lichts werden von Molekülen präzise und gleichmäßig absorbiert. Das bedeutet, dass ein Molekül in einer bestimmten Konzentration Licht bei gleichen Wellenlängen absorbiert, wobei die Menge des absorbierten Lichts in direktem Zusammenhang mit der Konzentration des Moleküls steht. Das Beer-Lambert-Gesetz fasst dieses Konzept in der Gleichung zusammen:

I = I₀^e-acL

Die Absorptionseigenschaften können sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel sind die UV-Vis-Absorptionsbereiche breit, während die Nahinfrarotspektroskopie (NIR), zu der auch TDL gehört, sehr schmale Wellenlängen aufweist. Diese Enge ermöglicht einen selektiveren Ansatz zur Identifizierung eines bestimmten Analyten in einem Mischgasstrom.

Die Gleichung sagt uns, dass man, wenn man die Absorption von Licht erhöhen möchte – insbesondere bei niedrigen Konzentrationen – entweder die optische Weglänge (OPL), die der Laserstrahl zurücklegt, erhöhen oder die Konzentration der absorbierenden Spezies erhöhen muss.

Im Folgenden werden wir uns mit Möglichkeiten befassen, Messungen für sehr niedrige Analytkonzentrationen mit TDL zu verbessern, indem der OPL durch einzigartige optische Anordnungen erhöht wird, und die Vor- und Nachteile der einzelnen Ansätze untersuchen.

Schauen wir uns die Techniken der Absorptionsspektroskopie an und wie TDL im Vergleich zu anderen wie UV-vis abschneidet. Ein wesentlicher Vorteil von TDL sind die schmalen(n) Absorptionslinie(n), die oft nur für einen bestimmten Analyten gilt und perfekt auf den engen Spektralbereich des Laserlichts abgestimmt ist. Auf der anderen Seite können Technologien wie paramagnetische Analysatoren anfällig für Interferenzen sein und messen nicht direkt im Prozess selbst.

Das Beer-Lambert-Gesetz legt nahe, dass eine große Hürde für das Erreichen von TDL-Messungen auf niedrigem Niveau (ppm und ppb) die Einschränkungen des Gesamt-OPL sind. Eine Herausforderung bei der Erlangung einer TDL-Messung bezieht sich auf die kommerzielle Verfügbarkeit von Lasern der erforderlichen Wellenlängen. Sauerstoff zum Beispiel ist eine schwach absorbierende Spezies im NIR-Bereich der verfügbaren Laser, so dass es wichtig ist, Wege zu finden, den OPL für genaue Messungen zu erhöhen.

TDLAS isn't just about precise gas measurement—it's a game-changer. With unmatched sensitivity and real-time accuracy, its true brilliance lies in being a non-contact, virtually maintenance-free technology that transforms industrial monitoring.
Tyler Schertz, Business Development Manager for Gas Analytics at METTLER TOLEDO

In der Prozessindustrie ist eine wesentliche Einschränkung oft die physische Größe der Rohrleitungen, in denen sich die Gasprobe befindet. Bei größeren Kanälen (1 – 3 m) ist OPL kein wesentliches Hindernis, selbst bei schwachen Absorbern wie Sauerstoff. Wenn der Rohrdurchmesser jedoch unter 38 cm (15 Zoll) fällt, wird die Messung von Sauerstoff unter 5000 ppm (0,5 %) viel schwieriger.

Derzeit gibt es einige wenige Designs, um den OPL für extraktive TDL-Messungen zu verbessern, aber es gibt nur eine nennenswerte Anpassung für In-situ-Messungen in kleinen Rohrdurchmessern. Wenn der Cross-Stack in Längsrichtung aufgestellt ist, kann das Spülgas, das die Optik vor Verunreinigungen schützen soll, den Probenstrom verdünnen, was die genaue Messung der unteren Explosionsgrenze (UEG) für Sauerstoff erschwert.

Gängige Methoden zur Erhöhung des OPL fallen in der Regel in die folgenden drei Kategorien:

Weiße Zelle
Herriott-Zelle
Anordnung des optischen Prismas (Multireflexionsgerät)

Weiße Zelle

Diese Methode, die 1942 von John White entwickelt wurde, verwendet eine kompakte Anordnung von drei Spiegeln. Der Hauptspiegel befindet sich gegenüber von zwei Fangspiegeln, was zu einer Weglänge führt, die dem vierfachen Abstand zwischen ihnen entspricht. Dieser Aufbau erhöht zwar die Weglänge, bringt die Optik jedoch in direkten Kontakt mit den Prozessgasen, die korrosiv und voller Verunreinigungen sein können. Außerdem kann das Ausrichten von drei Spiegeln schwierig sein, und die Aufrechterhaltung der Präzision der Spiegel erfordert aufgrund möglicher Verunreinigungen zusätzliche Sorgfalt und Kosten.

Herriott-Zelle

Dies ist eine weitere beliebte Wahl bei TDL-Herstellern. Er verwendet zwei hochreflektierende Spiegel, um einen einfallenden Laserstrahl zu lenken. Je nachdem, wie der Strahl auf den Hauptspiegel trifft, lassen sich Weglängen von vielen Metern erreichen, was sehr niedrige Nachweisgrenzen ermöglicht. Die Herriott-Zelle ist in der Regel einfacher auszurichten als die weiße Zelle, aber wie diese beinhaltet sie immer noch Optiken, die mit den Prozessgasen in Kontakt kommen, was sie oft auf extraktive Messungen beschränkt.

Anordnung optischer Prismen

In den letzten Jahren wurde eine neue Prozessanpassung auf dem TDL-Markt eingeführt. Das von METTLER TOLEDO angebotene, selbstausrichtende In-situ-Sondendesign adressiert die üblichen Schmerzpunkte. Es bewältigt die Notwendigkeit, eine Messung innerhalb des Prozesses an kritischen Messpunkten für die Prozesssicherheit und -steuerung durchzuführen, und bietet ein modulares, universelles Design, das einfach zu warten ist.

Eine Einschränkung herkömmlicher starrer optischer Aufbauten ist der geringe Durchmesser der Rohrleitungen für In-situ-Sauerstoffmessungen, der das Einführen der Sonde oft auf 20 cm und die Detektion von Sauerstoff auf viele tausend ppm beschränkt. Eine weitere innovative Lösung von METTLER TOLEDO ist der "Wafer", der als Spulenstück innerhalb der Rohrleitung fungiert, ohne den Durchfluss zu behindern, und in Rohrdurchmesser von nur 05 cm (2 in. OPL). Um die Herausforderungen kurzer OPLs in diesen Aufbauten zu meistern, hat METTLER TOLEDO das Multireflexionsgerät (MRx) entwickelt.

The METTLER TOLEDO Wafer adaption with the MRX module fits effortlessly into compact spaces while delivering the measurement sensitivity and ease of use essential for demanding process applications—a solution without compromise.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics at METTLER TOLEDO

Dieser Ansatz ist einzigartig, da keine Spiegelungen erforderlich sind, um in einem gut konditionierten Beispieldatenstrom zu funktionieren. Stattdessen verdoppelt oder verdreifacht es den Laserweg mithilfe optischer Prismen. Das zweite Prisma bleibt vom Prozessgas isoliert und eignet sich daher ideal für raue Umgebungen, die zu optischer Verschmutzung neigen. Außerdem ist diese Methode kompakter, was den Einbau in Installationen mit begrenztem Platzangebot erleichtert.

Das gleiche sekundäre optische Prisma funktioniert sowohl für die zweifache (MR2) als auch für die dreifache (MR3) OPL-Adaption. Für die dreifache Reflexion wird eine robuste, chemisch verträgliche unbeschichtete Saphir-Cat-Eye-Linse verwendet, die Probleme durch flache reflektierende Oberflächen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen könnten, minimiert.

Die TDL-Spektroskopie wird in der Prozessindustrie aufgrund ihrer Langlebigkeit, Analytspezifität und ihrer Fähigkeit, schnelle In-situ-Messungen zu liefern, zunehmend bevorzugt – insbesondere für Sauerstoff, der ein Schlüsselgas für Sicherheit und Kontrolle ist. Die Messung von Sauerstoff kann jedoch aufgrund seiner schwachen Absorption schwierig sein. Deshalb ist eine Erhöhung des OPL unerlässlich. Wir haben verschiedene Methoden besprochen, um dies zu erreichen, aber einige haben in rauen Industrieumgebungen erhebliche Nachteile. Glücklicherweise entspricht die MRx-Lösung von METTLER TOLEDO dem Bedarf der Industrie an kompakten Designs, die eine effektive Messung niedriger Sauerstoffkonzentrationen gewährleisten und so die Sicherheit und Prozesskontrolle verbessern. Mit Blick auf die Zukunft können wir noch innovativere optische Methoden erwarten, die den sich wandelnden Anforderungen an TDL-Messungen gerecht werden.

Abstimmbare Diodenlaser-Gasanalysatoren werden immer beliebter

Der Einsatz von TDL-Gasanalysatoren wird in industriellen Prozessen immer häufiger eingesetzt. Dies liegt daran, dass sie ohne Drift oder Querinterferenz direkt im Prozessgasstrom messen und in der Anschaffung, Installation und Wartung weitaus wirtschaftlicher sind als andere Gasanalysatorentypen.

Tyler Schertz

Business Development Manager für Gasanalytik

Tyler Schertz ist Business Development Manager für Gasanalytik bei METTLER TOLEDO Process Analytics in den USA. Er promovierte in organischer Chemie an der University of Florida mit den Schwerpunkten Synthese kleiner Moleküle und Fluorchemie. Obwohl er vorhatte, in der Chemie zu bleiben, hat er in den letzten 20 Jahren in der verfahrensanalytischen Industrie gearbeitet. Er begann seine Karriere bei AMETEK Process Instruments, wo er als Service- und Anwendungswissenschaftler in den Bereichen Massenspektrometrie und TDLAS-Technologie tätig war. Bei METTLER TOLEDO war er fünf Jahre lang als Gasspezialist für die Region NALA tätig. In dieser Funktion betreute er Kunden und Vertriebsteams, um ihr Wissen über TDL-Analysatoren zu erweitern. Tyler ist bestrebt, diese Technologie weiter zu fördern und sein Fachwissen mit Kunden zu teilen, während er sich über neue Anwendungen informiert.