Mess-, Steuer- und Regelungstechnik in chemischen Produktionsverfahren

Zu den einzelnen Themen  in der Prozessvisualisierung haben wir nützliche Informationen in unterschiedlichen Kategorien – Projektbeispiele, Gute Praxis und Videos – für Sie gesammelt. Fahren und klicken Sie mit der Maus über die blauen Elemente und erfahren Sie, wie sich Ihre Prozesse optimieren lassen.

Prozesskette MSR

Anlagenzustandsmessung

Projekte

Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung von Lamb-Wellenmoden zur Früherkennung von Schäden

Prozesseigenschaften:
  • Entwicklung eines Verfahrens zur Schadenserkennung durch Anregung und anschließende Auswertung von Lamb-Wellenmoden
  • Einsatz von Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik („Phased Array“) in den Sensoren
  • Gute Ausbreitungsfähigkeit ermöglicht zerstörungsfreie Erkennung von Schäden auch über große Entfernungen (bspw. in Pipelines)
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Innovatives Condition Monitoring zur nachhaltigen Überwachung sicherheitsrelevanter Komponenten

Prozesseigenschaften:
  • Periodische/kontinuierliche Überwachung der technischen Struktur durch ein Sensorennetzwerk
  • Ermöglicht effizientere Wartung und höhere Zuverlässigkeit
  • Deutliche Verlängerung der Betriebszeiten durch frühzeitiges Erkennen von Schäden
  • Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Einsparung von Energie
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Umweltfreundliche Prüfung in der chemischen Industrie mittels Schallemission

Prozesseigenschaften:
  • Mit Schallemissionen korrosionsgefährdete Behälter und Rohrleitungen zerstörungsfrei überwachen
  • Preisgünstiges, umweltfreundliches, integrales Verfahren
  • Vermeidung von Behälterreinigung und umweltbelastenden Abfällen
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Gute Praxis

Identifizieren von Leckagen in gasführenden Systemen

Eine regelmäßige Leckagesuche an gasführenden Rohrleitungssystemen verhindert stoffliche (Gase) und energetische (Druckluft) Verluste. Typische Prüfstellen sind Rohrleitungen, Druckluftnetze, Vakuumanlagen, Armaturen, Schnellkupplungen, Anschlussschläuche an die Verbraucher. Folgende Methoden zum Identifizieren von Leckagen haben sich etabliert:

  • Absprühen mit Seifenlösung: Zu untersuchende Stelle wird mit Seifenlösung oder Lecksuchspray behandelt. Im Falle einer Leckage bilden sich Blasen.
    Vorteil: simple Methode
    Nachteil: eignet sich nur zur Grobsuche
  • Ultraschallverfahren (Leckraten > 10-2 mbar l/s): Mit einem Ultraschallprüfgerät werden Rohrleitungen, Armaturen etc. von außen hinsichtlich Leckagen abgesucht.
    Vorteil: flexible Methode, keine Betriebsunterbrechung notwendig, kein Kontakt mit dem Medium, kostengünstig
    Nachteil: Ultraschallmessgerät notwendig, nur für Leckraten > 10-2 mbar l/s anwendbar
  • Druckprüfverfahren (Leckraten 10-4 – 10-2 mbar l/s): In dem zu prüfenden Objekt (Rohrleitungsübergang, Armatur etc.) wird ein Über- oder Unterdruck erzeugt. Aus dem in Abhängigkeit der Zeit gemessenen Druckverlauf werden Leckagestellen identifiziert.
    Vorteil: simple Methode, apparatetechnisch und zeitlich nicht aufwendig, kostengünstig
    Nachteil: Betriebsunterbrechung notwendig
  • Prüfgasverfahren (Leckraten < 10-4 mbar l/s): Prüfgas (i. d. R. Helium oder Wasserstoff) strömt durch das zu prüfende Objekt (Rohrleitungsübergang, Armatur etc.) und Analysegerät (i. d. R. Massenspektrometer) im Kreis. Die Prüfgaskonzentration wird kontinuierlich detektiert. Eine über die Zeit abnehmende Konzentration deutet auf eine Leckage hin. Bei Vakuumanlagen verläuft das Procedere genau andersherum: Das Prüfgas wird von außen aufgegeben und mittels eines Massenspektrometers wird überprüft, ob Messgasanteile über eine Leckage in die Vakuumanlage vordringen konnten.
    Vorteil: sehr genaue Methode
    Nachteil: Betriebsunterbrechung notwendig, zeitlich und apparatetechnisch aufwendig

Quelle(n):

  • zur Horst-Meyer, S. (2009): Möglichkeiten der Lecksuche mit Ultraschall. Vortrag, DGZfP-Jahrestagung 2009. SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH, auch verfügbar als PDF unter: Link

Störungsfrüherkennung von Pumpen

Pumpen werden in großer Zahl in unterschiedlichsten Einsatzbereichen in der Prozessindustrie eingesetzt. Fehlfunktionen der Pumpe können beispielsweise einen nichtoptimalen Betrieb, einen kompletten Ausfall oder die Förderung einer nicht korrekten Volumenstrommenge bewirken. Daraus resultierende Fehlchargen, verringerte Umsätze oder erhöhte Energieverbräuche zeigen eine direkte Auswirkung auf den Ressourcenverbrauch eines Prozesses. Ein frühzeitiges Erkennen von Pumpenstörungen verhindert das Auftreten von Fehlfunktionen. Prinzipiell liegen zwei Diagnosestrategien vor:

  • Auswertung vorhandener Prozessgrößen: Durch die Messung und Auswertung gängiger Prozessgrößen wie Saug- und Enddruck, Temperaturen und Motorstrom sowie die Bewertung der direkten Abhängigkeit von Pumpendrehzahl und Fördermenge kann auf den aktuellen Pumpenzustand geschlossen werden – vorausgesetzt, an der Pumpe sind die benötigten Sensoren installiert. Die Auswertung der gemessenen Daten erfolgt über ein im Betriebsdateninformations- oder Prozessleitsystem implementiertes Diagnosetool. Mit dieser Auswertungsmethode ist allerdings der mechanische Zustand der Pumpe nicht bestimmbar.
  • Diagnose von Schwingungen: Durch eine schwingungsdiagnostische Überwachung wird das auftretende Frequenzspektrum der Maschinenschwingung ausgewertet. Folgende Zustände des mechanischen Pumpensystems können hierdurch ermittelt werden: Lagerzustand, Verschleiß an Laufrad und Kupplung, Trockenlauf, Gasmitförderung und Kavitation. Zusätzlich können durch diese Methode auch hydraulische Störungen aufgedeckt werden. Allerdings sind die mechanischen Störungen im Diagnosesystem verglichen mit den hydraulischen Störungen einfacher konfigurierbar.

Zudem sei vermerkt, dass bei der Auslegung von Pumpen (und Ventilen) häufig Fehler auftreten, die einen erhöhten Energieverbrauch im Laufe der Betriebszeit verursachen. Verfügt der Projektierungsingenieur über ein fundiertes Erfahrungs- und Fachwissen, können typische Auslegungsfehler umgangen werden.

Quelle(n):

  • Schuhmann, R. und Müller, J. (2009): Standards für die Störungsfrüherkennung von Pumpen. atp edition, Heft 8 S. 37 f.

Überprüfung von Isolier- und Dichtungsmaterial

Mit einer Infrarot-Wärmebildkamera können auftretende Wärme- und Stoffverluste in Anlagen identifiziert oder bereits im Vorfeld erkannt und verhindert werden. Der Einsatz einer Infrarot-Wärmebildkamera bei der Anlagen-Instandhaltung und -Wartung kann die Ressourceneffizienz erhöhen. Die Funktion von Isolier- und Dichtungsmaterialien an wärme- oder stoffführenden Rohren, Behältern oder Flanschen ist mit einer Infrarot-Wärmebildkamera überprüfbar. Durch die Messung und Auswertung von Temperaturprofilen können schadhafte Isolierungen oder Dichtungen, beispielsweise verursacht durch eine Altersermüdung, identifiziert werden. Weist das oberflächenbezogene Temperaturprofil eines isolierten Behälters an einer Stelle einen signifikanten Temperaturanstieg auf, so könnte dies ein Indiz für eine schadhafte Isolierung sein. Oder unterscheidet sich beispielsweise das Temperaturprofil der Umgebungsluft eines wärmeführenden Flansches deutlich von dem der weiteren Umgebung, könnte hierfür ein austretender Stoffstrom aufgrund einer Undichtigkeit am Flansch verantwortlich sein.

Quelle(n):

  • Jung, T. (2012): Ehe ein Fehler zum Problem wird. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6 S. 38 f.

Überprüfung von Wärmeübertrager

Eine regelmäßige Überprüfung von Wärmeübertrager mit einer Infrarot-Wärmebildkamera kann zu deren energieeffizienten Betriebsweise beitragen. Verstopfungen und Ablagerungen (Fouling) sind durch die Analyse des Temperaturprofils der Wärmeübertrager-Oberfläche identifizierbar. Eine frühzeitige Erkennung von Verstopfungen und Ablagerungen verhindert eine Verschlechterung des Wärmeübergangs und damit eine Erhöhung des Energieverbrauchs. Alternativ kann bei Vorhandensein einer kontinuierlichen Instrumentierung von Temperatur (Ein- und Ausgang) und Durchflussmenge der Wärmeübergang online detektiert werden, vorausgesetzt, die Wärmeübergangskoeffizienten der verwendeten Medien sind bekannt. Diese Methode ist gut geeignet, um schnell einsetzende Ablagerungsprozesse zu erkennen.

Quelle(n):

  • Jung, T. (2012): Ehe ein Fehler zum Problem wird. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6 S. 38 f.

Videos

Druckluft ganz leicht gemacht

Betriebszustandsmessung

Projekte

Autonome Sensorpartikel zur Überwachnung von Prozessbehältern

Prozesseigenschaften:
  • Autonome Sensorpartikel für den Einsatz in Prozessbehältern zur Erfassung von Temperatur, hydrostatischem Druck und 3-D-Beschleunigung
  • Sensorpartikel lassen sich um weitere Elemente wie pH-Wert, Redoxpotenzial usw. ergänzen
  • Partikel werden zusammen mit Substraten in Prozessbehälter gegeben und anschließend ausgewertet
  • Mittels der erfassten Daten lassen sich Prozessbedingungen charakterisieren und bspw. die Effizienz von Heiz- und Rührregimen verbessern
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ENPRO-Initiative bringt Produkte aus dem Labor schneller auf den Markt

Prozesseigenschaften:
  • Projektziel: neue Produkte aus dem Labor schneller marktreif machen
  • Kleinstanlagen bzw. Versuchsaufbauten direkt auf Produktionsanlagen übertragen
  • Schwerpunkt: Einsatz und Entwicklung nichtinvasiver Messtechniken, Automatisierung, Simulation von energie- und materialeffizienten Prozessen sowie Bewertungsmethoden des Energie- und Materialverbrauchs
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Verbesserte Effizienz bei passiv temperierten Transportprozessen durch Supply-Chain-Steuerung (SMITH)

Prozesseigenschaften:
  • SMITH: Hard- und Softwarelösung für temperaturgeführte Waren (bspw. Chemikalientransport ohne aktives Kühlen/Erhitzen)
  • Ermittelt die optimale Abfahrtstemperatur, damit Ware am Ziel entsprechende Verarbeitungstemperatur besitzt
  • Funkzentrale und Sensoren ermitteln Umweltdaten sowie Temperatur der Ware; Software ermittelt daraus die optimale Abfahrtstemperatur
  • Übermäßiges Erhitzen bzw. Kühlen entfällt
  • Bis zu 10,9 % weniger CO2-Emissionen
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Gute Praxis

Druck

Folgende Aspekte unterstützen dabei, Druckmessungen im Prozess korrekt und mit ausreichender Genauigkeit durchzuführen:

  • Positionierung des Federmanometers oder Drucksensors: Auswahl der Messstelle, an der die Druck-Information gewünscht ist
  • Auswahl des Sensortyps („Messprinzip“): Auswahl in Abhängigkeit der gewünschten Einsatzbedingungen
  • Regelmäßige Kalibrierung: Genauigkeit und Messbereich werden bewahrt und Alterungszustände festgestellt

Die wichtigsten industriellen Druckmessgeräte:

Federmanometer

  • Messung von Über- und Differenzdruck
  • „Vor-Ort-Druckablesung“
  • Funktioniert ohne zusätzlichen Energieeintrag

Rohrfedermanometer

  • Übliche Messbereiche liegen zwischen 600 mbar bis 7000 bar
  • Einsatztemperatur: -25 °C bis über 100 °C Medientemperatur
  • Geeignet für Flüssigkeiten und Gase
  • Einsatz in aggressiven Medien möglich
  • Ein elektrischer Signalausgang ist möglich
  • Für viskose und kristallisierende Medien weniger geeignet
  • Empfindlich gegenüber Erschütterungen, Vibrationen und schnell wechselnden Drücken
  • Bei Verwendung von Dämpfungsflüssigkeit (Glycerin oder Silikonöl) sind auch kleine Erschütterungen und schnellere Druckwechsel möglich

Plattenfedermanometer

  • Messbereich: 10 mbar bis 40 bar
  • Einsatztemperatur: -25 °C bis über 100 °C Medientemperatur
  • Geeignet für Flüssigkeiten und Gase
  • Kurze Einstellzeit
  • Weniger empfindlich gegenüber Vibrationen, Erschütterungen und schnell wechselnden Drücken im Vergleich zu Rohrfedermanometer
  • Auch für hochviskose und kristallisierende Medien geeignet
  • Besonders geeignet bei kleinen positiven und negativen Überdrücken
  • Auch für Differenzdruckmessungen einsetzbar

Kapselfedermanometer

  • Messbereich: 2,5 mbar bis 1000 mbar
  • Einsatztemperatur: bis 100 °C Medientemperatur
  • Überwiegend für Gase geeignet
  • Einsatz bei kleinen und kleinsten positiven und negativen Überdrücken
  • Auch für Differenzdruckmessungen einsetzbar

Drucksensoren

  • Erfassen des Drucks als elektrisches Signal und Weiterleitung an Anzeigegerät oder zu einer Steuer- und Regelungseinheit
  • Messglied entspricht einem Widerstandsdruckaufnehmer
  • Einsatz zur Druckmessung und -regelung in Anlagen mit Leitsystem

Widerstandsdruckaufnehmer

  • Messbereich: 20 mbar bis 8000 bar (Dehnungsmessstreifen(DMS)-Aufnehmer); 5 mbar bis 600 bar (piezoresistive Aufnehmer)
  • Einsatztemperatur: -150 °C bis 400 °C Medientemperatur
  • Geeignet für Gase und Flüssigkeiten
  • Geeignet für robuste Betriebsbedingungen (hochviskose, kristallisierende, aggressive Medien; Druckstöße; Vibrationen)
  • Hohe Langzeitstabilität
  • Wenige mechanische Verschleißteile
  • Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
  • Energieversorgung notwendig

Quelle(n):

  • Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 346 ff.
  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 244 f.

Füllstand

Die fehlerfreie Bestimmung der Füllstandshöhe von Flüssigkeiten und Feststoffen in Behältern oder Silos ist dem materialeffizienten Umgang im Prozess zuträglich. Um aus der Vielzahl an bestehenden Messtechniken mit unterschiedlichen Eigenschaften die geeignetste Wahl zu treffen, ist eine vorherige Definition der Einsatzbedingungen notwendig. Im Folgenden sind die gängigsten Messmethoden und ihre Eigenschaften aufgeführt:

Mechanische Füllstandsmessung

  • Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter

Schwimmermethode

  • Unabhängig von Änderungen in den Medieneigenschaften (Temperatur, Druck, Leitfähigkeit, Dielektrikum etc.)
  • Geeignet für Dichten > 300 kg/m³; Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 500 bar
  • Hoher Platzbedarf (Schwimmer ist mit außerhalb des Behälter befindlichem Skalensystem verbunden)
  • Bei unruhigen Oberflächen ungeeignet
  • Einfaches und teures System

Schaugläser und Standgläser (Bypass-Messung)

  • Vor-Ort-Anzeige, Funktion ohne Hilfsenergie, Ablesung direkt am skalierten Bypass
  • Einfache und preiswerte Methode
  • Für Schüttgüter Bypass-Messung nicht möglich, Schauglas direkt an Behälter
  • Bei viskosen Medien Beheizung des Bypasses notwendig

Hydrostatische Füllstandsmessung

  • Geeignet für Flüssigkeiten

Bodendruckmethode

  • Vielseitig einsetzbares Messsystem (unabhängig von Viskosität, Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante)
  • Allerdings abhängig von der Dichte
  • Messbereich bis ca. 100 m
  • Einfach in der Handhabung, auch für nachträgliche Installation geeignet
  • Sehr gute Langzeitstabilität
  • Geeignet für Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 20 bar
  • Differenzdruckmessung möglich, allerdings ist Messmethode dann teurer

Einperlmethode

  • Alternative zu Bodendruckmethode
  • Geeignet für sehr aggressive Medien und hohe Temperaturen
  • Einfache Installation, auch nachträglich möglich
  • Verwendung günstig bei offenen oder belüfteten Behältern
  • Messbereich bis ca. 20 m
  • Messgasverbrauch ca. 10 l/h

Ultraschall-Füllstandsmessung

  • Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter
  • Berührungslose Messmethode
  • Nachträglicher Einbau gut möglich
  • Messbereich von ca. 0,5 m bis ca. 60 m
  • Geeignet für Drücke bis ca. 3,5 bar
  • Wartungsarm
  • Unempfindlich gegenüber Medieneigenschaften, wenn Messung von oben erfolgt
  • Empfindlich gegen Dampf- und Kondensatbildung
  • Einbauten können ggf. Störechos erzeugen

Kapazitive Füllstandsmessung

  • Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten
  • Preiswerte, vielseitig einsetzbare Messmethode (Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 300 bar), vorausgesetzt, die Dielektrizitätskonstante bleibt während der Messung konstant
  • Einsetzbar auch bei aggressiven Medien
  • Messmethode ungeeignet, wenn Flüssigkeit und suspendierter Feststoff eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstante aufweisen

Radar-Füllstandsmessung (Mikrowellenmethode)

  • Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter
  • Geeignet für stark aggressive, toxische und sterile Medien
  • Berührungslose Messmethode
  • Messbereich bis ca. 100 m
  • Messung durch Glas- oder Kunststofffenster möglich
  • Auch geeignet bei Dampf oder Staubpartikeln in der Behälteratmosphäre
  • Unabhängig von Medieneigenschaften (Temperatur, Druck, Dichte etc.) und Verunreinigungen
  • Auch für Vakuum geeignet; geeignet für Drücke bis ca. 60 bar
  • Rührwerke oder feste Einbauten führen unter Umständen zu Störsignalen; diese können aus dem Messsignal herausgerechnet werden

Radiometrische-Füllstandsmessung

  • Geeignet für Schüttgüter
  • Berührungslose Messmethode
  • Einsatz bei extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und Drücke, grobe und klebrige Produkte), wenn andere Verfahren nicht anwendbar sind
  • Anwendbar für alle Behälterformen
  • Messung durch Behälterwand, kein extra Messstutzen notwendig
  • Unabhängig von Stoffeigenschaften (Viskosität, Temperatur, Druck, chemische Eigenschaften etc.)
  • Genehmigungspflichtiger und preisintensiver Messaufbau
  • Beträchtlicher organisatorischer Aufwand (Strahlenschutzbeauftragter etc.)
  • Nur sinnvoll, wenn Zielgröße nicht durch andere Messmethoden erfassbar ist

Quelle(n):

  • Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 349 ff.
  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 249 ff.

Softsensoren

Softsensoren können aus gängigen Prozessgrößen wie Volumenstrom, Temperatur oder Druck unter Zuhilfenahme von Modellen nur schwer oder nicht messbare Größen berechnen. Die Kenntnis über nicht messbare Prozessgrößen wie Wärmeströme oder die Produktkonzentration im gesamten Prozessverlauf, obwohl diese eigentlich nur diskontinuierlich bestimmbar ist, vergrößert das Prozessverständnis deutlich. Dies führt zu einer verbesserten Prozesssteuerung und ‑regelung und somit zu einer effizienteren Nutzung von Energie und Einsatzstoffen. Beispielsweise können durch das frühzeitige Erkennen von Störgrößen Fehlchargen verhindert und somit Stoff- und Energieverluste vermieden werden.

Praxisbeispiele:

  • Ein kalorischer Softsensor ermittelt aus gemessenen Temperatur- und Durchflusswerten eines Semi-Batchreaktorsystems unter Zuhilfenahme von Massen- und Energiebilanzen sowie Reaktorgeometriedaten nicht direkt messbare Größen wie diverse Enthalpieströme im Reaktorsystem, zeitabhängige Wärmeübergangskoeffizienten und Eduktmengen. Dadurch wird eine effizientere Prozessführung möglich.
  • Ein weiteres Praxisbeispiel finden Sie unter http://www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 72 f.).

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 54 ff.

Temperatur

Folgende Aspekte unterstützen dabei, die Temperatur im Prozess korrekt und mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln:

  • Positionierung des Temperatursensors: Auswahl der Messstelle, an der die Temperatur-Information gewünscht ist
  • Auswahl des Sensortyps („Messprinzip“): Auswahl in Abhängigkeit der gewünschten Einsatzbedingungen
  • Regelmäßige Kalibrierung: Genauigkeit und Messbereich werden bewahrt und Alterungszustände festgestellt

Widerstandsthermometer:

  • Messbereich: typisch 600 °C (bis 1000 °C möglich)
  • Genaustes Betriebsthermometer
  • Einsetzbar für gasförmige und flüssige Medien
  • Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
  • Größere Reaktionszeit verglichen mit Thermoelementen
  • Geeignet für Temperaturdifferenzmessungen
  • Hilfsstromquelle notwendig

Thermoelemente:

  • Messbereich: -200 bis 1800 °C (bis 2500 °C möglich)
  • Kurze Reaktionszeiten
  • Punktförmige Messungen und Oberflächentemperaturmessungen
  • Einsetzbar für gasförmige und flüssige Medien
  • Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
  • Bei Temperaturen unter 400 °C weniger genau als Widerstandsthermometer
  • Keine Hilfsstromquelle notwendig
  • Ohne Schutzrohr Korrosions- und Verschleißgefahr, jedoch kurze Reaktionszeiten

Strahlungspyrometer:

  • Messbereich: -100 °C bis 3500 °C
  • Einsetzbar für feste Oberflächen
  • Anwendbarkeit der Messmethode ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Messkörpers: Messkörper mit den Eigenschaften von schwarzen Strahlern sind optimal; spiegelnde Oberflächen sind nicht messbar
  • Berührungsloses Messen
  • Messung von Oberflächentemperaturen möglich
  • Gut verwendbar für aggressive Medien und plastische Werkstoffe
  • Hohe Anschaffungskosten

Mechanische Temperaturmessgeräte:

  • Flüssigkeitsausdehnungsthermometer
    - Messbereich: -35 °C bis 600 °C (Quecksilber); -70 °C bis 70°C (Ethanol)
    - Ausdehnungsflüssigkeit i. d. R. Quecksilber oder Ethanol
    - Einfacher Aufbau und zuverlässig
    - Zeigerthermometer
    - Leicht zerbrechlich
  • Ausdehnungs-Rohrfederthermometer
    - Messbereich: -268 °C bis 800 °C (Gasdruck-Federthermometer); -35 °C bis 500 °C (Flüssigkeitsfederthermometer)
    - Gasdruck-Federthermometer: für Temperaturregelungen gut geeignet; kurze Reaktionszeit; hohe Betriebssicherheit; ungiftige Füllung
    - Flüssigkeitsfederthermometer: einfacher, robuster Aufbau; hohe Betriebssicherheit; empfindlich gegen Knicken der Kapillarleitung; Einbaulänge mindestens 10 cm
  • Bimetallthermometer
    - Messbereich: -30 °C bis 500 °C (bis 600 °C möglich)
    - Robust und preisgünstig im Vergleich zu Ausdehnungs- und Rohrfederthermometern
    - Zeigerthermometer
    - Erschütterungsempfindlich bei kleinen Messbereichen

Quelle(n):

  • Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 341 ff.
  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 239

Durchfluss-/Volumen-/Massenmessung

Gute Praxis

Durchfluss

Die genaue Kenntnis der Durchflussmenge (Volumen oder Masse pro Zeit) z. B. gasförmiger oder flüssiger Medien an verschiedenen Prozesspunkten ist für die Prozessführung und ‑kontrolle essentiell und trägt zum effizienten Stoffverbrauch bei. Im Folgenden sind die gängigen Durchflussverfahren mit ihren wesentlichen Eigenschaften aufgeführt:

Schwebekörper-Durchflussmesser

  • Geeignet für Gase (bei niedrigen Drücken) und niedrigviskosen Flüssigkeiten ohne Feststoffpartikel
  • Detektion kleiner und mittlerer Volumenströme
  • Bewährtes, häufig eingesetztes Verfahren
  • Leicht zu installieren und preiswert
  • Relativ geringer Druckverlust
  • Gute Stabilität
  • Überlastbar
  • Bestimmte Messaufbauten ermöglichen den Einsatz in der Steuer- und Regelungstechnik
  • Messprinzip abhängig von Dichte, Temperatur und Viskosität des Messmediums
  • Für pulsierende Strömungen nicht geeignet
  • Senkrechte Einbaulage erforderlich

Thermischer Massendurchflussmesser

  • Geeignet für Gase; es gibt aber auch Bauformen für Flüssigkeiten
  • Messgröße: Massestrom
  • Inline-, Bypass- und Eintauchversionen
  • Geeignet für Messung kleiner Geschwindigkeiten
  • Praktisch kein Druckverlust
  • Regelmäßige Kalibrierung notwendig
  • Messung schnell wechselnder Strömungsgeschwindigkeiten möglich
  • Hohe Messgenauigkeit (abhängig von Messbedingung)

Messblenden-Durchflussmesser

  • Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten, Gase, Dämpfe
  • Großer Nennwertbereich
  • Hoher Druckverlust
  • Nicht geeignet bei Pulsationen und hochviskosen Medien
  • Messgenauigkeit ist vom Abnutzungsgrad des Messgeräts abhängig
  • Messprinzip abhängig von der Dichte des Mediums
  • Aufwendige Installation

Wirbel-Durchflussmesser

  • Geeignet für niedrigviskose Flüssigkeiten, Gase, Dämpfe
  • Unabhängig von Temperatur, Druck, Dichte und Leitfähigkeit
  • Hohe Langzeitstabilität und Überlastsicherheit; nur am Anfang eine Kalibrierung notwendig
  • Einfacher Einbau und geringer Verschleiß
  • Nicht geeignet für mehrphasige Medien, nicht vollständig gefüllte Rohrleitungen und starke Pulsationen
  • Messgenauigkeit wird beeinflusst durch ein gestörtes Strömungsprofil und Ablagerungen am Staukörper (Messkomponenten)

Ultraschall-Durchflussmesser

  • Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten (durchschallbar und homogen)
  • Leckagen, Verstopfungen sind mittels Ultraschall-Durchflussmesser detektierbar
  • Nahezu kein Druckverlust
  • Unabhängig von Dichte, Druck und Leitfähigkeit
  • Einsatz bei großen Nennweiten und nachträgliche Installation möglich
  • Transportable, netzunabhängige Geräte möglich
  • Hohe Lebensdauer
  • Preisgünstig

Magnetisch-induktive Durchflussmesser

  • Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten
  • Nahezu kein Druckverlust
  • Unabhängig von Dichte, Temperatur, Druck und Viskosität
  • Großer Nennwertbereich
  • Unempfindlich gegenüber Feststoffen im Messmedium
  • Auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und teilgefüllte Rohrleitungen geeignet
  • Minimaler Einfluss des Strömungsprofils
  • Energieversorgung wird benötigt
  • Messergebnis wird beeinflusst durch Ablagerungen und Beschaffenheit der Rohrwand
  • Nur bedingt geeignet bei hohen Genauigkeitsanforderungen
  • Ungeeignet bei stark gestörtem Strömungsprofil des Messmediums

Corolis-Massendurchflussmesser

  • Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten, Gase
  • Gleichzeitige Messung von Massendurchfluss, Gesamtmasse, Volumendurchfluss, Gesamtvolumen, Dichte, Temperatur und Fraktionsdurchfluss absolut und prozentual mit gleichem Sensor möglich
  • Geeignet für alle pumpfähigen Medien
  • Unabhängig von Dichte, Temperatur, Druck, Viskosität und Leitfähigkeit
  • Hohe Genauigkeit
  • Teilweise geringer Druckverlust
  • Empfindlich gegen Vibrationen
  • Inbetriebnahme und Betrieb (z. T.) ohne Vorkenntnisse und Kalibrierung möglich

Quelle(n):

  • Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 360 ff.
  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 258 ff.

Massenbestimmung

Um die Masse der in verfahrenstechnischen Prozessen oder Fertigungsverfahren eingesetzten Stoffe und Materialien zu bestimmen, kommen im industriellen Umfeld folgende Waagen oder Wägesysteme zum Einsatz:

  • Waagen mit Kraftmess-Sensoren
  • Wägesysteme mit Wägezellen
  • Wägeplattformen
  • Behälterwaagen
  • Förderbandwaagen

Die Bestimmung der Masse der eingesetzten oder erhaltenen Stoffportion stellt ein probates Hilfsmittel in der Prozess-/Verfahrensbeurteilung bezogen auf die Materialeffizienz dar.

Quelle(n):

  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 271 f.

Mengenbestimmung

Die genaue Kenntnis von in einem bestimmten Zeit- und Rohrabschnitt geflossene Masse oder Volumen (Mengenbestimmung) gasförmiger und flüssiger Medien ist bei verfahrenstechnischen Prozessen für chemisch-technische Berechnungen wichtig. Vor allem bildet die korrekte Mengenbestimmung bei diskontinuierlichen Prozessen (Batch-Prozessen) die Voraussetzung für das richtige Ansetzen von Chargen. Eine fehlerhafte Mengenbestimmung kann zu nicht optimalen Batchprozessen mit Umsatzeinbußen oder zu nicht effizient funktionierenden Reaktoren oder Trenneinheiten führen. Genaue und korrekt verwendete Mengenmesser tragen daher maßgeblich zu einer effizienten Stoffnutzung im chemischen Prozess bei. Im Folgenden sind die gängigen Mengenbestimmungsverfahren mit ihren wesentlichen Eigenschaften aufgeführt. Aufgrund der geringen Querschnitte im Messbereich wird ein Filtereinsatz vor der Messeinheit dringend empfohlen, um mögliche Feststoffpartikel zu entfernen.

Turbinenradzähler

  • Geeignet für Gase und besonders niedrigviskose und schlecht schmierende Flüssigkeiten (auch für sehr kleine Volumenströme)
  • Hohe Messgenauigkeit bei großen Volumenströmen und niedrig viskosen Medien
  • Auch für extreme Temperaturen und Drücke geeignet
  • Nicht geeignet für stark verunreinigte, klebende, erosive Messmedien mit hoher Viskosität
  • Besonders für große Gasvolumenströme geeignet

Ovalradzähler

  • Geeignet für alle pumpbaren Medien, auch für extrem hohe Viskositäten (bis > 100.000 mPa∙s)
  • Hohe Messgenauigkeit und -beständigkeit
  • Geringes Bauvolumen bei großen Nennweiten
  • Dispergierte Gasanteile führen zu ungenauen Messungen, Gasabscheider verwenden
  • Nicht geeignet für niedrigviskose, schlecht schmierende Messmedien
  • Messkammer ist gut zu reinigen
  • Vermeidung von Trockenlauf

Drehkolben-Gaszähler

  • Überwiegend für Gase geeignet, aber auch Bauformen für Flüssigkeiten erhältlich
  • Hohe Messgenauigkeit
  • Relativ kleiner Druckverlust
  • Hohe Messempfindlichkeit
  • Nicht geeignet bei Feststoffverunreinigungen
  • Relativ hohes Gewicht bei großen Nennweiten

Ringkolbenzähler

  • Geeignet für überwiegend homogene, nicht verunreinigte Flüssigkeiten (auch hochviskos) ohne dispergierte Gase
  • Hohe Lebensdauer und wartungsarm
  • Relativ geringer Druckverlust
  • Leiser und billiger als Ovalradzähler
  • Messkammer ist gut zu reinigen
  • Große Materialauswahl für Kolben

Quelle(n):

  • Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 362 ff.
  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 262 ff.

Energiemessung

Gute Praxis

1-Zielstellung

Energiedatenerfassung von Anlagen oder Anlagenkomponenten um

  • Effizienzvergleich über verschiedene Betriebspunkte oder vergleichbare Anlagen zu ermöglichen,
  • Einsparpotenziale abzuleiten,
  • Energieeffizienzsteigerung zu bewerten,
  • Verbrauch zu überwachen,
  • Kennzahlen nachzuweisen,
  • Transparenz zu schaffen,
  • Mitarbeiter zu sensibilisieren.

Quelle(n):

  • Neugebauer, R. (2013): Handbuch Ressourcenorientierte Produktion. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, ISBN 978-3-446-43008-2 , S. 197 f.
  • Schächtele, K. und Krämer, S. (2011): Energieeffizienz – Energieeffizienz als Querschnittsthema der Namur [online]. Vogel Business Media GmbH & Co.KG, 11. Nov. 2011, verfügbar unter: , S. 41 Link

2-Erfassung

Um die Energieeffizienz einer Anlage zu bewerten, ist eine Verbrauchsmessung der eingesetzten Energieträger (z. B. Strom, Dampf, Erdgas, Erdöl, Druckluft) in Abhängigkeit der Zeit und der spezifischen Produktionsbedingungen (z. B. Produktionsmenge) notwendig. Die Verbrauchsmessungen erfolgen durch die Erfassung und Auswertung elektrischer und nichtelektrischer Kenngrößen.

  • Elektrische Kenngrößen: Leistung, Stromstärke, Spannung, Widerstand
  • Nichtelektrische Kenngrößen:
    - Durchflussmengen, Temperaturen, Drücke oder Füllstände der Energieträger Dampf, Erdgas, Erdöl und Druckluft
    - Verlustwärme

Allerdings gestaltet sich die Ermittlung des Gesamtverbrauchs eines Energieträgers aufgrund von Datenlücken oft als schwierig. Um eine umfassende Datenanalyse zu erlauben, sollten demnach Energieverbrauchsdaten kontinuierlich erfasst werden.

Quelle(n):

  • NAMUR (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR), Arbeitskreis 4.17 "Energieeffizinez", Arbeitsblatt NA 140. S. 9 f.
  • Neugebauer, R. (2013): Handbuch Ressourcenorientierte Produktion. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, ISBN 978-3-446-43008-2 S. 209 ff.

3-Umsetzung Effizienzpotenziale

Nach Erfassung von Energieverbrauchsdaten können in einer Grob- und Feinanalyse (siehe „MSR – Allgemein“ → „Steigerung der Energieeffizienz verfahrenstechnischer Anlagen durch Prozessautomatisierung“) die Ursachen für Effizienzverluste identifiziert und daraus Optimierungspotenziale und Lösungsvorschläge entwickelt werden. Handelt es sich um eine große Zahl an Energieverbrauchern, ist es ratsam, vor der Grob- und Feinanalyse eine Priorisierung der vermuteten Effizienzpotenziale durchzuführen. Damit die während der Analyse erarbeiteten Strategien und Maßnahmen effizient und nachhaltig sind, sollten Experten aus den betreffenden Fachbereichen für die meist komplexen Fragestellungen zusammenarbeiten.

Quelle(n):

  • Schächtele, K. und Krämer, S. (2011): Energieeffizienz – Energieeffizienz als Querschnittsthema der Namur [online]. Vogel Business Media GmbH & Co.KG, 11. Nov. 2011, verfügbar unter: [abgerufen am: 19. Jan. 2015] Link

Messung von Stoff-/Produkteigenschaften

Projekte

Batch-weise Kalibrierung von Multi-Gas-Sensoren mit ProCal

Prozesseigenschaften:
  • Analysemonitore auf der Basis von Metalloxidgassensoren müssen kalibriert werden (hohe Kosten)
  • Entwicklung eines mathematischen Verfahrens (ProCal) zur batch-weisen Kalibrierung
  • Aufwand um Faktor 5 im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduziert
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Beschleunigte und ressourcenschonende Entwicklung von Katalysatoren für Multikomponenten-Polymere

Prozesseigenschaften:
  • Kürzere und ressourcenschonende Entwicklung von Katalysatoren für die Herstellung polymerer Werkstoffe
  • Kombination verschiedener Methoden: „High-Troughput“-Evaluierung, Online-Polymeranalytik, Aufbau von Datenbanken und Datenanalysen
  • Schnelle Polyolefinanalytik mittels Raman- sowie NIR-Spektroskopie ohne notwendige Probenvorbereitung
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ENPRO-Initiative bringt Produkte aus dem Labor schneller auf den Markt

Prozesseigenschaften:
  • Projektziel: neue Produkte aus dem Labor schneller marktreif machen
  • Kleinstanlagen bzw. Versuchsaufbauten direkt auf Produktionsanlagen übertragen
  • Schwerpunkt: Einsatz und Entwicklung nichtinvasiver Messtechniken, Automatisierung, Simulation von energie- und materialeffizienten Prozessen sowie Bewertungsmethoden des Energie- und Materialverbrauchs
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Entwicklung eines Handmessgerätes zur Erfassung von Schadstoffen in der Umwelt

Prozesseigenschaften:
  • Messgerät zur Erfassung gasförmiger Schadstoffe in der Umgebungsluft
  • Kleine Baugröße und geringes Gewicht ermöglichen mobilen Einsatz
  • Einsatzmöglichkeiten: bspw. Brennwertbestimmung, Überwachung von Biogasanlagen
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Entwicklung von Testmethoden für die Hochdurchsatz-Charakterisierung von wasserbasierten Einbrenn- und Reaktivlacken mittels Ultraschall

Prozesseigenschaften:
  • Einsatz von Ultraschall bei Testmethoden für Hochdurchsatz-Charakterisierung von wasserbasierten Einbrenn- und Reaktivlacken
  • Entwicklung einer mehrkanaligen, schnellen und robusten Ultraschallmesszelle (bis 180 °C)
  • Ermöglicht bspw. bei der Rezepturentwicklung zeitaufgelöste Messungen der viskoelastischen Eigenschaften während des Verfilmungs- und Verfestigungsprozesses
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Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Sensorik in der Biotechnologie:

Prozesseigenschaften:
  • Verbund Sensorik: Öffentlichkeitsarbeit sowie Koordination von Projekten zwischen verschiedenen Partnern
  • Einzelprojekte zur Entwicklung und für den Einsatz von Biosensorsystemen für umweltentlastende oder ressourcenschonende Technologien, Produkte und Produktionsprozesse
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Initiative "Quality by Design" zur Vermeidung von Fehlchargen mittels "Real Time Release Testing"

Prozesseigenschaften:
  • Messungen der Substanzeigenschaften mit Sensoren und Analysegeräte schon während der Produktion (Real Time Release Testing) mittels Prozessanalysetechnik zusätzlich zur reinen Eingangs- und Endkontrolle 
  • Daten werden mittels Software ausgewertet und mit Kennwerten verglichen, um evtl. Anpassungen rechtzeitig durchführen zu können
  • Vermeidung von Fehlchargen
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Partikelladungsmessung bei der Steuerung bestehender Flockungssysteme zur Senkung von Wasser- und Chemikalienverbräuchen und Kreislaufführung der Prozesswässer in keramischen Produktionsbetrieben

Prozesseigenschaften:
  • Messung der Oberflächenladung statt Trübungsmessung im Prozesswasser
  • Ermöglicht Vermeidung von Überflockung
  • 50 – 70 % weniger Flockungsmittelverbrauch möglich
  • Deutliche Reduzierung des Wasserverbrauchs bei nicht abwasserfreien Unternehmen durch erhöhte Recyclingquote
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Stoffe und Reaktionen – Eine saubere Sache

Prozesseigenschaften:
  • Hochdurchsatz-Verfahren (HTE – High Throughput-Experimentation)
  • Eine Art der Technologieplattform, die verschiedene Methoden verknüpft (Mikroreaktor-Techniken, molekulare Computersimulation, statistische Versuchsplanung oder Massenscreening-Verfahren)
  • Ermöglicht schnelle und kostengünstige Suche nach Stoffen mit bestimmten Eigenschaften (bspw. Katalysatoren)
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Überwachung des Resin Transfer Moulding (RTM)-Prozesses mit Hilfe der Ultraschallmesstechnik zur umweltgerechten Herstellung von Faserverbundkunststoffen (FVK)

Prozesseigenschaften:
  • Durch Ultraschallmesstechnik Optimierung des RTM-Prozesses
  • Exakte Prozessführung und dadurch Reduzierung der Zykluszeit
  • Reduzierung der Spülzeiten und des Harzabfalls sowie Energieeinsparung
  • Entwicklung von neuen RTM-Werkzeugen und RTM-Bauteilen zeit- und kostensparender
  • Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
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Gute Praxis

Dichte

Die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten dient zur Prozesssteuerung und -überwachung sowie zur Qualitätssicherung.

  • Diskontinuierliche Messung: Probenahme und Dichte-Messung im Labor erfolgen mit Pyknometer, Aräometer oder Westphal’scher Waage; eignet sich gut zur Qualitätssicherung
  • Kontinuierliche Messung: Online-Dichtemessung erfolgt mit Biegeschwinger, Schwinggabel-Sensor; eignet sich gut zur kontinuierlichen Prozesssteuerung und ‑überwachung

Quelle(n):

  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 281

Elektrische Leitfähigkeit

Die Ermittlung der Ionenkonzentration in wässrigen Lösungen erfolgt durch Messung der Leitfähigkeit. Die Kenntnis der Ionenkonzentration dient z. B. zur Qualitätsbestimmung von Abwässern, zur Gehaltsbestimmung von Säuren, Laugen und Galvanik-Bädern oder zur Überwachung von Ionentauscheranlagen. Leitfähigkeitsmessgeräte bestehen aus einem Messfühler und einer Auswerte- und Anzeigeeinheit. Für die Messung niedriger und hoher Ionenkonzentrationen besteht der Messfühler aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden. Der Messfühler wird direkt in die wässrige Lösung eingetaucht und dabei an einer Rohrleitung oder einem Behälter befestigt (angeflanscht). Das Messgerät ist empfindlich durch Partikel verursachte Verschmutzungen und muss in regelmäßigen Abständen kalibriert werden.

Quelle(n):

  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 283

Konzentration (Inline-Messung)

Bei der Anwendung von Inline-Konzentrationsmessverfahren ist eine aufwendige Probenaufbereitung nicht mehr notwendig. Die Verwendung von Laborchemikalien und ‑geräten sowie die Inanspruchnahme zusätzlicher Räumlichkeiten entfallen dementsprechend. In der Regel beeinflussen Inline-Messverfahren das Messmedium in geringerem Maße, verglichen mit Offline-Verfahren. Dies führt zu genaueren Messungen sowie kürzeren Messtotzeiten und damit zu einer besseren Ausregelung, sprich effektiveren Nutzung der Anlage. Zudem erlauben die deutlich verkürzten Messzeiten ein schnelleres Erkennen und Vermeiden von unzulässigen Anlagenzuständen.

Gängige Inline-Messverfahren:

  • ATR-Spektroskopie (MIR-Bereich): ATR-Spektroskopie ist vor allem für Gase geeignet, jedoch auch für Flüssigkeiten. Als Lichtwellenleiter kommen die Materialien Halegonid und Chalkogenid in Frage (Quarz nicht). Vorteil ist in dem Fall, dass die Verwendung optischer Multiplexer und damit eine simultane Messung an verschiedenen Stellen möglich ist. Die Materialien weisen jedoch schlechte mechanische Eigenschaften auf. Alternativ wird ein Hohlleiter-Spiegelsystem verwendet, das die Strahlung auf den ATR-Kristall lenkt. Die Sonden sind Kombinationen auf einem IR-durchlässigen Kristall, gepaart mit der eigentlichen ATR-Schicht aus – je nach Wellenlänge – Diamant, Silizium, Zirkonium. Solche Systeme sind bis 100 bar und 250 °C einsetzbar.
  • Laser-Spektroskopie: Bei der Laser-Spektroskopie wird der Laserstrahl direkt durch die zwei Fenster in der Rohrleitung vom Sender zum Empfänger geschickt. Es können lediglich Gase, diese aber unabhängig von der Temperatur des Mediums, vermessen werden. Mit Diodenlaser-Spektrometern können nur kleinere Moleküle erfasst werden. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle ist hier die Sauerstoffbestimmung mittels AlGaAs-Lasern. Mit InGaAs-Lasern lassen sich eine Reihe weiterer kleiner Moleküle bestimmen (CO, HCl, HCN, NO etc.). Der Trend bei dieser Technologie geht zu Quantenkaskadenlasern. Mit dieser Technik konnte die Messempfindlichkeit erheblich gesteigert und das Spektrum an messbaren Substanzen signifikant erhöht werden. Die „Fenster-Technologie“ wurde in den letzten Jahren deutlich verbessert, so dass sich die Messfehler deutlich verringert haben. Mittels spezieller Fensterflansche ist es heute möglich, Messstörungen zu vermeiden, Verschmutzungen vorzubeugen und eine Reinigung mit Dampf zu ermöglichen.
  • NIR-Spektroskopie: Das Anwendungsspektrum der NIR-Spektroskopie konnte sich in den letzten Jahrzehnten insbesondere durch komplexe chemometrische Auswertealgorithmen von einem Online-Verfahren zu einer Inline-Methode entwickeln. Der Aufbau umfasst eine optische Sonde, Lichtwellenleiter und das Spektrometer selbst. Die rechnergestützte Auswertung macht es nach Ermittlung geeigneter Kalibrierungen möglich, komplexe flüssige Stoffgemische in ihrer Konzentration, aber auch in Bezug auf Temperatur, Dichte, Viskosität oder Säurezahl zu überwachen. Entsprechend breit gefächert ist der Anwendungsbereich: Produkteingangskontrolle, Verfahrensüberwachung, Qualitätssicherung, aber auch Reaktionsaufklärung sind möglich. Die simultane Überwachung mehrerer Messstellen mit einem Spektrometer ist ebenso umsetzbar.
  • Raman-Spektroskopie: Die Raman-Spektroskopie kann dann eine Alternative darstellen, wenn Moleküle bzw. ihre Schwingungen im IR-Spektrum schlecht nachweisbar sind, wobei die Raman-Spektroskopie ein dichtes Medium (Flüssigkeit, Feststoff) voraussetzt. Gut nachweisen lassen sich symmetrische Moleküle und Ionen. Ein Vorteil liegt auch darin, dass Wasser die Messung nicht stört, was es für den Einsatz in der Emulsionspolymerisation interessant macht. Die Messung erfolgt durch ein Fenster in der Außenwand und nicht im Medium selbst. Die Signalübertragung kann mittels Lichtwellenleiter stattfinden, wobei Störungen durch Fluoreszenz möglich sind.
  • Terahertzspektroskopie: PE, PP, Teflon, aber auch Karton und div. Textilien sind im Gegensatz zu Metallen für Terahertzstrahlung vollständig transparent und weisen eine hohe Eindringtiefe und gute räumliche Auflösung auf. Dies macht die Technik interessant für nichtinvasive Inline-Messverfahren sowie dreidimensionale Tomographie. Ihre Verwendung ist außerdem unabhängig vom Aggregatzustand des Mediums. THz-Strahlung regt vor allem schwache Bindungstypen (Wasserstoffbrücken, VdW-Bindungen) an und eignet sich für große und komplexe Moleküle, wie z. B. biologische Makromoleküle. Da Wasser die Strahlung absorbiert, ist auch eine Bestimmung der Restfeuchte möglich.
  • Transmissions-Spektroskopie (UV/Vis-Bereich): Die UV/Vis-Spektroskopie eignet sich sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen zur Konzentrationsbestimmung (z. B. Aromaten, Nitroverbindungen, Chlor, Ozon, Nitrit etc.), zur Farbzahlbestimmung und zur Trübungsmessung. Es werden entweder Lichtwellenleiter verwendet oder Quarz-, Borosilikat- oder Saphirfenster direkt in die Rohrleitung eingesetzt. Unter 250 nm können Lichtwellenleiter auf Grund des Solarisationseffekts nur eingeschränkt verwendet werden. Aus Gründen der Robustheit und der Messgeschwindigkeit kommen hauptsächlich Diodenarray-Spektrometer zum Einsatz. Für Trübungsmessungen werden Photometer mit zwei Detektoren in unterschiedlichen Winkeln verwendet.
  • Ultraschall-Messtechnik: Gemessen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Medium. Diese ist abhängig von diversen Stoffparametern – Druck, Temperatur, Viskosität, Dichte, Zusammensetzung, Kompressibilität, Strömungsgeschwindigkeit – und kann somit für die Bestimmung eben dieser eingesetzt werden. Für Konzentrationsmessungen ist der Einsatz jedoch auf binäre bzw. quasibinäre Systeme beschränkt. Es gibt Messköpfe für invasive, wie nichtinvasive Messungen in flüssigen Medien. Für eine korrekte Auswertung ist ein Kennlinienfeld zu vermessen und mit den Messwerten zu verrechnen. Insbesondere der Temperatureinfluss muss hier korrigiert werden.

 

ATR-Spektroskopie

Gase,
Flüssigkeiten

invasiv

Konzentration

mehrere Messstellen
simultan möglich

IR-Spektroskopie

Flüssigkeiten

invasiv

Konzentration:
Zweikomponenten-Systeme (meist Wasser + Stoff X)

Stoffidentifikation,
Qualitätssicherung,
Reaktionsaufklärung,
Reaktionsüberwachung,
mehrere Messstellen
simultan möglich

Laser-Spektroskopie

Gase

nicht-invasiv

Konzentration:
TDLS (ppm):
kleine Moleküle, Sauerstoff
QCLS (ppb):
größerer Moleküle

Hochtemperaturbereich

Raman-Spektroskopie

Feststoffe,
Flüssigkeiten 

nicht-invasiv

Konzentration:
symmetrische Moleküle und Ionen (alles, was im IR schwach schwingt, schwingt hier gut)

Messung in Emulsionen

Therahertz-Spektroskopie

Feststoffe,
Flüssigkeiten,
Gase

nicht-invasiv

Konzentration:
komplexe Moleküle,
Biomoleküle,
Wasser (Restfeuchte)

2-D-Imaging,
3-D-Tomographie,
Stoffidentifikation

Transmissions-
Spektroskopie

Flüssigkeiten,
Gase

invasiv/
nicht-invasiv

Konzentration:
Aromate,
Nitroverbindungen,
unges. CH-Verbindungen,
Carbonylverbindungen,
Chlor,
Ozon,
Wasserstoffperoxyd,
Nitrat/Nitrit

Trübungsmessungen

Ultraschall

Flüssigkeiten

invasiv/
nicht-invasiv

Konzentration:
Zweikomponenten-Systeme

Stoffidentifikation

Quelle(n):

  • Kasten, W. (2008): Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Inline-Prozessanalysetechnik. atp edition, Heft 9 S. 58 ff.

Partikel-/Tropfengröße

Die Kenntnis über die Partikel- oder Tropfengrößenverteilung und die damit einhergehende Größe der Phasengrenzfläche ist entscheidend bei der Steuerung und Regelung disperser Reaktions- oder Prozesssysteme. Eine schnelle Analyse der dispersen Phase ermöglicht die Minimierung von Materialeinsatz, Energieeintrag und/oder Abfallprodukten. Folgende Technologien werden zur Bestimmung von Partikel- oder Tropfengröße und -konzentration eingesetzt:

  • Photo-optische Inline-Messtechnik (inklusive innovativer Bildbearbeitungssoftware)
  • Diverse Lasermesstechniken wie z. B. Laserbeugung, Photonendichtewellen-Spektroskopie
  • Photo-Sonden wie z. B. Endoskope, Mikroskope

Quelle(n):

  • Kraume, M. und Maaß, S. (2012): Prozesse auf Basis der Partikelgröße steuern. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6 S. 31-33
  • Reich, O.; Bressel, L.; Hass, R. und Münzberg, M. (2012): Prozessanalyse stark lichtstreuender Dispersionen mit Photonendichtewellen-Spektroskopie. Chemie Ingenieur Technik, 84, Nr. 8

pH-Wert

Bei vielen chemischen Reaktionen beeinflusst der pH-Wert den Reaktionsverlauf (z. B. Reaktionsgeschwindigkeit, Gleichgewicht). Ein Monitoring des pH-Werts unterstützt daher eine optimierte Reaktionsführung, was i. d. R. zu einem effizienten Stoffeinsatz führt. Für den Einsatz im technischen Prozess werden Einstab-Elektroden, bestehend aus Bezugs- und Messelektrode, eingesetzt. Mit ihnen sind kontinuierliche Messungen möglich. Sie sind fest in einer Rohrleitung oder einem Apparat (z. B. Reaktor) installiert.

Quelle(n):

  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 283 f.

Technologie-Roadmap für Prozess-Sensoren

Eine wirtschaftliche Prozessführung in der chemischen Industrie bedeutet im Kern eine optimale Ausnutzung von Rohstoffen, Energie und Anlagen. Ideale Prozess-Sensoriken stellen in diesem Sinne einen globalen Wettbewerbsvorteil dar.

Im Rahmen der Technologie-Roadmap Prozess-Sensoren wurde zusammengefasst feststellt, dass zukünftig völlig neue Messgrößen in komplexeren Stoffgemischen in kleineren Konzentrationen online in ihrer räumlichen Verteilung gemessen werden müssen, um den technologischen und wirtschaftlichen Vorsprung zu halten und auszubauen. Dabei müssen die Sensorsysteme gleichermaßen robust und flexibel sein.

Folgende Trends wurden identifiziert:

  • Zunehmend werden bestehende Anlagen innerhalb ihrer Lebenszeit optimiert. Sensoren müssen folglich robust, langzeitstabil und kompatibel sein.
  • Trendinformationen und räumliche Verteilung der Informationen zu Produkteigenschaften im Herstellungsprozess werden zunehmend bedeutsam für eine ressourceneffiziente Prozesssteuerung.
  • Durch den zunehmenden Einsatz von Recyclingmaterial und nachwachsenden Rohstoffen nimmt die Reinheit der Stoffe ab und die Genauigkeitsanforderung an die Messtechnik zu.
  • Komplexe und sensible Prozesse erfordern oftmals hochreine Bedingungen, z. B. in Bezug auf die Umgebungsluft. Die Gasanalytik im ppb-Bereich wird somit zunehmend bedeutsamer.
  • Die steigende Automatisierung logistischer Prozesse erfordert ein sicheres Erkennen von Produkten, Edukten und ihrer Qualitätsmerkmale.
  • Es wird zunehmend bedeutsam, Analysen nicht im Bypass oder im Labor, sondern direkt in den Stoffströmen des Prozesses vorzunehmen.

Messtechnik-Hersteller haben diese Trends in den letzten Jahren aufgegriffen und ihre Entwicklungen in diese Richtung vorangetrieben.

  • Im Bereich der Spektroskopie ließ sich in den vergangenen Jahren ein zunehmender Einsatz in der Industrie verzeichnen. Eine bedeutsame technologische Entwicklung erfuhren Faser-Bragg-Systeme, welche auch an schwierigen Messstellen einfach, schnell, platzsparend und betriebssicher Temperaturprofile ermitteln lassen. Kombinierte spektrometrische Systeme zur quasi simultanen Stoff- und Temperaturmessung sind ebenfalls möglich. Genauere Kenntnisse über die Reaktionsverläufe in Reaktoren erlauben somit einen effizienteren Anlagenbetrieb.
  • Bei der MIR-Spektroskopie stellt die Verschmutzung des Messkopfes in der Regel ein Problem dar. Dem kann heute mit vollautomatischen Wechsel- und Reinigungsarmaturen begegnet werden. Wartung- und Instandhaltungstätigkeiten für solche Systeme sind so weniger kostenintensiv. Eigenschaften, Qualität und Preis von künstlichen CVD-Diamanten machen außerdem ART-Sonden zunehmend rentabel. Die Betriebssicherheit solcher Messsysteme kann durch thermische und mechanische Entkopplungen sichergestellt werden. Die erforderliche Messgenauigkeit kann über Referenzstrecken erreicht werden, wodurch die Anlagensteuerung genauer wird.
  • Je nach Anwendungsfall kann ein mikroreaktionstechnisches Verfahren die effizienteste Art der Produktion ergeben. Für die Prozessführung sind vor allem optische Durchflusszellen bedeutsam, die allerdings hohen Belastungen im Prozess ausgesetzt sind. Es existieren Zellen mit Saphierfenstern, die bis 120 bar und von -80 bis 200 °C belastbar und dabei in der Wellenlänge einstellbar sind. Ebenfalls vorhanden sind Zellen mit Anschlüssen für verschiedenste Lichtquellen.
  • Die Energie- und Signalübertragung zwischen Sensor und Messumformer ist in vielen Systemen ein Schwachpunkt. Der Trend geht hier zu kabelloser Übertragung. Entsprechende elektrochemische Messsysteme liegen im Bereich der pH/Redox-, ISFET-, gelösten Sauerstoff- und Leitfähigkeitsmessung vor. Derartige Systeme sind autoklavierbar und somit auch im sterilen Bereich einsetzbar. Die Praxis berichtet ferner von einer längeren Lebens- und Standzeit einzelner Sensoren und insgesamt geringeren Stillstandszeiten im Prozess durch die höhere Flexibilität bei Wartung und Kalibrierung.
  • Eine weitere bedeutsame Entwicklung gibt es im Bereich der Roh-Datenauswertung. Durch Prinzipien der Mustererkennung in Datensätzen wird es zunehmend möglich, über den reinen Messwert hinaus Informationen über den Zustand des Sensors zu gewinnen und daraus z. B. Wartungs- oder Kalibriernotwendigkeiten gezielt abzuleiten.
  • In Bezug auf biotechnologische Prozesse geht es oftmals darum, über die Messung einen tieferen Einblick in den eigentlichen Ablauf im Reaktor zu bekommen und so eine effizientere Steuerung zu ermöglichen. Ein Aspekt hierbei ist eine automatisierte und sterile Probenahme, zum Beispiel zur Zellzahlbestimmung oder in Kombination mit HPLC zur Konzentrationsbestimmung in Fermentationsprozessen.

Verschiedene Versionen der Technologie-Roadmap für Prozess-Sensoren:

Quelle(n):

  • Babel, W.; Gerlach, M. und Steckenreiter, T. (2009): Fortschritte in der Sensortechnik entlang der Technologie-Roadmap. atp edition, Heft 1-2 S. 101 ff.

Viskosität

Anhand der Messgröße Viskosität kann die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit beschrieben und beurteilt werden. Die Viskosität stellt für die Qualitätssicherung und Prozessführung eine wichtige Größe dar. Folgende Messgeräte stehen zur Verfügung:

Höppler-Kugelfall-Viskosimeter

  • Nur für diskontinuierliche Messung geeignet; Probenahme notwendig
  • Nur für transparente Flüssigkeiten einsetzbar
  • Messvorgang dauert einige Minuten
  • Messwertnahme und Viskositätsberechnung erfolgen manuell
  • Ohne Hilfsenergie
  • Einsatz im Labor und im Betrieb

Rotationsviskosimeter

  • Zwei Geräteausführungen möglich:
    - Diskontinuierliche Rotationsviskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
    - Kontinuierliche Rotationsviskosimeter für Inline-Messung direkt in Rohrleitung einer Anlage
  • (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
  • Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
  • Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Kapillar-Viskosimeter

  • Zwei Geräteausführungen möglich:
    - Diskontinuierliche Kapillar-Viskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
    - Bei einem kontinuierlichen Kapillar-Viskosimeter wird in regelmäßigen Intervallen eine Probe des Messmediums (z. B. aus Rohrleitung) in das Viskosimeter geleitet
  • (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
  • Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
  • Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Quelle(n):

  • Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten S. 282 f.

Regelung

Projekte

Einsparung von Kunststoffeinsatzmengen bei der Kunststoffflaschenproduktion durch einen Qualitätsregelkreis: Maschinensteuerung

Prozesseigenschaften:
  • Reduzierung der Kunststoffeinsatzmenge bei der Produktion von Kunststoffbehältern
  • Kontrolle der Flaschenqualität mittels Bildverarbeitungssystem
  • 3 – 4 % weniger Kunststoffeinsatz
  • „Return of Investment“ unter einem Jahr
Zur kompletten Projektbeschreibung

Entwicklung und Erprobung einer sensorbasierten prädikativen Steuerung bei der industriellen Gewinnung und Nutzanwendung von Prozessgasen

Prozesseigenschaften:
  • Heizwertschwankungen verhindern vollständige energetische Nutzung von Prozessgasen
  • Neuartiges Messsystem erfasst Gasbeschaffenheit ohne Verzögerung, und Messergebnis wird direkt regelungstechnisch zur Brennmediensteuerung verwendet
  • Erhöhung des Wirkungsgrads der Prozessgasverbrennung
  • Reduzierung von Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen
Zur kompletten Projektbeschreibung

Regelungs- und Verfahrenstechnik zur Optimierung von Schüttgewichtsschwankungen bei der Herstellung von PET- u. PET/PA- Verpackungsband

Prozesseigenschaften:
  • Gesamtprojekt: Produktion von Verpackungsbändern aus PET- und PET/PA-Multilayer-Abfällen
  • Bestandteil des Projekts: Vermeidung von Überfütterungen des Doppelschnecken-Extruders durch
    - Sekündliche Messungen zur Ermittlung des Massendurchsatzes beim Füttern des Doppelschnecken-Extruders sowie
    - Entwicklung und Umsetzung eines regelungstechnischen Konzepts
Zur kompletten Projektbeschreibung

Szenarienbasierte selbstoptimierende Regelungen für energieeffiziente Pumpen

Prozesseigenschaften:
  • Selbstoptimierende Regelungen für Pumpen
  • Reduzierung des Energieverbrauchs
Zur kompletten Projektbeschreibung

Gute Praxis

Advanced Process Control Methoden

Bei komplexen Prozessen ist es nicht trivial, den Prozessverlauf möglichst nah an das energetische Optimum hinzuführen. In solchen Fällen sorgen Advanced Process Control (APC) Methoden für einen optimierten Betrieb der eingesetzten Regler. Die in den APC-Methoden angewendeten Prozesskenntnisse werden aus Prozessmodellen und Erfahrungswissen (z. B. Störgrößenaufschaltung) gewonnen. Der Aufwand einer Implementierung und Anwendung der APC-Methoden war bisher recht hoch, dem Einsatz entsprechend erst bei sehr hohen Komplexitätsgraden (z. B. großen Kontianlagen) sinnvoll. Mittlerweile sind jedoch auch Standard-Softwaremodule für Prozessleitsysteme verfügbar, die den Einsatz bei kleineren Anwendungen (kleine Konti- oder Batchanlagen) interessant machen. Die Komplexitätsgrenzen, bei denen sich ein Einsatz lohnt, wurden deutlich herabgesenkt.
Folgende gängige Methoden stehen zur Auswahl und sind für Konti- und Batchanlagen geeignet:

  • Statistikbasierte APC-Methode (datengetriebene Methoden): Bei dieser Methode basiert die Ermittlung einer optimierten Stellgröße auf der statistischen Auswertung des zeitlichen Verlaufs von Prozessgrößen und dem daraus gewonnenen statistischen Prozessmodell. Vor der Übergabe der ermittelten Stellgröße an den Regler wird diese mit den Erfahrungswerten des Anlagenbedieners abgeglichen und gegebenenfalls angepasst.
  • Modellgestützte prädikative Regelung (MPC): Bei dieser Methode wird durch die Entwicklung und Anwendung eines dynamischen Modells für das betrachtete Verfahren das zukünftige Prozessverhalten (Verlauf von Prozessgrößen) vorhergesagt. Dies erlaubt ein gezieltes Optimieren der Stelleingriffe an der Basisregelung. Ziel dabei ist es, den optimalen Betriebspunkt zu erreichen.
  • Online-Optimierung: Diese Methode basiert auf der Anwendung stationärer, rigoroser Modelle. In Abhängigkeit der vorliegenden Prozesszustandsgrößen berechnet ein Online-Optimierer den optimalen Arbeitspunkt für eine energetisch und stofflich effiziente Betriebsweise. Als Ergebnis der Online-Optimierung werden Sollwerte für die untergeordnete Basisregelung ermittelt. Optimierungskriterium kann beispielsweise eine Kostenfunktion aus Rohstoff- oder Energiekosten sein.

Praxisbeispiel(e) finden Sie unter http://www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 71 – 75).

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 53, 57 ff.
  • NAMUR, Arbeitskreis 4.17 „Energieeffizienz“ (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Arbeitsblatt NA 140., NAMUR S. 8

Drehzahlgeregelte Systeme

Elektrische Antriebe, die ungeregelt oder mit unangepassten Werkseinstellungen betrieben werden, sind in den meisten Fällen nicht energieeffizient. Optimal eingestellte Regler und Steuerungsparameter sowie Verfahren zur automatisierten Nachregelung der Drehzahl bewirken eine bestmögliche Ausnutzung der aufgenommenen Leistung.

Quelle(n):

  • VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (2017): Ressource Deutschland DE [online]. VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, verfügbar unter: Link

Optimierte Basisregelung

Die effiziente Nutzung der verwendeten Ressourcen (Stoffströme und Energie) in einem Prozess wird unter anderem durch die eingesetzte Basisregelung bestimmt. Eine bestehende Basisregelung sollte regelmäßig vom Anlagenbediener hinsichtlich der Erfüllung der Regelaufgabe (z. B. „geringes Schwingen" der Regelgröße, keine Störung der Folgeprozessschritte) bewertet werden. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die gewählten Regel- und Stellgrößen sowie der Sollwert dazu geeignet sind, die Zielstellung der Regelaufgabe zu erfüllen. Eine Nichterfüllung der Regelaufgabe kann durch folgende Maßnahmen korrigiert werden:

  • Änderung der gewählten Regel-, Stellgrößen und/oder Sollwerte
  • Änderung der eingesetzten Regelstruktur hin zu einer komplexeren Struktur (z. B. Kaskadenregelung)

Voraussetzung für das Erkennen einer ungünstigen Regelstruktur während des Anlagenbetriebs durch ein fachgerechtes Reglermonitoring ist eine gewisse Beurteilungskompetenz der Anlagenfahrer. Diese kann durch regelmäßige Schulungen gefördert und auf den aktuellsten Stand gebracht werden. Um schon zu Beginn der Betriebsphase ungünstige Regelstrukturen zu verhindern, sollten bereits während der Anlagenplanungsphase Prozessführungsingenieure oder Ingenieure mit Prozessführungserfahrung beteiligt werden.

Praxisbeispiel(e) finden Sie unter http://www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 70 f.).

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 52

Pumpenregelung

  • Eine besonders energiesparende Regelung stellt die Veränderung der Drehzahl einer Pumpe dar. Die Methode ist vor allem für Anlagen mit schwankendem Förderbedarf geeignet, da die Pumpe durch die Drehzahlregelung einfach den Förderbedürfnissen angepasst wird. Um bei einer nichtdrehzahlgeregelten Pumpe die benötigte Durchflussmenge durch Variation der Pumpendrehzahl zu erreichen, kann diese mit einem Frequenzumrichter umgerüstet werden. „Der vergleichsweise kleine Umbau erzielt i. d. R. große Einsparungen. Es gilt die Faustregel, dass eine Halbierung der Fördermenge mit Drehzahlregelung einer Reduktion der Leistung auf etwa ein Achtel entspricht." [Schächtele, Krämer (2012), S. 38].
  • Mit einer Parallelschaltung mehrerer Pumpen kann das Fördervolumen dem Bedarf angepasst werden. Zur Regulierung werden einfach einzelne Pumpen im Volllastbetrieb hinzu- oder abgeschaltet. Im Teillastbereich entsteht dadurch eine höhere Redundanz. Totalausfälle während Reparatur- oder Wartungsarbeiten werden vermieden. Nachteile sind der größere Platzbedarf und die höheren Investitionskosten durch eine höhere Pumpenanzahl.
  • Bei der Bypassregelung (Pumpenregelung mit Hilfe eines Bypasses) wird eine bestimmte Menge des zu transportierenden und zurzeit nicht gebrauchten Mediums zum Saugstutzen oder Saugbehälter zurückgeführt. Bei dieser Methode nimmt der Gesamtwirkungsgrad der Anlage stark ab. Energieeinsparungen können mit einer Bypassregelung nicht erreicht werden, da die Motorleistung unabhängig von der Fördermenge immer 100 % beträgt.
  • Bei der Drosselung regelt eine Drosselarmatur die Fördermenge. Im Gegensatz zur Bypassregelung wird hier Energie eingespart. Eine Drosselung macht insbesondere bei Systemen mit kurzzeitig verringertem Volumenstrom Sinn. Allerdings sind Drosselventile sehr wartungsintensiv.
  • Bei der Ein-aus-Regelung wird der Durchfluss durch Ein- und Ausschalten der Pumpe geregelt. Eine Pumpe benötigt im ausgeschalteten Zustand keine Energie. Bei dieser Methode sind allerdings auch die erforderliche Anfahrenergie sowie die Belastung der Stromnetze oder des Motors zu beachten.

Quelle(n):

  • Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft [BMLFUW] (2006): Energieeffizienz in Pumpensystemen – Beraterinformation klima:aktiv Programm energieeffiziente Betriebe. BMLFUW, auch verfügbar als PDF unter: Link
  • Schächtele, K. und Krämer, S. (2012): Energieoptimierung in der Chemieindustrie. atp edition, Heft 1-2, 01. Jan. 2012. S. 38

Regelgütemanagement

Die Durchführung eines Regelgütemanagements erlaubt eine Überwachung und Optimierung der Prozessführung bei schwankenden Anlagenauslastungen oder auftretenden Störgrößen. Dadurch wird der Prozessbetrieb außerhalb des „optimalen Bereichs“, welcher normalerweise mit einem erhöhten Energieverbrauch oder einem verringerten Umsatz einhergeht, vermieden. Eine effiziente Nutzung der eingesetzten Ressourcen (Stoffströme, Energie) wird durch eine kontinuierliche Überwachung und Optimierung der Regelgüte von Basisregelkreisen sichergestellt. Der kontinuierliche Verbesserungsprozess der Regelgüte lässt sich in Analysephase und Optimierungsphase unterteilen:

Analysephase
Bestimmung und Dokumentation der Regelgüte eines jeden Regelkreises (für verschiedene Last-, An- und Abfahrphasen) durch Erfassung von

  • betrieblichen Messwerten (Ist-, Soll- und Stellwert etc.),
  • Regelungsart (Durchfluss, Füllstand etc.),
  • Regelstruktur (Kaskade etc.) und
  • Reglerverhalten (Führungs- und Störverhalten, Reglergeschwindigkeit etc.).

Ab einer bestimmten Anzahl an Regelkreisen empfiehlt sich eine softwaregestützte Analyse. Dazu werden alle relevanten Informationen aus dem Prozessleitsystem extrahiert und auf eine Analysesoftware überspielt.

Optimierungsphase
Aus den analysierten Verbesserungspotenzialen werden Maßnahmen zur Verbesserung der Regelgüte abgeleitet und umgesetzt. Folgende Maßnahmen werden häufig umgesetzt:

  • Überprüfung der Sensortechnik
  • Veränderung der Reglereinstellungen
  • Verfahrensänderungen

Für ein umfassendes Regelgütemanagement sind folgende Kompetenzen gefragt:

  • Verfahrenskompetenz (Verfahrensingenieur): Einschätzung von Auswirkungen auf das Verfahrensverhalten durch Änderungen
  • Anlagenkompetenz (Schichtführer): Kenntnis über typische Fahrweisen und Probleme
  • Prozessleittechnik(PLT)-Kompetenz (PLT-Techniker): Kenntnis über die (gesamte) Prozessleittechnik und über verschiedenste Möglichkeiten des Reglertunings
  • Advanced-Process-Control(APC)-Kompetenz (APC-Ingenieur): Einbringen und Bewerten komplexer Lösungsansätze, Beratung im kontinuierlichen Verbesserungsprozess

Weiterführende Informationen bezüglich der Durchführung eines Regelgütemanagements bietet die NAMUR-Richtlinie NE 152 "Regelgütemanagement: Überwachung und Optimierung der Basisregelung von Produktionsanlagen", abrufbar unter: http://www.namur.net/de/publikationen/news-archiv/detail/article/die-ne-152-ist-neu-erschienen.html

Quelle(n):

  • Wolf, F. und Krämer, S. (2014): Regelgütemanagement – Überwachung und Optimierung der Basisregelung. atp edition, Ausgabe 3 S. 58 f., 61

Stellgerät (Aktor)

Projekte

(EAP-)Silikonfolien als Rollware für den Einsatz bei Aktoren- und Sensorbauteilen

Prozesseigenschaften:
  • EAP-Folien aus Silikonelastomeren (elektroaktive Polymere)
  • Entwicklung von Folien als Rollware eignet sich zur Massenfertigung von Aktoren, Sensoren und Generatoren
  • EAP-Aktoren arbeiten präzise und äußerst effizient
  • Bauteile aus EAPs sind robust, langlebig und wartungsarm
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Dielektrische Elastomer-Aktoren

Prozesseigenschaften:
  • Neue Aktuator- bzw. Antriebssysteme: Elektroaktive Polymere (EAPs) auf Basis von dielektrischen Elastomeren
  • Energieeffiziente Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie
  • Entwicklung neuartiger Pneumatikventile
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Gute Praxis

Aktor - elektrisch

Elektrische Aktoren sind elektromechanische Stellgeräte. Je nach Anwendung unterscheiden sie sich durch verschiedene Ansteuerungsmöglichkeiten (Lineardirektantrieb oder Linearbewegung mit rotatorischen Antrieben). Eine hohe Kontrollierbarkeit und Präzision der Positionierung (flexibles Bewegungsprofil), kurze Rüstzeiten, hohe Zuverlässigkeit, geringer Wartungsaufwand führen zu einer hohen Betriebseffizienz. Effizienzsteigerungspotenziale liegen bei der Reibungsreduzierung von mechanischen Bauteilen, im Leichtbau und in der Kühlung der Aktor-Komponenten.

Quelle(n):

  • Büngers, A. (2012): Fluidtechnische Aktoren. Sommersemester 2012. Technische Hochschule Mittelhessen, auch verfügbar als PDF unter: [abgerufen am: 20. Okt. 2015] Link

Aktor - pneumatisch

Die Hilfsenergie für pneumatische Aktoren wird anhand von Druckluft geleistet. Durch den Steuerdruck wird die Bewegung direkt oder durch eine Hebelübersetzung auf ein Ventil, eine Klappe, einen Zylinderkolben etc. übertragen. Pneumatische Stellgeräte finden in der Prozessindustrie eine breite Anwendung. Prinzipiell werden zwei pneumatische Aktorentypen unterschieden:

Standard-Pneumatik

  • Vorteil: Aufbau und Steuerung sind nicht komplex.
  • Nachteil: In jedem Bewegungszyklus wird eine Zylinderkammer mit Druckluft bis zum Erreichen des Versorgungsdruckniveaus gefüllt und nach dem Bewegungswechsel komplett wieder entleert. Unabhängig von der Anwendung (Last, dynamische Parameter) ist der Luftverbrauch recht hoch.

Servo-Pneumatik

  • Vorteil: Gleichzeitige Positions- und Kraftregelung ist möglich. Der Luftverbrauch ist abhängig von der Anwendung.
  • Nachteil: Der Aufbau des Aktorsystems (Sensorik, Regelungssoftware und -hardware) ist aufwendiger und entsprechend preisintensiver.

Drucklufterzeugung

Druckluft wird unter erheblichem Energieeinsatz erzeugt, aufbereitet und in Rohrleitungen zur Verfügung gestellt. Folgende Maßnahmen steigern die Energieeffizienz in der gesamten Druckluftkette:

  • Einsatz effizienter Kompressoren (Abwärmenutzung, Volumen-Profil-basierte Dimensionierung)
  • Optimierte Druckluftaufbereitung
  • Anwendungsspezifische Dimensionierung der Druckluftzuleitungen
  • Regelmäßige Kontrolle der Druckluftzufuhrleitungen: Leckagesuche

Quelle(n):

  • Büngers, A. (2012): Fluidtechnische Aktoren. Sommersemester 2012. Technische Hochschule Mittelhessen, auch verfügbar als PDF unter: [abgerufen am: 20. Okt. 2015] Link
  • Deutsche Energie-Agentur GmbH [DENA] (2012): Druckluftsysteme in Industrie und Gewerbe. Ein Ratgeber zur systematischen energetischen Modernisierung. Nov. 2012

Aktor – Vergleich elektrisch und pneumatisch

Werden pneumatische und elektrische Aktoren im Fall gleicher Bewegungsausübung miteinander verglichen, so stellt sich je nach Anwendung ein ganz unterschiedlicher Energiebedarf heraus. Welcher der beiden Aktortypen die beste Energieeffizienz aufweist, lässt sich nicht generell beantworten. Das Energieeffizienzpotenzial des jeweiligen Aktortyps ist direkt von der spezifischen Anwendung abhängig und muss im Einzelfall analysiert werden.

  • Pneumatische Aktoren sind am effizientesten für Bewegungen mit weniger als drei Positionen oder für den Einsatz mit großer Kraftausübung auf kleinem Raum. Im Haltebetrieb wird entsprechend dem Funktionsprinzip keine Energie verbraucht.
  • Elektrische Aktoren sind für flexible, komplexe und präzise Positionieraufgaben sowie bei größeren Weglängen (> 100 cm), höheren Geschwindigkeiten und kurzen Zyklen effizient einsetzbar. Im Vergleich zu pneumatischen Aktoren verbrauchen sie für die gleiche Halteaufgabe weniger Energie. Allerdings wird zum Erzeugen der Haltekraft während des gesamten Haltebetriebs kontinuierlich Energie benötigt.

Quelle(n):

  • Drescher, U. (2013): Elektrische und pneumatische Antriebe im exakten Vergleich [online]. Vogel Business Media GmbH & Co. KG, 19. März 2013, verfügbar unter: [abgerufen am: 16. Jan. 2015] Link
  • Knoll, A. (2012): Elektrische Antriebstechnik verdrängt pneumatische nicht [online]. WEKA Fachmedien GmbH, 06. Dez. 2012, verfügbar unter: [abgerufen am: 16. Jan. 2015] [abgerufen am: 16. Jan. 2015] Link

Effizienzpotenziale

Der Energieverbrauch von Aktoren (Stellgeräte) wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

  • Regelgüte
  • Hilfsenergieverbrauch
  • Dimensionierung und Effizienz der Gerätekomponenten (Signalumformer, Steller, Stellglied)
  • Quantität und Qualität von Wartungen

Das Energieeinsparpotenzial wird durch eine optimale Auslegung des gesamten Stellgerätes, die Auswahl hocheffizienter Stellgerätekomponenten in Abhängigkeit der Regel- und Steueraufgabe und eine optimierte Betriebsweise erreicht. Durch folgende grundlegende Strategien sind zum Teil signifikante Energieeinsparungen erzielbar:

  • Optimierte Prozessregelkonzepte: bis zu 40 %
  • Effiziente Stellgeräte-Dimensionierung: bis zu 25 %
  • Regelmäßige Wartungsintervalle: bis zu 5 %

Zum Erkennen von Energieeinsparpotenzialen sind eine Bestandsaufnahme und Bewertung des Ist-Zustandes (Art und Funktionsweise der Aktor-Komponenten) bzgl. Prozess- und Regelungsanforderungen notwendig. Folgende konkrete Maßnahmen führen zu Energieeffizienzsteigerungen:

  • Auswahl kompakter Antriebe
  • Vermeiden von nichtkorrekt dimensionierten Komponenten (Ventile etc.)
  • Mechanische Antriebselemente sollten einen geringen Reibwiderstand aufweisen
  • Bedarfsgerechte Auswahl von Anbaugeräten
  • Vermeiden von instabilen Regelkreisen
  • Vermeiden von regeltechnisch schlecht eingestellten Regelventilen
  • Abschalten der Druckluftzufuhr vor Erreichen des Endpunkts (bei pneumatischen Aktoren)
  • Verwenden von möglichst leckagearmen Antrieben (bei pneumatischen Aktoren)
  • Nutzen von Diagnosetools zur Detektion von Leckagen (bei pneumatischen Aktoren)

Quelle(n):

  • NAMUR (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR), Arbeitskreis 4.17 "Energieeffizinez", Arbeitsblatt NA 140. S. 44 f.

Elektromotorische Antriebe

In der chemischen Produktion entspricht der größte Anteil an eingesetzten elektrischen Aktoren der Gruppe der elektromotorischen Antriebe. Eine effektive Methode, den Energieverbrauch elektrischer Antriebe zu mindern, besteht in der Verwendung von Frequenzumrichtern. Durch ihren Einsatz werden die normalerweise gleichförmige Amplitude und Frequenz der Wechselspannung der Motorantriebsleistung nach Bedarf angepasst und somit der Stromverbrauch des Antriebs reduziert. Durch die Steuerung von Frequenz und Spannungsamplitude ist eine stufenlose Regelung der Drehzahl beim Drehstrommotor möglich. Mit drehzahl- bzw. leistungsgeregelten Motoren können gegenüber ungeregelten Systemen zwischen 20 – 70 % Energie eingespart werden.

Quelle(n):

  • Linnenbrink, H. (2008): Was man über die Antriebstechnik in der chemischen Verfahrenstechnik wissen sollte. atp edition, Heft 3
  • energie.ch ag (2015): Energiesparen mit Frequenzumrichter [online]. energie.ch ag, verfügbar unter: Link
  • Gräf, M. (2010): Energieeffizienz – Die Automatisierungsbranche entdeckt ein neues Thema [online]. 27. VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V., 27. Jan. 2010, verfügbar unter: [abgerufen am: 14. Jan. 2015] Link

Steuerung

Projekte

Effiziente Steuersysteme – Blue Competence

Prozesseigenschaften:
  • Konfigurierbares Steuerungssystem
  • Nur 0,8 W Stromverbrauch
  • Energieeinsparung von bis zu 80 %
  • CO2-Einsparung 6,30 kg/a bei 4800 Betriebsstunden
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Ganzheitliche Energie- und Ressourcenoptimierung in der industriellen Fertigung von Lackaerosolen durch vernetzte elektronische Steuerungen

Prozesseigenschaften:
  • Vernetzung von Anlage zur Lackaerosolherstellung und den zugehörigen Komponenten durch ein elektronisches zentrales Steuerungssystem
  • Effizienterer Umgang mit Energie
  • Energieeinsparung: ca. 206.330 kWh
  • CO2-Einsparung: ca. 123.798 kg/a
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Gute Praxis

Automatisches Abschalten

Die Steuerung von gesamten Anlagen oder einzelnen Apparaten erlaubt oftmals eine automatische Abschaltung nicht benötigter Komponenten nach einigen Minuten der Inaktivität. Wenn die temporäre Abschaltung im Prozess nicht sinnvoll ist, kann eine Start-Stopp-Automatik die Energieeffizienz steigern. Eine Anlage oder ein Apparat wird somit per Knopfdruck oder über die Leitsteuerung schnellstmöglich in einen energiesparenden Zustand versetzt.

Quelle(n):

  • VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (2017): Ressource Deutschland DE [online]. VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, verfügbar unter: Link

Rezeptsteuerung

Rezeptsteuerungen, überwiegend in Batchprozessen eingesetzt, können im Rahmen einer innovativen Prozessführung zu Ressourceneffizienzsteigerungen führen.

Zwei Anwendungen aus der Praxis:

  • Die Automatisierung des Anfahrprozesses einer kontinuierlich betriebenen Produktionsanlage durch die Verwendung einer Rezeptsteuerung führt zur Verringerung des Verbrauchs von Energie und Einsatzstoffen in dieser Phase. Verglichen mit der manuellen Anfahrweise wird die Anfahrzeit um 30 % reduziert. Die Rezeptsteuerungssoftware greift über ein separates Datenverarbeitungssystem auf das Leitsystem zu.
  • Eine Erweiterung der Rezeptsteuerung mit einer iterativ lernenden Regelung ermöglicht eine deutliche Energie- und Zeitersparnis (30 %) in einem zweistufigen Polymerisationsprozess. Die in der ersten Reaktionsphase frei werdende Energie wird zur Temperaturerhöhung auf das erforderliche Niveau in der zweiten Reaktionsphase genutzt. Durch die iterative Auswertung der bereits gefahrenen Batches wird der optimale Zeitpunkt ermittelt, die Kühlung auszuschalten, um das höhere Temperaturniveau der nachfolgenden Reaktionsphase zu erzielen.

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 56 f.

MSR – Allgemein

Projekte

Chip für ein kontinuierliches Online-Monitoring chemischer und biologischer Prozesse

Prozesseigenschaften:
  • Entwicklung kostengünstiger, robuster, kontinuierlich arbeitender Messverfahren
  • Erkennung und Quantifizierung von Inhaltsstoffen flüssiger Gemische
  • Keine aufwendige Probenvorbereitung oder -isolierung notwendig
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Drehzahlvariabler Vakuumpumpenantrieb

Prozesseigenschaften:
  • Drehstrom-Asynchronmotor eignen sich besser als Antrieb für Vakuumpumpen als Wechselstrommotoren
  • Reduzierung des Energiebedarfs im Leerlauf
  • Einsatz von Frequenzumrichtern
  • Reduzierung der Geräuschemission
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Entwicklung einer sensorbasierten prädikativen Steuerung bei der industriellen Gewinnung und Nutzanwendung von Prozeßgasen

Prozesseigenschaften:
  • Industrielle Prozessgase obliegen produktions- und verfahrensbedingt starken Heizwert-Schwankungen: Voraussetzung für eine energieeffiziente thermische Verwertung ist daher ein effektives Regelungskonzept
  • Erprobung unterschiedlicher Regelungskonzepte an einer multivalent befeuerten Brennerversuchsanlage
  • Regelung von Wärmemenge und Gas-Luft-Verhältnis und Vergleich mit einer dynamischen Gassteuerung
  • Reaktionszeiterhöhung der Regelung auf Heizwertschwankungen
  • Steigerung des energetischen Wirkungsgrads
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Optimale Steuerung in der chemischen Produktion

Prozesseigenschaften:
  • Entwicklung einer Computer-Software zur umweltgerechten Prozessführung und Zustandsüberwachung von diskontinuierlich betriebenen Produktionsanlagen (batch und semi-batch)
  • Verbesserung des Reaktionsablaufs durch frühzeitiges Erkennen von Abweichungen vom optimalen Prozesszustand
  • Verringerung von Energie- und Hilfsstoffeinsatz nachfolgender Produktreinigungsstufen
  • Vermeiden von Fehlchargen
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Gute Praxis

Innovative Prozessführung

Eine innovative Prozessführung wird durch einen hohen Automatisierungsgrad und ein umfangreiches Prozesswissen erreicht. Definition „innovative Prozessführung“ nach Schuler (1999): „Prozessführung ist die Gestaltung und Beherrschung des Verhaltens eines Prozesses durch zielgerichtete technische Maßnahmen (z. B. Verfahrenstechnik, Automatisierungstechnik und andere technische Disziplinen) sowie durch die Tätigkeit der Anlagenfahrer.“ Durch die innovative Prozessführung wird in erster Linie eine Erhöhung der Produktausbeute, der Produktqualität, der Energieeffizienz und des Durchsatzes erzielt. Demnach ist durch innovative Prozessführung eine Steigerung der Material- und Energieeffizienz möglich. Anhand umfangreicher Methoden und Instrumente ist eine innovative Prozessführung möglich:

Automatisierung

  • Optimierte (ertüchtigte) Basisautomatisierung
  • Modell- und statistikbasierte Advanced Process Control Systeme (datengetriebene Methoden)
  • Softsensoren
  • Rezeptsteuerungen
  • Prozessdiagnose
  • Plant Asset Management

Prozesswissen

  • Mitarbeiterschulung und Trainingsimulation (Anlagen- und Prozessmodelle)
  • Wissenmanagement
  • Datenanalyse und Statistik

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 49 f.
  • Krämer, S.; Bamberg, A.; Dünnebier, G.; Hagenmeyer, V.; Piechottka, U. und Schmitz, S. (2008): Prozessführung: Beispiele, Erfahrung und Entwicklung. atp edition, Heft 2 S. 69 f.
  • Schuler, H. (1999): Prozessführung. Oldenbourg Verlag, München

Prozessdiagnose

Bei einer Prozessdiagnose erfolgt das Erkennen kritischer Zustände und Störungen durch die Erfassung, Überwachung und Bewertung relevanter Prozessgrößen. Dazu werden Soll- und Ist-Zustände online und in Echtzeit miteinander verglichen, um gegebenenfalls mit Mitteln der Prozessführung auf identifizierte Störungen zu reagieren. Neben der Diagnose des Prozesszustandes werden in der Regel Informationen zum Zustand und Verhalten der eingesetzten Anlagenkomponenten gewonnen. Die für die Prozessführung und Regelung eingesetzten Feldgeräte (Sensoren, Regler etc.) und deren Messdaten können für die Prozessdiagnose genutzt werden.

Praxisbeispiele:

  • Regelgüteauswertung: Die Aufzeichnung und Auswertung relevanter Reglerdaten wie Soll- und Istwerte, Stellgrößen erlauben z. B. mit Hilfe grafischer Darstellungsmethoden die Beurteilung der eingesetzten Regelkreise. Dadurch können nicht optimal eingestellte Regler oder fehlerhafte Stellglieder (z. B. Ventile) leicht identifiziert und Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Die Datenerfassung erfolgt in der Regel mit Hilfe des Prozessleit- (PLS) und Prozessinformationsmanagementsystems (PIMS).
  • Fingerabdruck-Methode für Batchreaktoren: Um den Reaktionsverlauf eines Batches ad hoc beurteilen zu können, werden im Rahmen dieser Methode eine große Anzahl bereits absolvierter Batchversuche ausgewertet. Alle hinsichtlich Zeit- und Umsatzentwicklung gut verlaufenden Batches werden zusammen in einem typischen Diagrammtyp (z. B. Zeit, Umsatz) dargestellt. Dabei wird ein Reaktionsverlaufsbereich, welcher durch eine obere und untere Verlaufsgrenze markiert ist, ermittelt. Alle Reaktionsverläufe, die innerhalb dieses Bereichs liegen, werden für gut befunden. Alle außerhalb der Bereichsgrenze liegenden Verläufe entsprechen nicht den Vorgaben und sollten aus ökonomischen und ökologischen Gründen abgebrochen werden. Mit dieser Methode werden dem Anlagenfahrer eine sofortige Beurteilung der Verlaufsgüte eines Batches sowie schnelles Handeln ermöglicht.
  • Ein weiteres Praxisbeispiel finden Sie unter http://www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 76).

Im Bereich Prozessdiagnose besteht ein großes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz. Die zurzeit angewendeten Methoden und Tools sollten anwendungsorientierter und funktionaler werden. Zudem sollten sie leichter in die vorhandenen Automatisierungssysteme integrierbar sein.

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 59 ff.
  • Krämer, S.; Bamberg, A.; Dünnebier, G.; Hagenmeyer, V.; Piechottka, U. und Schmitz, S. (2008): Prozessführung: Beispiele, Erfahrung und Entwicklung. atp edition, Heft 2 S. 76 ff.

Sensorkalibrierung

Durch Sensoren generierte Messwerte bilden häufig entscheidende Inputgrößen für Prozessführungsstrategien. Um Fehlentscheidungen vorzubeugen, die zu ungünstigen Betriebspunkten und damit zu erhöhtem Energie- oder Stoffverbrauch führen könnten, ist das Auftreten von Messfehlern zu verhindern. Durch regelmäßiges Kalibrieren der Sensoren wird eine Messung außerhalb der vorgegebenen Toleranzbereiche und somit das Auftreten von Messfehlern verhindert. Sinnvolle Kalibrierabstände werden in der Regel vom Sensorhersteller festgelegt und in der Betriebsanweisung kommuniziert. Eine Dokumentation der Kalibrierdaten (z. B. Kalibrierfunktion) ist sinnvoll, da aus der Kalibrierhistorie diverse Überprüfungen und damit verbundene Rückschlüsse möglich sind:

  • Alterung des Sensors (Sensoraustausch)
  • Überprüfung der Kalibrierabstände (Verlängerung oder Verkürzung)

Quelle(n):

  • VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (2017): Ressource Deutschland DE [online]. VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, verfügbar unter: Link

Softsensoren

Softsensoren können aus gängigen Prozessgrößen wie Volumenstrom, Temperatur oder Druck unter Zuhilfenahme von Modellen nur schwer oder nicht messbare Größen berechnen. Die Kenntnis über nicht messbare Prozessgrößen wie Wärmeströme oder die Produktkonzentration im gesamten Prozessverlauf, obwohl diese eigentlich nur diskontinuierlich bestimmbar ist, vergrößert das Prozessverständnis deutlich. Dies führt zu einer verbesserten Prozesssteuerung und ‑regelung und somit zu einer effizienteren Nutzung von Energie und Einsatzstoffen. Beispielsweise können durch das frühzeitige Erkennen von Störgrößen Fehlchargen verhindert und somit Stoff- und Energieverluste vermieden werden.

Praxisbeispiele:

  • Ein kalorischer Softsensor ermittelt aus gemessenen Temperatur- und Durchflusswerten eines Semi-Batchreaktorsystems unter Zuhilfenahme von Massen- und Energiebilanzen sowie Reaktorgeometriedaten nicht direkt messbare Größen wie diverse Enthalpieströme im Reaktorsystem, zeitabhängige Wärmeübergangskoeffizienten und Eduktmengen. Dadurch wird eine effizientere Prozessführung möglich.
  • Ein weiteres Praxisbeispiel finden Sie unter http://www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 72 f.).

Quelle(n):

  • Hagenmeyer, V. und Piechottka, U.(2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 54 ff.

Steigerung der Energieeffizienz durch Prozessautomatisierung

Die Steigerung der Energieeffizienz verfahrenstechnischer Anlagen durch Prozessautomatisierung erfolgt durch

  • kontinuierliches Energiemonitoring und
  • Maßnahmen zur Umsetzung einer energieoptimierten Prozessführung.

Ziel ist es, den Nutzungs- und Wirkungsgrad einer Anlage bei gleichzeitiger Reduktion des spezifischen Energieverbrauchs zu steigern. Zur Ableitung und Umsetzung von Maßnahmen für einen reduzierten spezifischen Energieverbrauch werden folgende Schritte empfohlen:

  • Erfassung und Bewertung des Ist-Zustandes: Sammlung und Auswertung der Daten zum prozessspezifischen Energieverbrauch wie Art und Menge der eingesetzten Energie; Darstellung der verwendeten Technologien für die Bereitstellung, Umwandlung, Versorgung und Speicherung von Energie; Ermittlung von spezifischen Informationen der eingesetzten Energieverbraucher (z. B. Wirkungsgrad und Auslastung); Darstellung der anlagen- und prozessspezifischen Energieintegration.
  • Zweistufige Bewertung des Ist-Zustandes: Durch eine Grobanalyse und eine Feinanalyse werden die Anlagen(-komponenten) mit dem hohen Energieverbrauch identifiziert und priorisiert sowie Optimierungspotenziale untersucht:
    - Identifizieren besonders relevanter Energieverbraucher hinsichtlich des Energieeinsparungspotenzials
    - Auswertung des Energieverbrauchs
    - Aufstellung eines Energieflussdiagramms
    - Zuordnung des Energieverbrauchs zu Prozessabläufen und Umgebungseinflüssen
  • Die Bewertung und Maßnahmenauswahl erfolgen auf Basis verschiedener Kriterien (technisch, ökonomisch und ökologisch).
  • Nach der Umsetzung der erarbeiteten Maßnahmen wird regelmäßig ein Erfolgsmonitoring der umgesetzten Maßnahmen durchgeführt.

Quelle(n):

  • NAMUR, Arbeitskreis 4.17 „Energieeffizienz“ (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Arbeitsblatt NA 140., NAMUR S. 9 ff.
  • Schächtele, K. und Krämer, S. (2012): Energieoptimierung in der Chemieindustrie. atp edition, Heft 1-2, 01. Jan. 2012. S. 41

Überwachung von Anlagenkomponenten

Die Voraussetzung für eine hohe Anlagenlebensdauer und das Erreichen optimaler Betriebspunkte ist der optimale Erhalt der Produktionsanlage. Ein langer und stabiler Anlagenbetrieb kann bei gleichbleibender bzw. gesteigerter Produktionsfähigkeit zur Ressourcenschonung beitragen. Eine Abweichung vom optimalen Anlagenbetrieb aufgrund von z. B. schadhaften Komponenten, verschleißfördernden Betriebszuständen sowie Leistungseinschränkungen resultiert i. d. R. in einem erhöhten Rohstoff- und/oder Energieeinsatz.

Eine Zustandsüberwachung von Anlagenkomponenten (z. B. Wärmeübertrager) und Feldgeräten (z. B. Temperaturmessgerät) ist daher sinnvoll. Diese kann wie folgt stattfinden:

  • Offline – Vor-Ort-Überwachung durch Inspektion
  • Online – Zustandsermittlung durch kombinierten Einsatz von Sensoren und Modellen: In Zustandsmodellen wird mit Hilfe der gemessenen Daten der aktuelle Zustand der überwachten Anlagenkomponenten ermittelt:
    - Anlagenzustände werden durch den Einsatz von Sensoren permanent erfasst und analysiert, um hohe energetische Wirkungs- und Nutzungsgrade zu erzielen, Energieverluste einzuschränken oder anfallende Energie zu nutzen. Die regelmäßige Zustandsüberwachung von Anlagen oder einzelner Komponenten führt zur frühzeitigen Erkennung von Verschleißeffekten und dient der Vorbeugung ungeplanter Ausfälle. Auch kann die Lebensdauer von Prozessanlagen dadurch verlängert werden und Instandsetzungsmaßnahmen sind besser planbar.
    - Eine Zustandsüberwachung ist weiterhin mit einer Methodik möglich, bei der keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Hier werden bereits vorhandene Prozessmessdaten analysiert und miteinander verknüpft (Einsatz Neuronaler Netze), um Informationen über den Anlagenzustand zu einem beliebigen Zeitpunkt abzuleiten. Somit wird frühzeitig ein kritischer Anlagenzustand erkannt, noch bevor ein einzelner Messwert oder verschiedene Messwerte eine Meldungsgrenze überschreiten.

Durch die Kombination beider Methoden ist der Zustand von Anlagenteilen, Apparaten oder Maschinen ableitbar. Die Überwachung von Anlagenkomponenten sollte bereits bei der Anlagenplanung mit berücksichtigt werden. Somit können im Vorfeld Fragen wie „Wo kommen welche Sensoren zum Einsatz?“ oder „Welche Modelle sind verfügbar?“ geklärt werden.

Quelle(n):

  • Hotop, R.; Ochs, S. und Ross, T. (2010): Überwachung von Anlagenteilen. atp edition, Heft 6 S. 27 ff.
  • Kuschnerus, N. und Drahten, H. (2007): Welche Automatisierung braucht man wirklich? atp edition, Heft 4 S. 44
  • NAMUR, Arbeitskreis 4.17 „Energieeffizienz“ (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Arbeitsblatt NA 140., NAMUR S. 54 ff.

Virtuelle Inbetriebnahme

Bei einer virtuellen Inbetriebnahme wird anhand eines Anlagen-Simulationsmodells das projektierte Automatisierungssystem vor der eigentlichen Anlageninbetriebnahme getestet. Ziel dabei ist es, Fehler bereits im Vorfeld zu identifizieren. Zudem kann das dynamische Verhalten der Anlage getestet und validiert werden. Dadurch werden Anlagenausfälle, Fehlchargen etc. vermieden. Folglich führt dies zu einem ressourceneffizienten Anlagenbetrieb. Folgende Fehler können durch eine virtuelle Inbetriebnahme beispielsweise behoben werden:

  • Ablauffehler im Steuerungscode (z. B. fehlerhafte Freigabe- und Verriegelungssignale)
  • Tipp- und logische Fehler im Steuerungscode
  • Fehler der Bedienoberfläche

Durch folgende Tests sind zusätzliche Informationen über das Anlagenverhalten in bestimmten Situationen erzielbar:

  • Validierung der geplanten Anlagenparameter
  • Gezielte Simulation von Störungssituationen (z. B. Ausfall von Sensoren, Kabelbruch)

Es gibt zwei Wege, eine virtuelle Inbetriebnahme durchzuführen:

  • „Hardware in the Loop“
  • „Software in the Loop“

Quelle(n):

  • Chan, R. und Krauss, M. (2014): Virtuelle Inbetriebnahme in der Prozessindustrie. atp edition, Heft 6
  • VDI/VDE 3693 Blatt 1:2015-06: Verein Deutscher Ingenieure e.V.,Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik,Virtuelle Inbetriebnahme, Beuth Verlag GmbH, Berlin 2015. S. 2

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