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Tagungsberichte - 1. VDI-Fachkonferenz - Prozessanalytische Messtechnik in der Chemieindustrie - 16. - 17. Februar 2011
in Frankfurt am Main |
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Tagungsbericht und 'extended abstracts' von den Vorträgen |
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Prozessanalytik und Ingenieurwesen - Dies ist kein Widerspruch, wie die
1. Fachkonferenz des VDI zu diesem Thema zeigte.
Etwa vierzig Teilnehmer konnten sich davon überzeugen, dass dieses Symposium eine gute Ergänzung zu den Tagungen des GDCh/DECHEMA-Arbeitskreises Prozessanalytik ist.
Im Vordergrund der Referate stand - wie im Tagungstitel perfekt dargestellt - die Messtechnik mit der Betonung auf der 'Technik'. Die Anforderungen in den rauen und komplexen Produktionsanlagen der Chemie an die Betriebssicherheit, Belastbarkeit und Verfügbarkeit der Mess~Technik werden nur von Geräten erfüllt, die speziell dafür schon entwickelt wurden (Quality of Design).
Der Fachliche Leiter der Konferenz, Dr. Michael Zöchbauer, sieht die neuen Herausforderungen an die Prozess~Analytik vor allem in der Entwicklung von Geräten/Systemen, die in die laufenden Produktionslinien nahtlos integriert werden können; Einzellösungen sind kaum mehr gefragt :
• Chemische Verfahren werden komplexer
• Damit steigen Anforderungen an die Beherrschung der
Verfahren und Prozessschritte
• Produktkontrolle, Arbeitssicherheit, Anlagensicherheit
lassen sich mit der Prozessanalysenmesstechnik
überwachen, regeln und automatisieren
• Die Vielzahl der Messverfahren eröffnet immer neue
Möglichkeiten des Einsatzes in der Prozessanalytik
Die Fachkonferenz stellt Fortschritte und neue
Entwicklungen der Prozessanalysenmesstechnik im
Betrieb vor :
- Prozessanalytik in der Prozessführung
- Effektive optische Prozessmessgeräte –
Construction on Demand
- FTIR/NIR-Prozess-Spektrometersysteme für
spezielle Anwendungen
- Fabry-Perot-Filter in Kombination mit thermischen
und photoleitenden IR-Detektoren
- Spektral durchstimmbare DFB Laser für
Anwendungen in der Gasmessung
- Infrarot-Spektrometrie als Methode der
Betriebs- und Prozessanalytik
- Inline-Prozessanalytik mit integralen
Analysenmessverfahren
- Optische Spektroskopie und Chemometrie für
wissensbasierte Produkte und Verfahren
 Programm
Ankündigung :
Die nächste Fachkonferenz
'
Prozessanalytische Messtechnik in der Chemieindustrie'
wird am
28.- 29. Februar 2012 in Frankfurt am Main |
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Die Rolle der Prozessanalysentechnik in der
Chemischen und Pharmazeutischen Industrie
Moderne Prozessanalysentechnik entwickelt sich mehr und mehr von
„extraktiv“ zu „inline“ und ist damit zunehmend für die automatisierte
Prozessführung einsetzbar.
• Überblick über die Methodenvielfalt in der
Prozessanalytik
• Randbedingungen für den Betrieb
• Total Cost of Ownership
• Instandhaltung
• Ausgewählte Beispiele für spezielle Anwendungen
Dr. Martin Gerlach, Leiter Process Analyzer Technology,
Bayer Technology Services GmbH, Leverkusen
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Optische Spektroskopie und Chemometrie für
wissensbasierte Produkte und Verfahren
Die Prozessanalytik hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Grund
hierfür ist die Notwendigkeit, die Produktivität der Herstellprozesse weiter zu steigern,
aber auch die Einsicht, dass über eine wissensbasierte Produktion dem Kunden
maßgeschneiderte Produkte mit zertifizierter Qualität zur Verfügung gestellt werden
können.
... es
muss intensiv
über die Möglichkeiten zur Optimierung des Wertschöpfungs-/ Technologie-Faktors
nachgedacht werden. Dabei spielt die Prozessanalytik eine entscheidende Rolle.
• Spektroskopie, Chemometrie
• Spektrales Imaging
• Prozesstomographie
• Untersuchung streuender Systeme
Prof. Dr. Rudolf W. Kessler, Fakultät Angewandte
Chemie, Hochschule Reutlingen
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Inline-Prozessanalytik mit integralen Analysenmessverfahren
– Möglichkeiten und Grenzen
Geräteanteil der Prozessanalytik an der Prozessüberwachung : 1981 : Anteil < 4 %
2010 : Anteil ca. 4 – 5 %
• „klassische“ integrale Verfahren bieten Möglichkeiten,
die üblicherweise nicht genutzt werden
• diese Verfahren sind robust, bewährt und oft
kostengünstig
• Kombinationen von integralen Verfahren
ermöglichen Mehrkomponentenanalytik
Dr. Frank Dinger, Geschäftsführer,
MAT MESS-& ANALYSE TECHNIK, Hofgeismar
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Infrarot-Spektrometrie als Methode der Betriebs und
Prozessanalytik
• Stand der Technik und Ausblick
• Einsatzgebiete des Nahen, Mittleren und Fernen
Infrarot (Terahertz)
• Gerätetechnik (Laser-, Gitter-, FT-Spektrometer)
• Anwendungen in gasförmiger, fl üssiger und fester
Phase
• Beispiele aus der chemischen, pharmazeutischen
und stahlverarbeitenden Industrie
Prof. Dr. Karl Molt, Fakultät für Chemie, Universität
Duisburg-Essen, Essen
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011 |
Das IR erstreckt sich von ca. 1 mm - 1000 mm und ist einer der analytisch universellsten Spektralbereiche. Da, im Gegensatz zum UV, alle orgnischen und viele anorganischen Verbindungnen in diesem Spektralgebiet aktiv sind, und zwar in flüssiger, fester und gasförmiger Phase.
Der Klassiker in der Analytischen Chemie ist die Spektrometrie im Mittleren IR, die sich durch gute chemische Interpretierbarkeit und Selektivität auszeichnet. Moderne Präparationstechniken wie die Diamant-ATR erlauben eine routinemäßige Anwendung in der Betriebsanalytik, wobei jedoch i.A. noch ein gewisser manueller Aufwand erforderlich is.
Für eine weitergehende Automatisierung empfiehlt sich das NIR, mit dem es z.B. möglich ist, pulverfürmige Proben berührungslos zu analysieren.
Ebenfalls berührungslos kann im Fernen IR gemessen werden, wo die Eindringtiefen releativ gr0ß sind. Diese Technik erlebt heute unter dem Begriff "Terahertz" eine Renaissance, wobei allerdings neben der spektrometrischen Nutzung in der Öffentlichkeit hauptsächlich bildgebende Verfahren im Vordergrund stehen, die neue Möglichkeiten für die Material- und auch die Personenkontrolle bieten.
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Spektral durchstimmbare DFB Laser für
Anwendungen in der Gasmessung
Wherever rapid measurement, cost effective monitoring or miniaturization of devices is crucial,
the outstanding characteristics of tunable semiconductor lasers show their advantages.
• DFB (distributed feedback laser) Laserdiode
• TDLS (tunable diode laser spectroscopy)
• Optische Gasspektroskopie
• kein Fehlalarm bei Messungen, hohe Sensitivität
und Selektivität
Dr. Lars Hildebrandt, Vertrieb, nanoplus GmbH,
Gerbrunn
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Einsatz von Prozessanalysatoren in der
chemischen Industrie
Prozesskontrolle-Sicherheitskontrolle-Qualitätskontrolle
• NDIR Messtechnik
• Mehrkomponentenmessung
• Prozessmesszellen für Gase und Flüssigkeiten
• ATEX-Gerätekonzept und Eignung
• Applikationsbeispiele
Dr. Michael Boneß, Senior Manager Waste &
Chemical Industry,
Sick Maihak GmbH, Meersburg
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Anwendung von mikromechanischen, elektrisch
durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filtern in der IRAbsorptions-
Spektroskopie: Stand und Perspektiven
Mikrospektrometer
für den Spektralbereich 3-5 μm für z.B. die Mehrkomponentenanalyse in der Prozessmesstechnik
• Fabry-Perot-Filter (FPF) für das MWIR
• Erste Ergebnisse mit Single- und Dual-Band FPF
für die Spektralbereiche 4–5 μm, 8–10.5 μm sowie
5–8 μm
• Scan- und Sweep-Modus
• FPF in Kombination mit thermischen und
photo leitenden IR-Detektoren
Dr. Norbert Neumann, Head R&D Sensor Technology,
InfraTec GmbH, Dresden
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Laser-Spektrometer für die optische Gasanalyse
in der Prozessmesstechnik
Laserspektrometer für die Gase Acetylen, Sauerstoff, Kohlenmonoxid und
Chlorwasserstoff mit guter Querempfindlichkeit und hoher
Genauigkeit für einen breiten Druck und Temperaturbereich
• Laserspektroskopie
• Zielgas in komplexer Gasmatrix
• „kalibrationsfreie“ Messtechnik
• Anwendungen in der Prozessmesstechnik und Abgasuntersuchungen
Dr. Johannes Herbst, Abt. Analysenmesssysteme,
Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik,
Freiburg
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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Für das Spektrometer auf Basis eines
Quantenkaskadenlasers (QCL), der im Bereich von 14 μm Wellenlänge emittiert, wurde
die Interpulsmethode so ausgearbeitet, dass Pyrodetektoren verwendet werden können.
Das System zeigt eine Nachweisgrenze von 10 ppb C2H2 in N2 für 20 s unter den
Betriebsbedingungen (15 m, 50 mbar, 313 K).
Die Separierung der Absorptionslinie in der
Gasmatrix gelingt mit der hohen spektralen Auflösung von 0,01 cm-1.
Es wird des
Weiteren die Methode der direkten kalibrationsfreien Laserspektroskopie anhand eines
Spektrometers für O2, CO und HCL auf Basis von VCSEL (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser) vorgestellt.
Diese Methode findet ihre Anwendung dort, wo eine hohe
Genauigkeit bei stark schwankenden Betriebsbedingungen und langen
Wartungsintervallen benötigt werden.
Mit dem System werden Nachweisgrenzen von 48
ppm für O2, 0,6 ppm für CO und 0,14 ppm für HCL erreicht. |
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Aspekte der Prozessmesstechnik in der
Erdgas- Wirtschaft
Bestimmung des Energieinhaltes von Erdgas und Biogas
• Erweiterte Gasanalyse mit Prozessgaschromatographen
• Analyse der Haupt- und Spurenkomponenten von
Erd- und Biogas
• Analyse des Kohlenwasserstofftaupunkts
• Schnelle, kontinuierliche Gasanalyse mit einem
Sensormesssystem basierend auf IR-Absorption
und Wärmeleitfähigkeitsmessung
Dr. Joachim F. Kastner, Director, Leiter R&D, Elster
GmbH, Dortmund
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Effektive Entwicklungsmethoden für optische
Prozessmessgeräte
Mit mechanisch/optisch/elektronisch/algorithmischen Baukastensystem lassen sich Prozessgeräte effektiv designen
• Raytracing-Methoden
• hochintegrierte Elektronik
• kombinierte Optik/Elektronik/Mechanik-
Entwicklung
• Construction on Demand, Prozessapplikation
Prof. Dr. Matthias Rädle, Institutsleiter Prozessanalysentechnik
u. innovative Energiesysteme, Hochschule Mannheim
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011 |
Qualitätskontrolle und Produktgüte in der chemischen, pharmazeutischen, sowie der Lebensmitteleindustrie bekommt im internationalen Wettbewerb einen immer höheren Stellenwert. Über den Preis oder die Produktqualität können sich Firmen von der Masse absetzen. Eine weitere Herausforderung, gerade im Pharma- und Lebensmittelmarkt, sind die strengen Auflagen der nationalen Behörden.
Laboruntersuchungen zur Offline-Qualitätskontrolle sind kostspielig und die Ergebnisse können aufgrund des Zeitaufwandes nicht zur Prozessregelung verwendet werden.
Mit dem Aufkommen rationeller Entwicklungsmethoden kann sich die Herstellung gut an den jeweiligen Prozess angepasster Sensoren für die Online-Prozessanalytik positiv ändern.
Insbesondere die faseroptischen Mess-Systeme können aufgrund ihrer flexiblen, kompakten Bauart schwer zugängliche Bereiche wie Reaktorleitungen und Düsen optisch überwachen. In Kombination mit Spektrometersystemen können mit solchen Aufbauten zusätzlich Reaktionsverläufe online überwacht und verfolgt werden. Ein weitere Vorteil, speziell im Ex-Bereich, ist die Trennung von Messgerät und Sonde mittels der Lichtwellenleiter (LWL). |
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Einsatz von FTIR/NIR-Prozess-Spektrometersystemen
Die ganze Breite der Prozessanalysentechnik
• Klassische chemische Applikationen
• Spezielle Anwendungen in der Halbleiterindustrie
• Spezielle Anwendungen in der petrochemischen
Industrie
• Luftüberwachung mittels „Remote-Sensing“
Mikaela Farzian, Vertrieb FTIR/NIR Spektroskopie, ABB Automation GmbH, Frankfurt
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011 |
Die physikalische Messmethode der IR- bzw. NIR-Spektroskopie ist in vielen Bereichen der Prozessanalysentechnik erfolgreich eingeführt. Hierzu zählen einerseits Online-Gasanalysegeräte, die für Grenzwertbetimmungen und Grenzwertüberwachungen im mittleren IR-Bereich eingestzt werden, andererseits kontinuierlich messende Spektrometer, die im NIR mithilfe von chemometrischen Modellen die Realisierung mannigfacher Applikationen in unterschiedlichsten Produktbereichen erreichen. Die Anwendungsvielfalt der Methode eröffnet den Einsatz bei chemischen, petrochemischen, biochemischen und pharmazeutischen Fragestellungen, in der Halbleiter- und Solarindustrie und in der Forschung.
Zur Adaption an die kundenseitige Messanforderung sind nicht nur hochpräzise, wartungsarme/freie Geräte nötig, sondern zum Teil auch spezielle Messzellen, die z.B. ein innovasives Scannen des Produktes ermöglichen. Die Bestimmung von hochkonzentrierten Säüuren wie HF, das Monitoren von Flüssigkeiten in einem aeptischen Prozess, genauso wie die quantitative Auswertung des Wirkstoffs eines pharmazeutischen Sirups an der Abfülllinie können so durch einen Silikon- oder Teflonschlauch verwirklicht werden.
Mit schnellscannenden "Open Path"-FTIR-Spektrometern werden im Außenbereich Zusammensetzungen von Gasgemischen untersucht. Einsatzmöglichkeiten liegen bei der Überwachung von Kaminen, von chemischen Parks, der Detektion von toxischen Gasen, der Überwachung von Deponien usw. Für die Untersuchung von exthermen Reaktionen und deren zeitliche und räumliche Ausbreitung nutzt man FTIR-Spektroradiometer, die zusätzlich mit einer entsprechenden Kasmera ausgerüstet sind. |
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Sichere Prozessführung durch zuverlässige Prozessanalysenmesstechnik
Ein ganzheitliches und nachhaltiges Konzept zur Prozessregelung mit Analysenmesstechnik ist Bedingung
- Verbesserte Prozessführung setzt gesicherte
Information durch Prozessanalytik voraus:
• zuverlässige Prozessanalysenmesstechnik
• Strategie und Beispiele
- Potential des durch die genauere Information
besser geführten Prozesses:
• Kosten und Rendite von Projekten der
Prozessanalysenmesstechnik
Dr. Martin Hajduk, Leiter Produktions- und Automatisierungstechnik,
Evonik Degussa GmbH, Hanau
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011 |
Eine verbesserte Prozessführung ist nur mit zuverlässigen Prozessinformationen möglich,
die die Prozessanalysenmesstechnik zur Verfügung stellen muss.
Mit Temperaturen, Drücken und Füllständen zu regeln, ist seit langem Stand der Technik. Viele unterrschiedliche Methoden zur Messung von Stoffkonzentrationen und zur Bestimmung von Stoffeigenschaften wurden als eigenständige Messverfahren entwickelt, jedoch setzt ihr Einsatz zur Prozessregelung ein ganzheitliches und nachhaltiges Konzept voraus :
- Planung,
- Auswahl des Analyseverfahrens
- Art der Probenaufbereitung/Probennahme
- Schulung des Personals
- Potenziale verbesserter Prozessführung
- Benefit einer Prozessanalysenmessstelle
- Betriebsweisen ändern -Analktik liefert die Informationen
- Rendite
- Fähiges Personal
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Prozessanalytische Messsysteme für die Praxis
MEMOSENS-Technologie und SIL-Analysenmessstellen
• prozesstaugliche, robuste Inline-Messgeräte
• zuverlässige Messwerterfassung und Übertragung
• Funktionale Sicherheit (SIL) in der Analysenmesstechnik
Dr. Monika Heisterkamp, Endress+Hauser Conducta GmbH + Co. KG,
Weil am Rhein
Textquelle : Proceedings VDI-Fachkonferenz 2011
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