Mit der laufenden Kontrolle der Prozessströme in Fluidsystemen wird sichergestellt, dass das durchgeleitete Medium jederzeit den Spezifikationen entspricht. Um die dafür erforderlichen Proben zu entnehmen, muss ein Probenahmesystem an der betreffenden Prozessleitung angeschlossen sein.
Die Schnittstelle zwischen Prozessleitung und Probenahmesystem ist die Prozessdüse. In aller Regel dient sie als Halterung für die Probenahmesonde, welche die Probenmenge aus dem Prozessstrom aufnimmt und in das Probenahmesystem leitet. Von dort gelangt die Probe entweder in einen Probenbehälter (Probenflasche oder druckstabiler Probenzylinder) oder direkt zum Analysegerät, wo die Probenbeschaffenheit ausgewertet wird.
Auswahl der Prozessdüsen-Position bei nachträglicher Installation des Probenahmesystems
Bei der Planung eines neuen Fluidsystems oder einer Erweiterung legt der Planungsingenieur die genaue Positionierung der Probenentnahme fest, so dass eine Fehlplatzierung ausgeschlossen werden kann. Häufig ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, ein Probenahmesystem in ein bestehendes Fluidsystem zu integrieren. Dann kommt es darauf an, die Lage der Prozessdüse genau festzulegen. Denn davon hängt entscheidend ab, ob repräsentative Proben genommen werden können.
Damit die Prozessdüse an der richtigen Stelle positioniert wird, sind eine ganze Reihe von Einflussfaktoren zu berücksichtigen, die eine Probenahme beeinträchtigen können. Daher ist die Suche nach der richtigen Position der Entnahmestelle kein leichtes Unterfangen.
Das Wichtigste zuerst: die gründliche Durchmischung des Prozessmediums
Das wichtigste Kriterium für die Entnahme einer repräsentative Probe ist die gründliche Durchmischung des Prozessmediums. Sofern es sich um ein Stoffgemisch handelt, wird sicherstellt, dass alle enthaltenen Stoffe am Ort der Probenahme gleichmäßig und nach Spezifikation verteilt sind. Denn manche Medien neigen dazu, sich bei gleichmäßiger Fließgeschwindigkeit auf längeren Strecken zu entmischen. Auch bei einem Reinstoffmedium sorgt die Verwirbelung für eine die Probenanalyse begünstigende Homogenisierung.
Eine Durchmischung des Prozessmediums wird durch eine Durchflussstörung erzielt. Dies kann ein eingebauter statischer Mischer sein. Ist diese Lösung nicht möglich, sollte eine Stelle gewählt werden, an der systemseitig natürliche Turbulenzen gegeben sind, z.B. ein Winkelstück, wo durch die Richtungsänderung Verwirbelungen entstehen. Auch hinter installierten Komponenten, deren Anschlüsse die homogene Innenoberfläche der Prozessleitung unterbrechen, treten Verwirbelungen auf und sorgen für eine Durchmischung des Prozessmediums.
In oder unmittelbar hinter den Verwirbelungszonen treten Wirbelströme und Druckschwankungen auf. Da diese das Analyseergebnis verfälschen können, sollte die Probenentnahmestelle einen angemessenen Abstand hinter dem statischen Mischer oder der Durchflussstörung installiert werden. Der empfohlene Abstand und die Auswahl weiterer wichtiger Kriterien, die für die Auswahl der optimalen Entnahmeposition von Bedeutung sind, ergeben sich aus der Art des Prozessstroms. Diese werden in folgenden Absätzen behandelt werden:
- Gas-Prozessstrom
- Dampf-Prozessstrom
- Flüssigkeits-Prozessstrom
Entnahmepositionen bei einem Gas-Prozessstrom
Ideal für die Entnahmestelle einer Gasprobe ist ein lange, horizontale Rohrleitung des Hauptprozessstroms. Eine Prozessdüse mit integrierter Probensonde, die sich auf der Rohroberseite befindet und senkrecht nach unten in den Prozessstrom ragt, bietet den Vorteil, dass Schmutzpartikel oder Flüssigkeitströpfchen nicht in die Düse respektive Entnahmesonde gelangen können.
Ist sichergestellt, dass der Gasstrom stets sauber und trocken ist, lässt sich die Prozessdüse auch seitlich an der Prozessleitung anbringen, so dass die Sonde horizontal ausgerichtet ist. Diese Anordnung ist bei unsauberen Gasströmen nicht zu empfehlen, da die Gefahr besteht, dass in der Sonde der Gasstrom zu wenig Turbulenzen aufweist, wodurch die Schmutzpartikel im Inneren der Sonde absinken und diese verstopfen können.
Derselbe Effekt ist zu erwarten, wenn bei einer vertikalen Prozessleitung die Prozessdüse bzw. die Entnahmesonde im rechten Winkel zum Prozessstrom, also horizontal, angeordnet ist. Gibt es keine andere Möglichkeit als die der horizontalen Positionierung, sollte eine großkalibrige Prozessdüse in Verbindung mit einer dazu passenden Probensonde verwendet werden. In diesem Fall spielt auch die Temperatur des Gasstroms eine beachtenswerte Rolle. Die Temperatur sollte in jedem Fall über dem Taupunkt liegen, damit die Gasprobe nicht in der Sonde kondensiert.
Im Fall einer Rauchgasüberwachung sollte die Temperatur in der Umgebung der Düse/Sonde bei knapp über 600 °C betragen.
Die US Umweltschutzbehörde EPA empfiehlt einen Abstand der Prozessdüse bei einem Gas-Prozessstrom von mindestens dem doppelten Rohrdurchmesser hinter der letzten Verwirbelung.
Handelt es sich um Rauchgas sind alternativ diese Abstände empfohlen:
1. acht Rohrdurchmesser hinter und zwei vor einer Turbulenzen verursachenden Stelle
2. mindestens zwei Rohrdurchmesser hinter und einen halben Durchmesser vor einer Durchflussstörung
Entnahmepositionen bei einem Dampf-Prozessstrom
Bei bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen neigt Dampf sehr leicht zur Kondensation. Das Gleiche gilt für einen Prozessstrom, der nahe am Taupunkt liegt. Diese Bereitschaft zur Kondensation wird durch Verwirbelungen an Durchflussstörungen verstärkt. Damit die Dampfprobe in der Sonde nicht in flüssiges Kondensat übergeht, ist die Einhaltung eines Mindestabstands besonders wichtig. Nach ISO 10715 1997, 13 muss sich eine Entnahmestelle mindestens 20 Rohrdurchmesser hinter einer Durchflussstörung befinden. Die US-Norm API MPMS 14.1 2006, 15 schreibt mindestens 5 Rohrdurchmesser vor.
Sofern sich in der Prozessleitung eine weitere Sonde befindet, beispielsweise eine Tauchhülse zur Temperaturmessung, sollte die Entfernung zur Entnahmesonde mindestens fünf Tauchhülsendurchmesser betragen.
Noch größere Abstände fordert die US-Norm ASTM D 1066 bei isokinetischen Proben von gesättigtem Dampf: 35 Rohrdurchmesser nach und vier Rohrdurchmesser vor einer Durchflussstörung. Ist diese Forderung nicht einzuhalten, sollte die Position der Entnahmestelle vor und nach einer Durchflussstörung im Verhältnis 9:1 gewählt werden.
Enthält der Prozessstrom Kondensattröpfchen (z.B. gesättigter Dampf), sollte die Entnahmestelle an einem möglichst langen Prozessrohr mit abwärts gerichtetem Prozessstrom positioniert werden. Hierbei kann der Druck nach unten abnehmen, wenn sich am Ende die Ansaugseite einer Prozesspumpe befindet. Dieser niedrigere Druck kann von Vorteil sein bei einer Gasprobe, die verbrannt wird. Soll jedoch die Probe hinter dem Prozesspumpenausgang entnommen werden und über einen Fastloop auf der Ansaugseite in den Prozessstrom zurückgeführt werden, ist diese Methode ungeeignet.
Entnahmepositionen bei einem Flüssigkeits-Prozessstrom
Eine Prozessleitung, in welcher eine Flüssigkeit senkrecht nach oben transportiert wird, ist, auf den Querschnitt bezogen, immer voll – Grundvoraussetzung für eine reguläre Probenentnahme. Zudem ist eine durchgängige Turbulenz und damit gute Durchmischung des Flüssigkeitsstroms gewährleistet, so dass keine Feststoffpartikel in die Probensonde gelangen können. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Einsatz einer horizontalen Prozessdüse die Probenahmesonde kürzer sein kann, d.h. nicht unbedingt bis in die Strommitte des Prozessrohrs reichen muss.
Ein vertikal nach unten fließender Prozessstrom bietet hingegen keine Gewähr, dass das Leitungsrohr in vollem Querschnitt durchflossen wird. Es sollte deshalb für eine Entnahmestelle nicht vorgesehen werden. Dieses gilt auch für ein horizontal verlaufendes Prozessrohr, vor allem, wenn es anschließend, womöglich im rechten Winkel, abwärts führt. Wird der Prozessstrom hingegen nach der Richtungsänderung nach oben geleitet, ist ebenfalls sichergestellt, dass das horizontale Rohr stets gefüllt ist.
Bei horizontalem Prozessstrom wird im Allgemeinen die Entnahmestelle seitlich angeordnet. Dies gilt jedoch nur, wenn keine Probensonde, sondern einzig eine Prozessdüse verwendet wird. Der Grund: ein zu hohes Risiko, dass die Sonde bei nicht vollständig gefüllter Prozessleitung Dampf aus dem oberen Teil des Rohrs entnimmt und die Probe verfälscht bzw. unbrauchbar wird. Oder die Sonde wird durch aufgewirbelte Partikel aus abgelagertem Schlamm im unteren Teil des Rohrs verstopft.
Die ausschließliche Verwendung einer Prozessdüse hat den Nachteil, dass Proben nur vom Rand des Prozessstroms entnommen werden können. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die Gewähr für eine repräsentative Probe am besten gegeben ist, wenn sie aus der Mitte entnommen wird. Dies ist nur mit einer Sonde möglich. Ragt die Sonde zudem bei horizontalem Leitungsverlauf senkrecht von oben in den Prozessstrom, ist auch der Vorteil gegeben, dass bei der Probenentnahme in das Sondenrohr geratene Feststoffteile durch den Sogeffekt des vorbeifließenden Prozessstroms wieder ausgespült werden.
Die Installation einer Prozessdüse am „Bauch“ des horizontalen Prozessrohrs ist nur dann sinnvoll, wenn eine integrierte Probensonde nach oben bis in Strommitte reicht und etwaige Ablagerungen am Boden des Rohrs die Sonde nicht verstopfen können.
Abklärung der örtlichen Bedingungen
Die Auswahl der optimalen Entnahmestelle bedarf einer eingehenden Besichtigung und Beurteilung aller Örtlichkeiten des Fluidsystems, die für eine Installation der Prozessdüse infrage kommen.
Bevor dann die Entscheidung für eine bestimmte Position getroffen wird, ist zu prüfen, ob alles zusammen passt: ausreichend Platz für die Installation des Absperrventils und der Prozessdüse, eventuell in Abstimmung mit dem Durchmesser der gewählten Probensonde und ihre Ausrichtung. Auch die Zugänglichkeit im Rahmen der Wartung (Entnehmen und Inspektion der Probensonde) und die dafür erforderlichen Lichtverhältnisse sind zu berücksichtigen.
Swagelok Stuttgart – mit Expertise zum Erfolg
Im Rahmen einer repräsentativen Probenentnahme kommt der richtigen Positionierung der Prozessdüse eine zentrale Bedeutung zu. Wenn Sie als Verantwortlicher für ein Fluidsystem auf diesem Gebiet Unterstützung wünschen, stehen Ihnen unsere Experten gerne zur Verfügung. Hier können Sie mehr über unser aktuelles Schulungsangebot erfahren. Durchstöbern Sie unseren Downloadbereich zum Thema Probenahme und laden Sie sich beispielsweise den Guide zu unseren Lösungen für Probenahme herunter.
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