Grundlagen der Probenahme & Optimierung des Fluidsystems

Wie Probenahmesysteme und Fluidsysteme optimal zusammenarbeiten

Die industrielle Herstellung von Serienprodukten mit gleichbleibenden Eigenschaften bedingt die exakte Einhaltung aller Prozessparameter während der gesamten Herstellung. Bei einem Fluidsystem, das an diesem Herstellungsprozess beteiligt ist, sorgt ein Probenahmesystem dafür, dass dem Fluidsystem jederzeit Proben zur Messung und Kontrolle der Parameter entnommen werden können.

Um ein repräsentatives Messergebnis der Spezifikationen des Prozessmediums zu erzielen, sind folgende Aspekte zu beachten:

• die Probe muss mit dem Analysegerät kompatibel sein
• das Probenahmesystem muss fehlerfrei arbeiten, d.h. die entnommene Probe muss in allen physikalischen und chemischen Eigenschaften den tatsächlichen Prozessbedingungen im System entsprechen
• die Probe muss möglichst aktuell sein, um Verfälschungen des Messergebnisses aufgrund mangelnder Probenbeständigkeit zu vermeiden
• Die Probenbehälter müssen geeignet sein, die chemischen und physikalischen Spezifikationen der aufgenommenen Proben aufrecht zu erhalten

Gründe für Abweichungen von den Prozessspezifikationen

Auch wenn das Probenahmesystem fehlerfrei arbeitet, kann es dennoch Proben liefern, deren Messergebnisse nicht den Spezifikationen entsprechen. Dann ist davon auszugehen, dass der Fehler im Fluidsystem zu suchen ist. Da Fluidsysteme aus zahlreichen unterschiedlichen Komponenten wie z.B. Rohrleitungen und -verschraubungen, Ventile, Messgeräten, Pumpen, Kompressoren u.v.m. bestehen, gibt es auch hier zahlreiche Fehlerquellen.

Beispielsweise können nicht kalibrierte Manometer abweichende Druckwerte anzeigen, wo es auf genaue Einhaltung des Drucks ankommt. Oder ein aggressives Gas- oder Flüssigkeitsgemisch reagiert chemisch mit dem Rohrleitungsmaterial bei der Durchleitung. Dadurch weicht die Probenanalyse von den Spezifikationen ab und kann die Produktqualität beeinträchtigen.

Das heißt: Erst die optimale Auslegung eines Fluidsystems auf die Prozessanforderungen in Verbindung mit einem ebenfalls darauf abgestimmten und zuverlässig arbeitenden Probenahmesystem führt zu objektiv belastbaren Analyseergebnissen.

Häufig auftretende Probleme, die Sie kennen und beachten sollten

Damit eine Probe repräsentativ und das Analyseergebnis aussagefähig ist, müssen zahlreiche Faktoren beachtet werden. Sie beziehen sich zum einen auf die Brauchbarkeit der Probe, zum anderen auf die Effizienz des gesamten Fluidsystems. Denn die langwierige Suche nach den Ursachen für abweichende Messwerte bei den Probenanalysen führen häufig zum Stopp der Systemprozesse und damit zu steigender Ineffizienz.

Wie schon angesprochen, kann der Fehler im Fluidsystem und nicht im Probenahmesystem liegen. Hier ein paar Beispiele von Problemursachen, die oft schwierig und zeitraubend festzustellen sind:

• Falsches Schlauchmaterial: Bei Prozessgasen wie Wasserstoff, Kohlendioxid oder Helium sind Schläuche aus Fluorpolymeren ungeeignet, da die Gase diffundieren können
• Adsorption: Wenn das Prozessmedium die Neigung hat, an der Innenwand der Rohrleitung anzuhaften, können dadurch z.B. Konzentrationsschwankungen des Fluids entstehen und zu fehlerhaften Messergebnissen führen.
• Fluidsystem-Komplexität: Je einfacher und übersichtlicher ein System gestaltet ist, desto weniger Komponenten weist es auf, die als Fehlerquellen infrage kommen. Druck- und Temperaturbedingungen können leichter eingehalten werden, der Aufwand für allfällige Fehlerdiagnosen sowie für Pflege und Wartung des Systems reduziert sich.
• Druck und Temperatur: Beide Faktoren spielen in nahezu jedem Fluidsystem eine große Rolle insbesondere, wenn die Fluide hinsichtlich der zulässigen Werte nur geringe Toleranzen erlauben. In diesem Fall ist auf eine durchgängige, effektive Isolierung der Leitungen zu achten. Schon kurze Rohrleitungsstrecken können zu unerwünschten Temperaturänderungen bis hin zu Kondensatbildung führen und somit die Probenmesswerte beeinflussen. Leckagen sind hinsichtlich Druck- und Flüssigkeitsverlust ebenfalls Störgrößen, die vermieden bzw. behoben werden müssen.  

Spezifizieren von Probenahmesystemen

Die von Swagelok angebotenen Probenahmesysteme unterscheiden sich nach Art des zu entnehmenden Mediums:

• GSM (Grab Sample Module) zur Probenentnahme von gasförmigen Fluiden
• GSL (Grab Sample Liquid System) zur Probenentnahme von flüssigen Nicht-Schlamm-Fluiden

Neben diesen grundsätzlichen Unterschieden ist auch die Systemauslegung auf die jeweilige Prozessanwendung hin zu beachten, zu der auch die richtige Wahl des Probenbehälters gehört. Deshalb ist die Systemauslegung auf folgende Kriterien hin zu spezifizieren:

• Druck und Temperatur: Jedes GSM- und GSL-System ist auf Maximal-Werte ausgelegt, die nicht überschritten werden dürfen
• Sammelphase: Zylinder können für die Aufnahme von flüssigen oder gasförmigen Fluiden geeignet sein. Flaschen dagegen verhindern nicht in allen Fällen die Freisetzung von Dampf und sind daher eher für die meisten nicht flüchtigen Flüssig-Fluide geeignet.
• Werkstoffe: Die bei Probenahmesystemen verwendeten Werkstoffe müssen mit dem Prozessfluid kompatibel sein. Der am häufigsten verwendete Werkstoff ist Edelstahl 316. Es können auch Messing und Alloy 400 infrage kommen.
• Oberflächen-Eigenschaften: Gase – insbesondere Wasserstoff – können Leitungsmaterialien diffundieren. Aggressive Flüssigkeiten reagieren u.U. mit den Oberflächen des Leitungsmaterials. Abhilfe schaffen hierbei elektropolierte (EP-)Rohre mit anschließenden Beschichtungen mit SilcoNert®, Silcolloy® und Dursan®
• Entlüftung: Da bestimmte chemische Stoffe Rückstände in den Leitungen hinterlassen und damit Proben kontaminieren, müssen gegebenenfalls die Probenahmesysteme mithilfe einer Spüleinrichtung entlüftet bzw. gespült werden.  

Hinweis: Bestimmte chemische Stoffe, z.B. wässriges Chlor oder bestimmte luftentzündliche Stoffe erfordern einen höheren Sicherheitsschutz als ihn Swagelok GSM und GSL bieten können.

Effizienz der Swagelok Probenahmesysteme
Probenahmesysteme von Swagelok bieten folgende Vorteile:

• Sie gewährleisten die sichere und einfache Entnahme von repräsentativen Fluid-Proben
• Sie lassen sich nach Kundenvorgaben bzw. Anforderungen des jeweiligen Fluidsystems konfigurieren*
• Die Installation kann wahlweise in einem Analysegerät-Bypass oder einer Rückführleitung installiert werden.
• Alle Swagelok GSM sind übersichtlich und kompakt auf Montageplatten aufgebaut und lassen sich in einem Fluidsystem überall installieren, wo genügend Prozess- oder Leitungsdruck für die Durchleitung des Fluids durch das Probenahmesystem besteht.

*Hinweis: Bei Installation an eine Rückführleitung, muss die Fluid-Rückleitung an einen Niedrigdruckpunkt geführt werden. Die Installation der Montageplatten muss so erfolgen, dass die Probenbehälter stets senkrecht ausgerichtet sind, um eine Kontamination der Probe zu verhindern.

Die kundenspezifische Konfiguration erfolgt unter Berücksichtigung folgender Bedingungen:

Die Fluidprobe wird in einen unter Druck stehenden Behälter geleitet. Sie wird dem Fluidsystem entnommen und aufbewahrt unter den zum Zeitpunkt der Entnahme vorherrschenden Prozessbedingungen mit Ausnahme der Temperatur. Die Probenentnahme wird bei Entfernung des Probenahmebehälters (Zylinder oder Flasche) automatisch unterbrochen. Die Behälter sind mit DOT- und TPED-Zulassungen für den Transport geeignet.             

10 wertvolle Tipps zur Steigerung der Systemeffizienz

Die Arbeit mit einem Probenahmesystem in Verbindung mit dem dazugehörigen Fluidsystem ist sehr komplex und herausfordernd. Hier sind 10 wertvolle Tipps, wie Sie typische Fehler vermeiden und die Systemeffizienz deutlich steigern können:

1. Identifikation von Fehlern im Aufbau. Prüfen Sie, ob Ihr Analysegerät korrekt zusammengebaut ist. Zum Beispiel kann ein Schleifenmodul falsch angeschlossen sein. Fehler im Zusammenbau sind leicht zu erkennen und zu beheben.
2. Lange Reaktionszeiten bei Gasprobenahme. Durch zu großen Leitungsquerschnitt und zu hohem Druck wird nicht nur die Reaktionszeit verzögert, sondern es entsteht auch ein erhöhtes Sicherheitsrisiko. Verkürzen Sie die Reaktionszeit und reduzieren Sie die Gefahr der Kondensatbildung mit einer Druckreduzierung direkt nach dem Prozess.
3. Zu geringer Druck bei Flüssigprobenahme. Im Bereich der Flüssigproben sind die Verhältnisse umgekehrt: Möglichst hoher Druck führt zu einer verkürzten Reaktionszeit. Zudem werden die Schaum- und Blasenbildung sowie Ablagerungen im System reduziert.
4. Geeignete Werkstoffe. Je nach Art des Fluids und der Kontaktoberfläche der Rohr- bzw. Schlauchleitung bleiben durch Adsorption winzige Mengen des Fluids an der Oberfläche hängen. Diese Mengen können jedoch für Fehlmessungen ausreichen. Wählen Sie deshalb die richtigen Werkstoffe für Filterelemente, Reglermembrane, Rohrwände und Glasflaschen auch unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen aus. Beispielsweise vertragen Polymer-Rohre auf Dauer kein UV-Licht, sie werden spröde.
5. Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials. Dichtungen, die beispielsweise vom Systemmedium angegriffen werden, führen zu Leckagen oder Verunreinigungen im Probenahmesystem und beeinträchtigen das Messergebnis.
6. Probenahme aus einer aktiven Prozessleitung. Die Aktualität einer Probe ist vielfach entscheidend für das Messergebnis. Entnehmen Sie deshalb die Probe aus dem laufenden Prozess. Hierbei ist auch die Wahl des richtigen Installationsortes des Probenahmesystems wichtig.
7. Vermeidung von Toträumen. Fehlerhafte Analyseergebnisse können durch Toträume bzw. nicht gespülte Räume entstehen, da sich die Ansprechzeit des Analysegeräts verlangsamt und das System verunreinigt wird. Achten Sie darauf, dass Ihr Probenahmesystem keine Toträume aufweist.
8. Falsche Temperatur. Zwischen Fluid- und Probenahmesystem darf keine Temperaturdifferenz bestehen. Andernfalls können sich Fehlmessungen ergeben z.B. durch Zersetzung des Mediums. Stimmen Sie also die Temperaturen aufeinander ab.
9. Steigerung der Durchflussgeschwindigkeit. Druck, Temperatur und Probenstromgeschwindigkeit beeinflussen das Messergebnis einer Probe. Eine mögliche Fehlerquelle ist ein zu langsamer Probenstrom, weil die Probendurchmischung nicht optimal ist und sich Ablagerungen von Schwebeteilchen gebildet haben. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit des Probenstroms, und Sie erhalten zusätzlich eine kürzere Reaktionszeit.
10. Vermeidung von Zeitverzögerungen. Wenn vom Zeitpunkt der Probenahme bis zur Messanalyse zu viel Zeit vergeht, können Ergebnisse herauskommen, die den Spezifikationen nicht entsprechen. Langsame, verwaschene Reaktionen, ein unzureichender Kontrollplan oder Probleme im Labor können auf Zeitverzögerungen hindeuten, die daher unbedingt vermieden werden sollten.

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