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So vereinfachen Sie Ihre Probenahme mit standardmäßigen Subsystemen

So vereinfachen Sie Ihre Probenahme mit standardmäßigen Untersystemen

4. Oktober 2019 | Karim Mahraz, Swagelok product manager, analytical instrumentation, Swagelok

Standardmäßige, vorkonstruierte Untersysteme sorgen für ein vereinfachtes Design von Probenahme- und Steuerungsmodulen in Fluidsystemen und tragen somit zu einer höheren betrieblichen Effizienz bei. Durch die Nutzung von Standardsystemen können außerdem Installationskosten gesenkt, Ausfallzeiten verringert und Wartungsaufwände minimiert werden. So ist es für Betriebsleiter und Anlagenbetreiber ein Leichtes, die passenden Systembauteile zu beschaffen und zu montieren. Selbst bei Anlagen in unterschiedlichen Ländern lässt sich dadurch eine einheitliche Verwendung sicherstellen. 

Die so eingesparte Ressourcen und Zeit stehen dann in anderen Anlagenbereichen zur Verfügung, um Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung zu entwickeln. 

Im Folgenden erhalten Sie einen Überblick über verschiedene Untersysteme, die die Effizienz Ihrer Probenahmesysteme steigern. 

Kalibrier- und Umschaltmodule

Die wohl wichtigste Funktion von Kalibrier- und Umschaltmodulen besteht darin, die Prozessströme aufzubereiten und auszuwählen sowie einen Kalibrierungsstrom für die Analyse zu bestimmen. Jedes System verfügt über mindestens zwei Einlässe – entweder zwei Prozesszuströme oder einen Prozesszustrom und einen für den Kalibrierungsstrom. Infolge eines pneumatischen Drucksignals von einer externen Quelle, in der Regel dem Analysegerät, wählt das System ein Fluid zur Analyse aus. In der Prozessleitung mit dem zu analysierenden Fluidstrom wird eines der Probenauswahlventile der Doppelabsperrung über ein elektrisches Signal geöffnet. Mit den Kalibrier- und Umschaltmodulen von Swagelok profitieren Systembetreiber von mehreren Vorteilen: 

  • Zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten für die Probenaufbereitung je nach Anforderung
  • Manuelle Kalibrierung des Analysegeräts jederzeit möglich
  • Farbliche Kennzeichnung der Ströme – Blau für Prozessstromeinlässe, Orange für Kalibrierungsstromeinlässe, Grün für Bypässe und Weiß für Auslässe
  • Integrierte Durchflussleitung für einen konstanten Durchfluss zum Analysegerät über alle Ströme hinweg und zur Vermeidung von Toträumen und Kreuzkontaminierung
  • Entlüftungsbohrung zur Vermeidung einer Vermischung von Druckluft und druckbeaufschlagten Prozessfluiden
  • Wartungsfreundliches modulares Design – für die einfache Entfernung einzelner Bauteile müssen lediglich vier Schrauben an der Abdeckplatte gelöst werden. Es besteht kein Risiko einer versehentlichen Demontage der gesamten Einheit bzw. einer Beeinträchtigung anderer Fluidsystemkomponenten.
  • Bypass-Option für eine höhere Durchflussrate zum Kalibrier- und Umschaltmodul und damit eine geringere Zeitverzögerung bei der Probenanalyse

Je nach Anwendung können auch so genannte Schleifenmodule (Fast Loop Module; siehe unten) eingesetzt werden, die das Kalibrier- und Umschaltmodul über einen speziell konzipierten Bypass-Filter versorgen und so die Reaktionszeit des Analysegeräts verkürzen. In das Kalibrier- und Umschaltmodul lassen sich weitere Bypass-Leitungen integrieren, über die die Probe entweder in den Prozess zurückgeführt (separat oder über eine Schleife mit hohem Durchfluss) oder in ein Entsorgungssystem geleitet wird. Die Anzahl an Einlässen richtet sich nach der Anzahl an Proben- und Kalibrierungsleitungen des jeweiligen Analysegeräts.

Probenahmemodule

In Verbindung mit Probenahmeventilen erhöhen Probenahmemodule die Sicherheit ihres Systems, sorgen für eine bessere Probenreinheit und minimieren Verzögerungen im Prozess. Mithilfe einer Sonde wird das Volumen im Probesystem reduziert und eine schnellere Reaktion des Analysegeräts gewährleistet. Düsen können ein beträchtliches Volumen haben, wodurch sich das erforderliche Spülvolumen des gesamten Probeentnahmesystems erhöht. Zudem ist es dank der Sonde möglich, Proben aus der Mitte der Prozessleitung zu entnehmen. So wird sichergestellt, dass kein Schlamm von den Rohrwänden extrahiert wird. Mithilfe von Sonden mit 45°-Winkel kann außerdem die Menge an Partikeln reduziert werden, die in das Probenahmesystem eingetragen werden. Diese Merkmale tragen dazu bei, dass die Sonde eine repräsentative Probe aus dem Prozess entnimmt.

Bei Rohren über 50 mm und insbesondere bei Rohrleitungen über 100 mm wird daher die Verwendung von Sonden empfohlen. Sonden unterscheiden sich hinsichtlich Länge, Durchmesser, Wanddicke und Werkstoff. Diese Parameter bestimmen die Festigkeit, Filterfähigkeit und die interne Durchflussgeschwindigkeit der Sonde. Größere geschweißte Sonden halten hohen Durchflussraten zwar besser stand, zeichnen sich aufgrund des größeren Innendurchmessers allerdings durch niedrigere Durchflussgeschwindigkeiten aus. Diese niedrigere Durchflussgeschwindigkeit führt dazu, dass mehr Partikel aus der Sonde fallen und somit nicht ins Probenahmesystem gelangen. Kleinere ausziehbare Sonden sind zwar nicht so beständig wie geschweißte Sonden, eignen sich aufgrund ihres geringeren Innendurchmessers aber für höhere Durchflussraten. Erfahren Sie mehr über die Probenahmemodule von Swagelok.

Schleifenmodule (Fast Loop Modules)

Schleifenmodule sind für die Handhabung hoher Durchflussraten in Probentransportleitungen ausgelegt, um Zeitverzögerungen zwischen der Probenahme und der Online-Analyse zu reduzieren. Das Schleifenmodul ist am Gehäuse des Analysegeräts angebracht und mit einer Bypass-Leitung ausgestattet. Dadurch wird das Probenahmesystem isoliert und ein Spülgas zur Reinigung des Systems eingeleitet. Die Probe wird durch einen Filter entnommen, dessen Filterelement dank der hohen Durchflussrate in der Bypass-Leitung sauber gehalten wird.  

Ein Schleifenmodul muss über zwei Prozessanschlüsse verfügen – einen für die Probenzufuhr und einen für die Rückführung. Es sollte eine Rückführungsstelle ausgewählt werden, die einen niedrigeren Druck hat als die Entnahmestelle; damit lassen sich die Kosten für eine Probenpumpe vermeiden und die Zuverlässigkeit des Probeentnahmesystems wird verbessert. Außerdem sollte darauf geachtet werden, dass sich die Prozessanschlüsse möglichst nahe am Analysegerät befinden. Enthält die Probe ein kondensierbares Gas, sollten die Leitungen und das Schleifenmodul temperiert werden, die über der Taupunkttemperatur der Probe bei Betriebsdruck liegt. Eine Erwärmung von flüssigen Proben ist nur erforderlich, um ein Gefrieren zu verhindern.

Feldstationmodule

Feldstationmodule senken den Druck von Prozessgasen, bevor diese in das Analysegerät eingeleitet werden. Diese Druckreduzierung bietet drei wesentliche Vorteile:  

  • Schnellere Reaktionszeit des Analysegeräts: In Hochdruckleitungen mit nachgelagerter Durchflusssteuerung liegen die Gasmoleküle in höherer Dichte vor, wodurch sich die Durchflussgeschwindigkeiten verlangsamen und die Spülzeiten verlängern. Durch die Absenkung des Drucks in der Gasprobe wird die Anzahl an Molekülen in der Probentransportleitung und in den Probenaufbereitungskomponenten reduziert. Dies sorgt für eine bessere Spülbarkeit des Systems und das Analysegerät kann zudem schneller auf Prozessveränderungen reagieren. Das Gasvolumen in der Transportleitung ist proportional zum Gesamtdruck. Bei 50 Prozent des Gesamtdrucks befinden sich demnach nur halb so viele Moleküle in der Leitung. Bleiben alle anderen Parameter identisch, braucht eine frische Probe somit nur halb so lange, um zum Analysegerät zu gelangen. Ein Feldstationmodul wird in der Regel bei Prozessdrücken ab 3 bar eingesetzt.
  • Weniger Kondensation: Die relative Luftfeuchtigkeit eines Gases verhält sich proportional zum Partialdruck des Wasserdampfs im Gemisch. Eine relative Luftfeuchtigkeit (bzw. Sättigung) von 100 % entspricht dem maximalen Partialdruck von Wasserdampf bei Betriebstemperatur. Wenn also Wasserdampf in einem Gemisch eine Sättigung von 100 % erreicht, kommt es an der Probentransportleitung zur Kondensation. Um dies zu vermeiden, wird der Partialdruck aller Gase im Probengemisch mithilfe eines Feldstationmoduls reduziert. Eine Möglichkeit zur Absenkung des Partialdrucks von Gasen besteht darin, den Systemdruck insgesamt zu verringern. Auf diese Weise sinkt der Partialdruck der Gase proportional zum Gesamtdruck. Wird der Gesamtdruck einer Probe beispielsweise halbiert, halbiert sich auch der Partialdruck aller Gase im Probengemisch. Das bedeutet wiederum, dass auch die Wassersättigung der Probe um 50 % reduziert wird. Mithilfe eines Feldstationmoduls kann das Risiko von Kondensation in der Probentransportleitung somit deutlich gesenkt werden. 
  • Erhöhte Sicherheit: Bei Systemstörungen kann es vorkommen, dass ein druckbeaufschlagtes Gas plötzlich auf atmosphärischen Druck expandiert. Infolgedessen kommt es zu Schäden am System oder Unfällen. Das volumetrische Expansionsverhältnis ist proportional zum Abfall des Absolutdrucks. In Hochdrucksystemen ohne Feldstationmodule kann sich das Gas derart stark ausdehnen, dass es zu einer Explosion kommen kann. Mit einem Feldstationmodul an der Probenahmestelle ist allerdings nur ein kleiner Bereich dem hohen Druck ausgesetzt, sodass sich die Sicherheit insgesamt erhöht.

Fluidverteiler

Fluidverteiler werden in einer Vielzahl von Gas- und Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt und bieten einen Strömungsweg mit mehreren Auslässen – ähnlich wie bei einer Mehrfachabzweigverschraubung. Fluidverteiler haben einen Einlass sowie mehrere Auslässe an den Seiten und am gegenüberliegenden Ende des Einlasses. In der Regel werden sie aus einem Rohr- oder Stangenstück gefertigt und sind mit Schweiß- oder Gewindeendstücken versehen. 

Als Verteilerblock stellt der Fluidverteiler die Versorgung mehrerer Systeme sicher. Zu den häufigsten Anwendungen zählen:

  • Kühlwasser
  • Dampf
  • Druckluft
  • Stickstoff

In einem typischen Analysenraum gibt es somit einen Fluidverteiler für die Instrumentenluft, einen für Stickstoff und einen weiteren für LP-Dampf. Bei Bedarf können auch mehrere Fluidverteiler aneinandergeschraubt werden, um einen längeren Verteiler zu erzeugen.  

Fluidverteiler sind in der Regel mit einem Hauptabsperrventil und mehreren Auslässen ausgestattet, die jeweils mit einem Absperrventil versehen sind. In Anwendungen mit feuchten Gasen (z. B. Druckluft oder Dampf) sollte der Fluidverteiler vertikal mit dem Auslass nach unten montiert werden. Auch in Anwendungen mit Flüssigkeiten ist eine vertikale Installation des Fluidverteilers die beste Lösung. In diesem Fall sollte sich jedoch der Einlass unten befinden. Über ein Entlüftungsventil an der Oberseite kann eingeschlossene Luft entweichen bzw. Luft kann zugeführt werden, um den Fluidverteiler zu Wartungszwecken zu leeren.

Für weitere Informationen zu den vorkonstruierten Untersystemen von Swagelok oder bei Fragen zu unseren Evaluierungs- und Beratungsservices wenden Sie sich bitte an Ihr lokales Vertriebs- und Servicezentrum. 

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