Alles, was Sie über Raman-Analysegeräte wissen sollten

Alles, was Sie über Raman-Analysegeräte wissen sollten

Mike Strobel, Business Development Manager, Swagelok

Überblick über
verschiedene
Analysegerätetypen

• Raman-Analysegerät
  In Kürze …
• Photometrische IR- & UV-Analysegeräte
• Dichtemessgeräte
• Sauerstoffmessgeräte
• Feuchtemessgeräte

Eine genaue Prozessanalyse ist in jeder chemischen Anlage oder Raffinerie unabdingbar. Für eine optimale Anlageneffizienz und -profitabilität müssen Sie in der Lage sein, die verfahrenstechnischen Bedingungen sowie die Fluidzusammensetzung jederzeit genau zu bestimmen. Je mehr Sie über die enthaltenen Stoffe in Ihrem Fluidsystem wissen, desto besser können Sie die Prozesse steuern.

Aus diesem Grund zählen Analysegeräte in modernen Verfahrensanlagen zu den wichtigsten Komponenten. Da es jedoch viele unterschiedliche Arten von Analysegeräten mit entsprechend individuellen Vor- und Nachteilen gibt,

nehmen wir in dieser Blogreihe die verschiedenen Geräte sowie ihre optimalen Einsatzgebiete etwas genauer unter die Lupe. Zunächst werfen wir einen Blick auf Raman-Analysegeräte. Diese in der Prozessanalyse relativ neuen Geräte geben mittels Raman-Spektroskopie Aufschluss über die chemische Zusammensetzung Ihrer Fluide.

Mehr zu analytischen Instrumentierungslösungen

Was sind Raman-Analysegeräte und wie funktionieren sie?

Visualisierung der Raman-Probenanalyse:

1. Die Probe wird mit einem Laser beleuchtet.
2. Das Raman-Analysegerät filtert die Rayleigh-Streuung heraus.
3. Das Streulicht gelangt zur Messung in den Detektor.
4. Dem Raman-Spektrum werden Werte zugewiesen.

Bei der Raman-Analyse handelt es sich um ein zerstörungsfreies Verfahren, das detaillierte Angaben zur chemischen Zusammensetzung flüssiger, fester und gasförmiger Proben liefert. Die Probe mit unbekannter Zusammensetzung wird mit monochromatischem Laserlicht im sichtbaren, Nahinfrarot- oder ultravioletten Bereich bestrahlt. Das Licht regt die Moleküle der Probe an, sodass sie von ihrem Grundschwingungszustand auf einen virtuellen Schwingungszustand übergehen.

Während dieses Prozesses kommt es zu einer elastischen und inelastischen Lichtstreuung. Bei der auch als Rayleigh-Streuung bekannten elastischen Streuung haben die abgestrahlten Lichtphotonen dieselbe Energie wie die einfallen Lichtphotonen. Bei der inelastischen bzw. Raman-Streuung werden zwei Mechanismen beobachtet: Beim ersten Mechanismus springt das angeregte Molekül auf ein virtuelles Energieniveau und absorbiert einen Teil der Lichtenergie. Das abgestrahlte Photon hat aus diesem Grund etwas weniger Energie und eine längere Wellenlänge als das einfallende Photon. Der zweite Mechanismus tritt ein, wenn ein bereits angeregtes Molekül von einem höheren in seinen Grundschwingungszustand zurückspringt. Die abgestrahlten Lichtphotonen haben in diesem Fall etwas mehr Energie und eine kürzere Wellenlänge.

Das im Rahmen dieser Lichtstreuung erzeugte Raman-Spektrum wird oft auch als der molekulare Fingerabdruck einer Probe bezeichnet. Genau wie ein Fingerabdruck ist jedes Raman-Spektrum einzigartig und wird je nach Messanwendung anhand von mathematischen Modellen mit entsprechenden Werten verknüpft. Die Modelle können auch von Benutzern eigens im Labor erstellt werden, allerdings liefern viele Hersteller theoretische Modelle mit, um die Implementierungszeit zu verkürzen. Dabei ist zu beachten, dass eine sorgfältige Modellierung und angemessene Anwendung der Modelle ausschlaggebend für genaue Ergebnisse bei der Raman-Analyse sind.

Vorteile von Raman-Analysegeräten

Die Raman-Spektroskopie ist eine effektive Methode zur kontinuierlichen Überwachung der korrekten Prozessparameter. Sie gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung einer Probe und hilft Ihnen so dabei, den reibungslosen und optimalen Ablauf Ihrer Prozesse zu gewährleisten. Nacharbeiten und Ausschuss werden minimiert, da bei einem gut konzipierten Raman-System die Ergebnisse fast in Echtzeit vorliegen und als Entscheidungsgrundlage herangezogen werden können. Mithilfe der Raman-Spektroskopie können auch fertige oder fast fertige Erzeugnisse überprüft werden, um Nacharbeiten bei nicht spezifikationsgerechten Produkten zu minimieren.

Eine Probenaufbereitung ist für die Raman-Analyse nur in geringem Ausmaß bzw. gar nicht erforderlich. Dadurch lassen sich die Kosten für Inbetriebnahme und laufende Instandhaltungsmaßnahmen senken.

Die Raman-Spektroskopie bietet weitere betriebliche Vorteile, darunter:

• Geringfügige bis gar keine Probenaufbereitung für niedrigere Inbetriebnahme- und laufende Instandhaltungskosten
• Minimale bis gar keine Probentransportzeit für deutlich weniger Zeitverzögerungen und Analyseergebnisse nahezu in Echtzeit
• Keine manuelle Kalibrierung erforderlich
• Minimaler Instandhaltungsbedarf während der gesamten Lebensdauer, sodass sich Bediener auf andere Aufgaben konzentrieren können

Wie Sie zeitliche Verzögerungen reduzieren

Nachteile von Raman-Analysegeräten

Der wesentliche Nachteil von Raman-Analysegeräten besteht darin, dass für die Ermittlung der Ergebnisse entsprechende Modelle erforderlich sind. Die verschiedenen Komponenten in Gasgemischen lassen sich mit einer linearen Regressionsanalyse einfach unterscheiden, bei flüssigen Proben gestaltet sich die Sache jedoch etwas komplexer. Die Entwicklung von Modellen für Flüssigkeiten kann Monate oder sogar Jahre in Anspruch nehmen und so bereits im Voraus Verzögerungen und Mehrkosten verursachen.

Ein weiterer Nachteil von Raman-Spektrometern ist ihre geringere Sensitivität im Vergleich zu anderen Methoden, denn sie können in der Regel nur Ergebnisse im Bereich einer weniger Hundert PPM liefern. Das bedeutet wiederum, dass Raman-Analyseergebnisse etwas weniger präzise sind und sich daher nicht so gut für bestimmte Anwendungen eignen, bei denen es auf äußerst präzise Messungen ankommt.

Gängige Anwendungsbereiche für die Raman-Analyse

Raman-Spektrometer eignen sich für eine Vielzahl von Prozessanwendungen.

Herstellung von Benzingemischen

Raman-Spektrometer haben sich als wirksames Hilfsmittel bei der Herstellung von Benzingemischen erwiesen. Die Oktanzahl, Siedepunkte und der Reid-Dampfdruck (RVP) sind mit der Raman-Spektroskopie gut messbar. Dank der kurzen Reaktionszeit und der genauen Messergebnisse sind Nutzer beispielsweise in der Lage, die optimale Oktanzahl im Endprodukt sicherzustellen und die Spezifikationen möglichst genau einzuhalten.

Messung der Erdgasqualität

Die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in Erdgas kann von geringen Spurenmengen bis hin zu 100 % reichen. Inertgase im Erdgasgemisch können zu einer geringeren Energiedichte führen und damit den Wert des Gases verringern. Die Raman-Spektroskopie ist eine gute Methode für schnelle und genaue Erdgasmessungen, da im Gegensatz zur herkömmlichen Gaschromatographie keine Aufspaltung der einzelnen Komponenten erforderlich ist.

Hydrotreating und Hydrocracken

Wasserstoff spielt in Raffinationsprozessen eine entscheidende Rolle. Wird eine vollständige Analyse der Fluidzusammensetzung benötigt, stellt die Raman-Spektroskopie eine gut geeignete Lösung dar. Stromabwärts einer Druckwechsel-Adsorptionsanlage kann eine Raman-Echtzeitanalyse dazu beitragen, eine angemessene Wasserstoffabscheidung sicherzustellen, noch bevor suboptimales Produkt in nachfolgende Prozessschritte gelangt. Darüber hinaus können Messungen mit einem Raman-Spektrometer bei höheren Drücken durchgeführt werden als bei anderen Methoden. Dies trägt zu einer Senkung der Betriebskosten bei, da das Fluid bei Verwendung dieser Methode eher wieder in den Prozess zurückgeleitet kann und nicht über die Fackel abgeführt werden muss.

Explorationsbohrungen

Optimierte Bohrprozesse und die Sicherheit der Bediener zählen zu den wichtigsten Faktoren bei der Suche nach Öl- und Gasvorkommen. Bei höheren Bohrgeschwindigkeiten müssen die Messergebnisse schneller vorliegen, was mit herkömmlichen Messtechnologien wie der Gaschromatographie nicht möglich ist. Ein zusätzlicher Vorteil von Raman-Spektrometern besteht darin, dass sie gleichzeitig Kohlenwasserstoff- sowie Nicht-Kohlenwasserstoffmoleküle messen können – denn so ist kein Einsatz zusätzlicher Analysegeräte erforderlich.

Mudlogging

Mudlogging bezeichnet die Analyse und Vermessung von Bohrklein, Schlamm und Gasen, die während des Bohrvorgangs an die Oberfläche befördert werden. Es ist ausschlaggebend, die Zusammensetzung und Eigenschaften des Schlamms zu überwachen, um den Bohrvorgang zu optimieren und sicherzustellen, dass keine explosionsfähigen Gasgemische vorliegen. Raman-Spektrometer ermöglichen hier eine kontinuierliche Überwachung und bieten Bedienern eine solide Entscheidungsgrundlage, um die Effizienz zu steigern und die Sicherheit der Bediener zu gewährleisten.

Anwendungsfall: Raffineriegas

Ein Raman-Spektrometer wird zur kontinuierlichen Überwachung der chemischen Zusammensetzung eines Raffineriegases eingesetzt – in den meisten Fällen handelt es sich hierbei um eine Mischung aus Erdgas und zurückgewonnenem Fackelgas.

Die Qualität des Raffineriegases kann sich je nach Zusammensetzung des zurückgewonnen Fackelgases schnell ändern, was wiederum die Effizienz der Geräte beeinträchtigen kann, die mit diesem Gasgemisch betrieben werden. Insbesondere bei Heizkesseln kann es bei einem höheren Wasserstoffgehalt im Brenngas zu Problemen mit der Flammenstabilität kommen.

Dank der kurzen Reaktionszeit bei der Raman-Spektroskopie kann der Wasserstoffgehalt im Brenngas kontinuierlich überwacht und Änderungen in kürzester Zeit umgesetzt werden. So gelangt möglichst wenig wasserstoffreiches Brenngas in die verfahrenstechnischen Anlagen und die Prozesseffizienz wird insgesamt verbessert.

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Die Anforderungen an die Prozessanalyse fallen von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich aus – Raman-Analysegeräte können Ihnen dabei helfen, diese Anforderungen zu erfüllen. Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob das System zu Ihren individuellen Anforderungen passt oder wenn Sie mehr erfahren möchten, nehmen Sie gerne Kontakt mit unseren Experten auf. Unsere Experten unterstützen Sie dabei, Ihre Anforderungen abzustecken, die günstigsten Stellen für die Prozessanalyse zu ermitteln und die effektivsten Methoden für die Fluidanalyse in Ihrer Anlage zu finden.

Im Swagelok Blog finden Sie nützliche Informationen dazu, wie Sie Ihre Probenahme in allen Anlagenbereichen verbessern. Hier erwartet Sie in Kürze auch der nächste Artikel in unserer Reihe zu Analysegeräten.

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