Wie Sie Düsen in Ihren Flüssigkeits- und Erdgas-Probeentnahmesystemen richtig positioniern | Swagelok Blog

Die richtige Positionierung der Prozessdüse in Ihrem Flüssig- und Gas-Probenahmesystem

In einem Flüssig- oder Gas-Probenahmesystem wird an der Entnahmestelle eine Prozessdüse eingesetzt, um die Probe an das Anaylsengerät zu liefern. Die richtige Platzierung, Positionierung und Ausrichtung dieser Prozessdüse ist maßgeblich, um zeitnah und präzise analytische Messungen sicherzustellen. Gehen Sie daher sehr genau vor. Eine falsche Platzierung der Prozessdüse kann zu Zeitverzögerungen bei der Analyse, zu Probenverunreinigung sowie zu ungenauen Messergebnissen führen. 

Idealerweise gibt der Analgeningenieur die Vorgaben für die Verlegung der Rohrleitungen, sowie die Auslegung der Prozessbehälter. So kann sichergestellt werden, dass die Prozessdüse richtig platziert ist. Oftmals müssen die Anlageningenieure jedoch leider mit bestehenden Plänen arbeiten - selbst wenn die Prozessdüse nicht korrekt positioniert oder ausgerichtet ist. Im Folgenden betrachten wir wichtige Faktoren bei der Platzierung und Entwicklung der Prozessdüse für Flüssig- und Gas-Probenahmesysteme. Dabei empfehlen wir außerdem die Zusammenarbeit mit qualifizierten Analysegerättechnikern, Verfahrensingenieuren und Chemikern sowie den jeweiligen Komponentenlieferanten. Damit können Sie sicherstellen, dass jede Variable in den verschiedensten Planungsphasen berücksichtigt wird. 

VERTRIEBS- UND SERVICEZENTRUM FINDEN

Postionierung der Prozessdüse

Prozessdüsen sind meist kurz und haben einen kleineren Durchmesser als die Prozessleitung an der sie angeschlossen werden. Sie enthalten oftmals eine Probenahmesonde. Diese ist in ihrer einfachsten Form eine Metall-, Glas- oder Keramiklanze, die in das Prozessmedium ragt und stetig Flüssigkeit oder Gas zur Analyse entnimmt.

Bei der Positionierung der Prozessdüse in einer Rohrleitung oder einem Behälter müssen Sie die Stelle wählen, an der die Prozessflüssigkeit gründlich durchmischt wurde; die Probe soll die Prozessbedingungen möglichst exakt wiedergeben. Wenn möglich, installieren Sie dazu einen statischen Mischer in der Prozessleitung. Ist dies nicht möglich, sollte die Entnahmstelle nach einer induzierten Turbulenz positioniert werden. Dies kann ein Pumpenauslass, eine Durchflussöffnung oder ein Winkelstück in der Rohrleitung sein. Die Turbulenz unterstützt die Durchmischung des Prozessmediums vor der Stelle der Probenahme.

Die Probenahme sollte nicht direkt nach einer Turbulenz erfolgen. Die Verwirbelung erzeugt Druckschwankungen und es kommt zu Wirbelströmen - beide können Auswirkungen auf die Analyseergebnisse haben.

Gas-Probenahme

Die Entnahmestelle sollte sich in einer Entfernung von mindestens zweifachem Rohrdurchmesser nach der letzten Durchflussverwirbelung befinden. Dies wird von der US Behörde für Umweltschutz (EPA) empfohlen. Für Rauchgas-Probenahme sind zwei Möglichkeiten zulässig: 

1. mindestens 8 Kanal- oder Rohrdurchmesser hinter und zwei Durchmesser vor einer Durchflussstörung, oder
2. mindestens zwei Kanal- oder Rohrdurchnmesser hinter und einen halben Durchmesser vor einer Durchflussstörung

Die EPA bezeichnet die erstgenannte Positionierung als ideal. Falls dies nicht möglich ist, sind laut EPA Vorschriften weitere Probenahmestellen erforderlich, um eine Stratifikation zu vermeiden.

Flüssig-Probenahme

Für die Probenahme aus Rohrleitungen sollte die Probenahme mindestens zwei Rohrdurchmesser nach einer Durchflussstörung erfolgen - an einer Stelle, an welcher das Durchflussmessgerät nicht beeinträchtigt wird. Wenn das Prozessmedium allerdings eine Flüssigkeit mit geringem Siedepunkt ist, empfiehlt sich eine konservative Vorgehensweise. Um Blasenbildung in Ihrer Probe zu vermeiden, sollte die Probenahme an einer Stelle erfolgen, an der die Rohrleitung davor auf einer Länge von mindestens fünf Rohrdurchmessern und danach mindestens zwei Durchmesser ganz gerade verläuft. 

Dampf-Probeentnahme

Ist der Probenstrom dampfförmig oder erreicht er fast den Taupunkt, ist es noch wichtiger, auf die richtige Probeentnahmestelle zu achten. An Druckpunkten in der Nähe einer Durchflussstörung kann es zu Kondensation kommen; Ihre Gasprobe sollte daher kein flüssiges Kondensat enthalten. Um dieses Risiko zu minimieren, fordert die europäische Norm zur Erdgasmessung (ISO 10715 1997, 13), eine Positionierung der Probeentnahmestelle mindestens 20 Rohrdurchmesser nach der letzten Durchflussstörung. Bei der entsprechenden US-Norm (API MPMS 14.1 2006, 15) beträgt sie mindestens fünf Rohrdurchmesser. Wenn das Rohr eine andere Sonde enthält, wie beispielsweise eine Tauchhülse, sollte die Probeentnahmesonde mindestens fünf Tauchhülsendurchmesser von der Tauchhülse entfernt sein.

Für isokinetische Proben ist sogar noch ein größerer Abstand notwendig. Zudem sollte die Fließgeschwindigkeit in der Probensonde der, in der Prozessleitung, entsprechen. Für gesättigten Dampf sieht die entsprechende amerikanische Norm (ASTM D1066) beispielsweise vor, dass die Probeentnahmestelle mindestens 35 Rohrdurchmesser nach und vier Rohrdurchmesser vor der Durchflussstörung angebracht wird. Da sich diese Trennung als schwierig erweisen kann, gibt ASTM die Empfehlung, für nicht konforme Stellen ein Verhältnis von 9:1 für die vor- und nachgelagerten Entfernungen einzuhalten. 

Düsendesign

Sobald Sie in der Planungsphase angekommen sind, werden Sie feststellen, dass das Design der Prozessdüsen, einschließlich der Ausrichtung, im Wesentlichen von den Anforderungen der Probensonde abhängt. Die Prozessdüse, und damit die Probensonde, sowie deren Positionierung und Ausrichtung können Auswirkung darauf haben, wie Partikel im Prozessstrom die Analyse beeinflussen. Zudem kann mit der korrekten Positionierung von Prozessdüsen und Probensonden vermieden werden, dass Partikel in die Sonde gelangen. Passiert das, besteht die Gefahr, dass die Probe verunreinigt wird oder Ablagerungen die Probesonde verstopfen.

Der einfachste Weg, eine Prozessdüse zu anzuschließen, ist es, einen Anschluß mit Innengewinde an die Rohrleitung anzuschweißen und entsprechend durchzubohren. Schweißen Sie zunächst eine Verstärkungsplatte an die Prozessleitung. Ist die Wand stark genug, ist das nicht notwendig. Wählen Sie dann eine Anschlussgröße für Ihre entsprechende Gewindesonde oder Ihr Ventil. Eine andere Vorgehensweise ist das Anschweißen eines Rohrnippels mit Außengewinde auf die Leitung. Natürlich kann keine dieser einfachen Methoden für eine Prozessleitungsspezifikation verwendet werden, die Schraubverbindungen im Prozessbereich ausschließt. Trifft diese Einschränkungen zu, können Sie ein Ventil auf den Nippel schweißen oder stattdessen einen Rohrstutzen verwenden.

Probeentnahme in einem Gasstrom

Sofern möglich, sollten Sie ein horizontales Prozessrohr zur Entnahme einer Gasprobe auswählen. Die horizontale Ausrichtung ermöglicht eine vertikale Position der Prozessdüse. Zudem ist es einfacher, eine lange, gerade Leitung zu finden. Installieren Sie die Prozessdüse oben auf der Prozessleitung, damit Schmutz oder Flüssigkeit zurück in das Prozessrohr fallen können. Wenn das Prozessgas sauber und trocken ist, können Sie die Prozessdüse an der Seite des horizontalen Prozessrohrs positionieren. Vermeiden Sie allerdings eine horizontale Sondenausrichtung für schmutzige Proben. Da der Gasdurchfluss in der Sonde möglicherweise nicht turbulent ist, besteht die Gefahr, dass feste Partikel herausfallen und die Sonde verstopfen.

Die gleichen Bedenken bezüglich Verstopfen treten bei einer horizontalen Prozessdüse auf einer vertikalen Gasleitung auf. Schräg angebrachte Prozessdüsen ermöglichen, dass mitgerissene Flüssigkeiten oder Feststoffe zurück in die Prozessleitung fallen. Flüssigkeiten können damit gut entfernt werden. Bei Feststoffen, die an der Probe anhanften, funktioniert dies allerdings nicht.

Für vertikale Kanäle sollte die Prozessdüse horizontal oder leicht schräg und viel größer sein — groß genug für spezielle Probesonden. Hier richtet sich die Düsenpositionierung nach der Gastemperatur: nicht zu heiß (damit die Materialkosten nicht aus dem Rahmen fallen), aber über der Taupunkttemperatur der Säure (damit die Schwefelsäure nicht in der Sonde kondensiert). Für die Rauchgasüberwachung liegt die optimale Gastemperatur an der Düse ein wenig über 600°C (1.112°F), um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen. 

Wenn Sie einem Prozessdampfstrom eine Probe entnehmen, der Kondensattröpfchen enthält, wie zum Beispiel in einem gesättigten Dampfsystem, ist die bevorzugte Probeentnahmestelle ein langes, nach unten fließendes Prozessrohr. Sie sollten dabei allerdings immer den Leitungsdruck prüfen. Eine nach unten gerichtete Leitung mündet oftmals an der Ansaugseite einer Prozesspumpe und kann bei niedrigem Druck fließen. Eine Probenahmestelle mit niedrigem Druck ist gut für eine Gasprobe, die verbrannt wird. Für ein Fast Loop, welches die Probe wieder in den Prozess einleitet, eignet sie sich jedoch nicht. Bei einem Fast Loop möchten Sie die Probe wahrscheinlich vom Prozesspumpenausgang entnehmen und das Gas an der Ansaugseite wieder zuführen.

Probeentnahme in einem flüssigen Medienstrom

Eine vertikale Rohrleitung, in der das Medium nach oben fließt, ist die beste Stelle für eine Probeentnahmedüse bei Flüssigkeiten. Hier können Sie sicher sein, dass das Prozessrohr voll durchflossen wird. Wählen Sie hierbei eine horizontale Prozessdüse. Diese ermöglicht den Einsatz einer kürzeren Probensonde. Auch die Wahrscheinlichkeit von Vibrationen ist durchaus geringer. Eine horizontale Prozessdüse ist eine gute Lösung für flüssige Proben, da der Durchfluss in der Sonde sicher turbulent ist und sich somit keine Feststoffe in der Probensonde ablagern.

Die Flüssigkeitssäule in der Rohrleitung oberhalb der Entnahmestelle liefert zusätzlichen Druck. Mithilfe dessen können Sie sicherstellen, dass die Prozessflüssigkeit an der Entnahmestelle über ihrem Siedepunkt liegt. Der zusätzliche Druck hilft dabei, die Probe zu transportieren. Vermeiden Sie es, eine Flüssigkeit aus einem vertikalen Prozessrohr zu entnehmen, in dem das Medium nach unten fließt. Sie haben hier keine Garantie dafür, dass die Leitung wirklich voll durchflossen ist.

Die Entnahme einer flüssigen Probe aus einer horizontalen Leitung ist ebenfalls riskant, da das Prozessrohr möglicherweise nicht vollständig gefüllt ist. Das kann dann zu einer zweiphasigen Probe führen. Verläuft das Prozessrohr nach einem horizontalen Rohrverlauf weiter nach oben, können Sie sicher sein, dass die Leitung voll ist. Ist es nach unten gerichtet, kann es sein, dass in dem horizontalen Teil eine statische Gasschicht über der Flüssigkeitsschicht vorliegt.

Normalererweise gilt, dass die Stellen zur Entnahme einer flüssigen Probe immer an der Seite einer horizontalen Prozessleitung liegen sollten. Grundsätzlich ist das ein guter Ratschlag - allerdings nur, wenn die Entnahme ohne eine Probesonde erfolgt. Die Probeentnahme über eine Prozessdüse die seitlich an der Prozessleitung positioniert ist, reduziert das Risiko, dass mitgeführter Dampf oben im Rohr oder Schlamm unten im Rohr mit entnommen wird.

Praxiserfahrungen zeigen, dass es in der Regel besser ist, eine Probensonde zu verwenden, um in die Mitte der Leitung zu gelangen. Bei der Verwendung einer Probensonde ist die Ausrichtung weniger wichtig. Normalerweise wird eine vertikale Prozessdüse auf der Prozessleitung bevorzugt, da schwere Feststoffe zurück in das Prozessrohr fallen können. Beachten Sie auch, dass die Prozessdüse nicht am unteren Teil eines horizontalen Rohrs angebracht werden sollte. Feststoffe können so ins Rohr fallen und die Probenaufbereitung erschweren. Wenn Sie eine bestehende, unten angebrachte Prozessdüse verwenden müssen, sollten Sie darauf achten dass eine Probensonde installiert wird. Diese sollte in das mittlere Drittel des Rohrdurchmessers reichen.

Vor der endgültigen Bestimmung der Probeentnahmestelle

Bevor Sie sich für eine endgültige Positionierung der Probeentnahme entscheiden, sollten Sie bedenken, dass die Art der von Ihnen gewählten Probensonde die Ausrichtung und den Durchmesser der Prozessdüse und ihrer Anschlussverschraubungen bestimmt. Sobald Sie eine Probensonde ausgewählt haben, sollten Sie sich die Stelle daher noch einmal ansehen und prüfen, ob Ihnen ausreichend Platz für die Installation und Wartungsarbeiten zur Verfügung steht. Stellen Sie sicher, dass ausreichend Platz für die Prozessdüse, die Wartung des Prozess-Absperrventils und das Herausziehen der Probensonde besteht. Denken Sie auch an Zugangsmöglichkeiten und Beleuchtung. Eine einfache Anschluss- und Ventilsonde erfordert möglicherweise nur eine kleine Plattform und Leiter. Eine Feldstation hingegegen erfordert eine vollständige Plattform und Beleuchtung.

Für tiefergehende, individuelle Unterstützung und Schulung rund um die Themen der Prozessdüsenpositionierung und der Konstruktion eines Probenahmesystems, ist Ihr lokales Swagelok Vertriebs- und Servicentrum für Sie da.

FINDEN SIE IHR LOKALES SWAGELOK VERTRIEBS- UND SERVICEZENTRUM