Unternehmen der Prozessindustrie müssen heutzutage immer strengere Werksanforderungen erfüllen. Gleichzeitig steigen der Kostendruck in der Produktion und die Abhängigkeit von externen Experten für die Instandhaltung der Anlagentechnik. Der Einsatz zuverlässiger Analysemethoden, die einen reibungslosen und möglichst effizienten Ablauf der Produktionsprozesse gewährleisten, ist also wichtiger denn je. Das gilt umso mehr, da keine zwei Prozesse identisch sind und Verfahrenstechniker sich unbedingt auf die von den Analysatoren ausgegebenen Werte verlassen können müssen.
Eine seit inzwischen gut 60 Jahren erprobte Methode ist dabei die Gaschromatographie. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor der quantitativen Bestimmung die Bestandteile eines Substanzgemisches getrennt werden. Chromatographen (GCs) haben eine sehr hohe Langzeitstabilität und Wiederholbarkeit der Messergebnisse.
Zudem können in einem Messzyklus von einigen wenigen bis hin zu mehreren hundert Komponenten mit einem einzigen Gerät gemessen werden. Mehrere Ströme lassen sich außerdem in Serie oder auch parallel analysieren und Spurenanalysen in komplexen Gemischen mit einem sehr großen dynamischen Bereich durchführen.
GC trotz Alternativen enorm wichtig
Natürlich gibt es Alternativen – allen voran spektroskopische Verfahren. Ein Vorzug der Laser-Spektroskopie sind beispielsweise die deutlich kürzeren Analysezeiten. Andererseits ist diese Analysemethode anfällig für Querempfindlichkeiten der Komponenten, die eine Messung wiederum stören können.
Denn die Spektroskopie ist im Gegensatz zur Gaschromatographie kein trennendes Verfahren. Auch lassen sich damit nicht so viele Stoffen analysieren wie bei der Chromatographie. Einige Stoffe lassen sich optisch gar nicht anregen, um sie messen zu können.
Markus Nicklas, General Manager DI PA Analytical Products and Solutions bei Siemens, unterstreicht daher: „Die Prozess-Gaschromatographie hat man zwar schon des Öfteren totgesagt, doch sie ist in der Prozessanalytik seit vielen Jahrzehnten etabliert. Das Verfahren ist immer noch enorm wichtig, weil es einfach sehr robust und beständig ist.“
Verwendung findet die Gaschromatographie vor allem in der Chemie-, Öl- und Gasindustrie sowie in der Petrochemie. Insbesondere Raffinerien setzen bei der Verarbeitung von Erdgas auf dieses Analyseverfahren; in Destillationskolonnen werden GCs ebenfalls sehr häufig eingesetzt, um den Prozess der Fraktionierung zu optimieren.
Pionier für Gaschromatographie
Zu den führenden Anbietern auf dem Gebiet der industriellen Gaschromatographie gehört schon seit den Anfangstagen des Messverfahrens der Technologiekonzern Siemens. 1959 kam der erste Chromatograph auf den Markt und in der Folge war das Unternehmen auf dem Gebiet der Chromatographie für viele Weiterentwicklungen verantwortlich.
Ein weiterer Meilenstein war schließlich die Akquisition des US-Unternehmens Applied Automation im Jahr 1999, das ebenfalls führend auf dem Gebiet der Prozess-Chromatographie war. Als erstes Produkt nach der Übernahme kam dann der Maxum Edition II im Jahr 2001 auf den Markt. „Mit dessen Einführung gelang es, die technischen Stärken der Produktlinien von Applied Automation und Siemens zu vereinen“, erzählt Markus Nicklas, General Manager DI PA Analytical Products and Solutions bei Siemens.
Der Prozess-Gaschromatograph wird vor allem in Raffinerien, in der erdölverarbeitenden und der chemischen Industrie zur Messung der chemischen Zusammensetzung in Gasen und verdampfbaren Flüssigkeiten verwendet. Der Maxum Edition II kann hierbei in allen Produktionsschritten für die Analyse von Ausgangsmaterial, Neben- und Endprodukten sowie zur Prozessüberwachung eingesetzt werden.
„Damit war ein starkes Plattformkonzept geboren, dessen Ausrichtung auf wettbewerbsfähige Preise durch Verdichtungsmöglichkeiten und Life-Cycle-Cost-Betrachtungen zielt, sodass die Betriebskosten einschließlich einfacher Instandhaltung für den Anwender optimiert werden“, erklärt Markus Nicklas. Zu den Features zählten von Anfang an Multidetektoren, die Unterstützung von TCP/IP- und Ethernet-basierter Kommunikation, aber auch Doppelofenkonzepte auf Basis von Masseöfen und ventillose Säulenschaltungen.
Der Maxum Edition II ist kompatibel mit zahlreichen Detektortypen wie FID, TCD, FPD und PDD, wodurch Multi-Detektor-Konfigurationen möglich sind. Wo normalerweise zwei separate Gaschromatographen benötigt werden, können mit Hilfe der Doppelofen-Konfiguration ferner zwei Analyseaufgaben mit nur einem Gerät realisiert werden. Dank der parallel arbeitenden Öfen lassen sich aber auch komplexe Aufgaben in einfachere Anwendungen zur gleichzeitigen Analyse unterteilen.
Die energiesparenden Öfen arbeiten entweder über eine Bespülung mit vorgeheizter Luft oder über einen direkt beheizten Masseofen. Ein weiteres, bewährtes Merkmal ist die ventillose Live-Säulenschaltung. Präzise und programmierbare elektronische Druckregler machen Drosseln oder Nadelventile überflüssig. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind und die Schaltung gegenüber der Probe chemisch unempfindlich ist, ist das Design nahezu wartungsfrei.
Der Chromatograph wurde speziell für die raue Prozessumgebung entwickelt, um entweder direkt online am Prozess oder prozessnah eingesetzt zu werden. Dazu sind alle relevanten Bauteile nach den neuesten Ex-Schutz-Richtlinien wie der europäischen ATEX ebenso wie internationalen IECEx oder der nordamerikanischen CSA zertifiziert.
Intelligentes Managementsystem
Die Stärken des Maxum Edition II sieht Siemens daher in seiner Variabilität, der einfachen Handhabung und den reduzierten Kosten für Investitionen, Schulungen und Ersatzteile: „In der Prozessanalytik sehen wir einen Trend hin zur Vereinfachung. Unseren Kunden – vor allem in chemischen Betrieben mit einer Vielzahl von Prozessanalysegeräten – steht immer weniger Personal zur Verfügung. Das wird sich in den nächsten Jahren vermutlich nicht ändern. Deshalb müssen Messgeräte äußerst robust sein, dürfen nur geringe Wartungseingriffe erfordern und im Störfall muss die Korrektur einfach und schnell erfolgen können“, erläutert Markus Nicklas.
Aus diesem Grund setzt Siemens bei der Maxum-Baureihe einerseits auf eine hohe Modularität der einzelnen Komponenten, andererseits auf die Möglichkeiten moderner Technologie. Denn für effiziente Produktionsprozesse sind die Anwender von Analysatoren in immer größerem Umfang auf genaue Daten angewiesen, wie die Zusammensetzung der Materialflüsse und deren Qualität, Eingangs- und Bezugsmaterialien, Überwachung der Prozessbedingungen und Werte/Ergebnisse. Mit dem Analyzer System Manager (ASM) hat Siemens daher ein intelligentes Managementsystem entwickelt, um die Vielzahl an Analysedaten effizient verarbeiten zu können.
ASM ist ein PC-basiertes Serversystem zur Überwachung, Prüfung und Verwaltung von Analysatoren. Die Software sammelt Betriebsdaten der verschiedenen Messgeräte über branchenübliche Kommunikationsprotokolle und speichert sie in einer zentralen Datenbank.
Auf diese Weise können Anwender die über ihre Anlage verteilten Analysesysteme zentral überwachen. Eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche ermöglicht es, auf einem PC sämtliche Informationen wie Messwertverläufe, Gerätezustände und statistische Auswertungen abzurufen oder Routinen zu starten, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu prüfen.
„Das ist die Basis von heute für optimierte und vorbeugende Wartungskonzepte, für die Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Geräte, aber auch für die Erkennung von schlecht funktionierenden oder ausgefallenen Geräten und nicht stimmiger Messergebnisse“, fasst Markus Nicklas die Vorzüge zusammen.
Stetige Weiterentwicklung
Zwar ist der Maxum Edition II inzwischen schon seit 18 Jahren am Markt, doch wird das Konzept stetig weiterentwickelt und den aktuellen technologischen Trends angepasst. Zum Beispiel wurde kürzlich der überarbeitete Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) vorgestellt.
Neu ist das eigensichere Design. Hierbei wird die Leistung der Drähte, die zum Detektor führen, so geregelt, dass keine Funken entstehen können. Folglich ist kein unhandliches Ex-Schutz-Gehäuse mehr für den sicheren Betrieb notwendig, sondern kann durch ein wartungsfreundlicheres ersetzt werden. Der Aluminiumkörper bietet zudem eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit. In Kombination mit der optimierten Detektorgeometrie verbessert er die Empfindlichkeit und reduziert das Signalrauschen. Für viele Anwendungen, für die normalerweise ein FID- oder FPD-Modul erforderlich gewesen wäre, reicht daher der Einsatz des Maxum Edition II mit dem WLD völlig aus.
Die Weiterentwicklung des modularen Konzeptes will Siemens auch in den nächsten Jahren vorantreiben. Ein Nachfolgemodell ist daher aus Sicht der Entwickler nicht erforderlich. Vielmehr ist Markus Nicklas überzeugt: „Die Maxum-Plattform ist noch lange nicht ausgereizt. Es warten zukünftig noch einige interessante Überraschungen auf uns.“
Umfangreiche Neuerung sind dabei vor allem im Bereich der Digitalisierung zu erwarten. „Bei neuen Konzepten wie der Umsetzung der Namur Open Architecture (NOA) oder Cloud-basierten Lösungen könnte unsere ASM-Software eine wichtige Rolle spielen. Hier sind wir zusammen mit unseren Kunden im unmittelbaren Austausch.“
Mehr zum Prozess-Gaschromatographen von Siemens lesen Sie im Titelinterview mit Markus Nicklas unserer P&A-Extra-Ausgabe 2.2019.
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