der einsatz von prozess-ftnir in der raffinerie
TRANSCRIPT
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
1/25
Der Einsatz von Prozess-NIR
in der Raffinerie
Ein berblick
Dr. Norbert Zeug
OPTAM-Tagung in Franfurt, 29.11.2004
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
2/25
2
Historie
Raffinerien suchen Ersatz fr aufwndige Oktanzahlmessung
BP und EXXON betreiben gro angelegte Studien in den80-er Jahren
BP sammelt in 10 Raffinerien ber 12.000 Spektren
Ende der 80-er Jahre Studien positiv abgeschlossenEnde der 80-er Anfang der 90-er Jahre in realen Prozess-installationen die korrekte on-line Vorhersage der Oktanzahlbewiesen
In den 90-er Jahren Erschlieung vieler weiterer
Anwendungen neben der Oktanzahlbestimmung imBenzinblender
Bis heute ca. 400 Installationen in Raffinerien
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
3/25
3
Welcher spektraler Bereich?
Ursprngliche Aussage der klassischen Spektroskopiker:
NIR fr die Messung von flssigen Kohlenwasserstoff-gemischen ungeeignet
NIR-Spektren zeigen keine starke Bandenstruktur
Extinktionskoeffizient um Faktor 10 bzw. 100 kleiner
Im extended NIR wurde mehr Informationsgehalt vermutet
Praxis hat gezeigt, dass die Qualitt der Messung meistensnicht vom spektralen Bereich, sondern von der
Gesamtkonzeption des Analysensystems abhngtNachteil von extended NIR
nur ZrF4-Lichtleiter verwendbar (teuer)
optische Weglnge klein (0,5 1 mm)
NIR oder extended NIR
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
4/25
4
Spektren NIR-Bereich
Messbereiche
RON: 91 101MON: 81 91
-CH2& -CH3
CH3 CH2Aromaten & -CH3
Aromaten& -CH2
Aromaten
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
5/25
5
Spektren extended NIR-Bereich
0,5
1,0
Wellenzahl [cm-1]
Absorpti
on
Messbereiche
RON: 91 101MON: 81 91
Blendbenzin
nur Aromaten
-CH2& CH3
CH3
CH2
Aromaten
Sauerstoffverbindungen
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
6/25
6
Anforderung Prozessanalyse
AufstellungRobust gegen Temperaturschwankungen
Robust gegen Erschtterungen und Vibrationen
Geeignet fr explosionsgefhrdete Bereiche
Durchflusskvettengeringer Gegendruck
geringe Neigung zur VerschmutzunggeeignetfrTemperaturenvonunterRaumtempertaturbis150C
lichtwellenleitertauglich
gegen Gasblasen unempfindlich
unempfindlich gegen Wasseranteile im Produkt
SpektrometerWiederholbarkeit
Vergleichbarkeit
Langzeitstabilitt
Spektraler Bereich
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
7/25
7
Spektrenauswertung
Hauptanwendungen sind die Bestimmung von physikalischenKenngren
Nur chemometrische Methoden zielfhrend
Eingesetzte chemometrische Verfahren
PLS, MLR, PCA und KombinationenEs herrscht ein Glaubenskrieg unter den Chemometrikern,jedochkeineMethodeistgenerellfralleAnwendunggeeignet
Qualitt des Modells abhngig
vom Konzept des Gesamtsystems
Prfung ob im gewhlten spektralen Bereich berhauptdie gewnschte Information vorhanden sein kann undwenn ja, in welchen spektralen Fenstern
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
8/25
8
Anforderungen an die Modelle
Ausgangsbedingungen:kontinuierlich laufende Prozessanlagen mit mehreren MillionenTonnen Rohl Verarbeitungskapazitt pro Jahrsaisonale Fahrweise (Sommer-, Winterqualitt)keine Mglichkeit von synthetischen ProbenDie Produkte bestehen aus ber hundert Verbindungen davon
ca. 20 bis 50 HauptverbindungenDie Modellerstellung braucht systembedingt lang
Daher mssen die Modelle
robust und wartungsarm sein
unabhngig von der Hardware sein(z.B. Lampen- und Messzellentausch)von Analysator zu Analysator bertragbar sein
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
9/25
10
Modellerstellung
Synchronisation zwischen NIR- undReferenzmessung
Temperatur der Probe
Reprsentativitt der Proben
Varianz des Prozesses
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
10/25
11
NIR Techniken
Interferenz-Filterfotometer
Gitterspektrometer
AOTF-Spektrometer
Diodenzeilen-SpektrometerFourier-Transform Spektrometer
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
11/25
16
Diodenzeilenspektrometer
Gitter
Detektor-elektronik
KvetteLichtwellenleiter
Diodenzeilen Chip
IR-Quelle
Vereinfachte Darstellung
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
12/25
17
FT-(N)IR-Spektrometer
Interferometer
Strahlteiler
Laser
Detektor-elektronik
Kvette
IR-Quelle
Vereinfachte Darstellung
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
13/25
18
Die Phase der Euphorie....
Die Wunderwaffe NIR + Chemometrie kann allesDie Idee....Billiges Spektrometer, in ex-freier Umgebung aufgestellt
Lichtleiter (teilweise ber mehrere 100 m) zur Prozessleitung
Sonde per Flansch in den Prozessstrom
Modelle fr alle Messgren
Vorteilniedrige Investitionskosten
einfache Installation
wartungsarm
Nachteil
Es funktioniert nicht!!!
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
14/25
19
Unsere Philosophie
Keine Sonden einsetzen, sondern extraktive DurchflusszellenSystem nicht referenzierbarMessung der Prozesstemperaturschwankung ausgesetztVerschmutzungsgefahr
Keine Lichtleiter durch die freie Landschaft verlegenTemperatur beeinflusst das EigenabsorptionsverhaltenVibrationen und mechanische Bewegungen verzerren das Spektrum
Lichtleiter nur zum entkoppeln von der brennbaren Flssigkeit vomSpektrometer und Elektronik einsetzen
Alles was konstant haltbar ist auch konstant halten (T, p, v)hohe Wiederholbarkeit undgute Langzeitstabilitt
Modelle nicht berfrachtenz.B. modellieren der Prozesstemperatur
Auf die Langzeitstabilitt, die Wiederholbarkeit und dieVergleichbarkeit des Analysators achten
Derzeit FT-(N)IR Spektrometer auf Basis eines Michelson Interferometer
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
15/25
22
Produkt-
heizung
Blockbild Analysensystem
EEx-p Schrank
Khlkreislauf
Luft fr pneum. Ventile
Probe
Instrum
entenluft
NIR-Analysator
Probenauf-bereitungs-
system
Mess-zelle
Spektro-meter
ACU
Ex-Khler
Fast Loop
Produkt-khlung
RecoverySystem
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
16/25
23
Fliebild Probenaufbereitung
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
17/25
24
Applikationsbeispiel: Diesel Blender
Ex-Ausfhrung
FT- NIR System
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
18/25
25
Gehuse mit Durchflusszelle
Flssigkeits-sensor
Temperatur-sensor Probenein-/-ausgang
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
19/25
26
Prozess-Durchflusszelle
Anschluss fr LWL
Anschluss frInstrumentenluft(UnterdrckungmglicherKondensation)
Referenzkanal
Anschluss
Probenstrom
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
20/25
27
Schema Prozesskvette
Kompensation von Driften durch alternierendes Abfragen von
Referenz- und Probenkanal
Lampenschwankungen und -alterung Umwelteinflsse wie Temperatur und Vibrationen(Detektor, LWL)
Absorbtion E = log ( I0 / I ) = log [I(Ref)/ I(Probe)]
Spektrometer
Messkanal
Referenzkanal
MultiplexerReferenz
Durchflusszelle
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
21/25
28
Prozess Software BOL
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
22/25
29
Erprobte Anwendungen
BenzinblenderRON, MON, Siedeverlauf, Benzol, Olefine, Aromaten,Sauerstoffverbindungen, (RVP)
DieselblenderCetan Index, Cetanzahl, Siedeverlauf,Cloud Point (Trbungspunkt), Flash Point (Flammpunkt), Aromaten
SchmierlViskositt, Pour Point
Wachselgehalt, Penetration
Katalytischer Reformer
MON, RON, AromatenKatalytischer CrackerParaffine, Aromaten, Coking Index, Brechungsindex, Siedeverlauf
Ethylenanlage(Spaltfen)Siedeverlauf, BTX, PIONA
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
23/25
33
On-line Messung lgehalt
lgehalt[%]
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
1 10 20 30 40 50 60 [h]
Laboron-line NIR
Nochmals berprfte Messung
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
24/25
34
On-line Messung Penetration
P25[0.1
mm]
22
21
20
19
18
1716
15
14
13
1 10 20 30 40 50 60 [h]
Laboron-line NIR
Nochmals berprfte Messung
-
7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie
25/25
? ?