Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie

7/25/2019 Der Einsatz von Prozess-FTNIR in der Raffinerie

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Der Einsatz von Prozess-NIR

in der Raffinerie

Ein berblick

Dr. Norbert Zeug

OPTAM-Tagung in Franfurt, 29.11.2004


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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


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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


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Spektren NIR-Bereich

Messbereiche

RON: 91 101MON: 81 91

-CH2& -CH3

CH3 CH2Aromaten & -CH3

Aromaten& -CH2

Aromaten


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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


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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


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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


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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


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Modellerstellung

Synchronisation zwischen NIR- undReferenzmessung

Temperatur der Probe

Reprsentativitt der Proben

Varianz des Prozesses


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NIR Techniken

Interferenz-Filterfotometer

Gitterspektrometer

AOTF-Spektrometer

Diodenzeilen-SpektrometerFourier-Transform Spektrometer


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Diodenzeilenspektrometer

Gitter

Detektor-elektronik

KvetteLichtwellenleiter

Diodenzeilen Chip

IR-Quelle

Vereinfachte Darstellung


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FT-(N)IR-Spektrometer

Interferometer

Strahlteiler

Laser

Detektor-elektronik

Kvette

IR-Quelle

Vereinfachte Darstellung


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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!!!


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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


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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


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Fliebild Probenaufbereitung


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Applikationsbeispiel: Diesel Blender

Ex-Ausfhrung

FT- NIR System


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Gehuse mit Durchflusszelle

Flssigkeits-sensor

Temperatur-sensor Probenein-/-ausgang


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Prozess-Durchflusszelle

Anschluss fr LWL

Anschluss frInstrumentenluft(UnterdrckungmglicherKondensation)

Referenzkanal

Anschluss

Probenstrom


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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


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Prozess Software BOL


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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


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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


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On-line Messung Penetration

P25[0.1

mm]

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21

20

19

18

1716

15

14

13

1 10 20 30 40 50 60 [h]

Laboron-line NIR

Nochmals berprfte Messung


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