HET IA-VAKBLAD VOOR NEDERLAND EN BELGIE
5 8ste jaargang [ nummer 6 ] 2014
automatisering informatisering procestechniek instrumentatie
Procesanalyse & Duurzaamheid
PMA back2back A U T O M AT I E
analytische procesmeting 04 In-line met een tunable laser in de industrie 16 Energiebesparing ‘Kosten persluchtopwekking kunnen structureel omlaag’ stages 20 Technische Duurzame driehoek school, bedrijf en student
Harold van den Hauten nl.linkedin.com/pub/harold-van-den-hauten/16/118/5a4
In-line analytische procesmeting met een tunable laser Het belang van duurzaamheid in combinatie met een efficiënte bedrijfsvoering vraagt om aangepaste maatregelen. Steeds vaker verschijnt geavanceerde instrumentatie in het veld. Maar hoe functioneert dat in de praktijk, en op de langere termijn? Centraal in dit artikel een laser analyzer voor de regeling van een productiefornuis in het ammoniakproces. Ook spreekt een gebruiker zich uit over zijn ervaringen. Bij de keuze van een analytische meting
principe van de absorbtie van elektromagne-
het hier gaat om de representatieve en snelle
komt altijd de vraag naar boven wat het
tische straling in de vorm van een laserstraal
meting van zuurstof door een groot kanaal.
beste meetprincipe is voor de toepassing
van geschikte golflengte om een zuurstofge-
Binnen de vereiste meetprestaties is dat niet
en, meteen daarna, wat daarvoor de meest
halte te meten. Een nadere uitleg van de toe-
op een acceptabele manier te verwezenlijken
geschikte plek is. Wat de meest geschikte
gepaste Tunable Diode Laser (TDL) vindt u
met een extractief meetsysteem.
plek in globale zin betreft, zijn er drie moge-
in ket kader ‘Hoe werkt een laser?’ elders in
lijkheden. De meting kan extractief uitge-
dit artikel. Dit instrument werkt volgens de
Branderregeling
voerd worden door het meetinstrument op
in-line methode, wat betekent dat laserbron
Bij de regeling van het verbrandingsproces
afstand te plaatsen, eventueel in een analy-
en detector aan weerszijden van een rook-
staat het regelen van de verhouding tussen
sehuis, en met leidingen met het proces te
gasanaal zijn gemonteerd. In dit specifieke
brandstof en de verbrandingslucht centraal.
verbinden. Vaak gaat het dan om verwarmde
geval komt door deze keuze de plaats van de
Als er meer lucht verbruikt wordt dan nodig
leidingen. Een andere mogelijkheid is om
meting niet aan de orde. De oorzaak is dat
voor de verbranding, dan betekent dit een
de meting rechtstreeks in
Semiconductor laser
het proces te brengen, de inline meting. Voorbeelden zijn in-line zirkonium metingen
Photodetector (Photo diode)
Launch unit (Light emitter)
Detection unit (Light receiver)
voor zuurstof en de meeste pH
Optical path length
metingen. Een derde meetpoMeasuring laser beam
sitie, die in opkomst is, is de at-line meting. Het meetinstrument wordt (nagenoeg)
Process gas flow
tegen het proces aangezet. Dit voorkomt de problematiek
Mounting flange (on both sides)
van het leidingsysteem en er is ook geen analysehuis nodig. In de hier besproken toepassing is gekozen voor het meet4 [ Automatie 6 ] 2014
Optical axis alignment (on both sides)
In-line meting met TDL (bron: Yokogawa Amersfoort)
Purge gas for preventing contamination of the optical window (on both sides)
verlies aan efficiency en een hogere milieubelasting door toenemende concentraties van koolstofdioxide (CO2) en stikstofoxiden
Thermal efficiency
(NOx). Als er te weinig overmaat van lucht
bovendien gevaarlijke situaties opleveren.
Thermal loss due to incomplete comustion (unburnt CO concentration)
Thermal efficiency
verbrand. Dit betekent ook verlies en kan
Thermal loss
is, dan wordt niet alle brandstof volledig NOx
De figuur Branderefficiency geeft de situatie weer. Met het terugnemen van de overmaat aan verbrandingslucht neemt de efficiency
Theoretical air-fuel ratio (1)
Thermal loss due to excessive air (excessive O2 concentration)
eerst toe. De productie aan onverbrande
Air-fuel ratio
brandstof blijft laag en de concentratie van NOx neemt zelfs af. Bij een bepaalde, geringe luchtovermaat neemt de hoeveelheid onver-
Incomplete combustion (causing soot and smoke)
Optimum combustion
Excessive air (thermal loss)
brand plotseling zeer sterk toe. Dit is te zien aan de productiecurve van koolstof-
Branderefficiency
monoxide (CO). De vorm van deze curve is overigens afhankelijk van de soort brandstof. Voor gas zal de curve steiler lopen dan voor kolen. Behalve de onverbrande component CO zien we ook andere onvolledig verbrande componenten en eventueel roet. In de figuur is duidelijk te zien dat de efficiency een maximum heeft. Het is zaak om het verbrandingsproces zo te regelen dat de luchtovermaat, en dus de zuurstofconcentratie, op de top van de efficiencycurve ligt.
Meting in de praktijk Om een indruk te krijgen van de ervaringen in de praktijk, bracht Automatie een bezoek aan Theo Pustjens, Plant Equipment Engineer E/I van de ammoniakfabrieken van OCI Nitrogen in Geleen. De plant was oorspronkelijk een onderdeel van DSM Agro,
Theo Pustjens van OCI Nitrogen vertelt zijn ervaringen met de TDL meting.
maar werd in 2010 aan OCI verkocht. OCI beschikt over twee ammoniakfabrieken die
hoofdcomponent van aardgas. Het gaat om
het deel koolstofmonoxide met stoomtoe-
voor eigen gebruik produceren voor onder
enorme hoeveelheden, bij OCI Geleen wordt
voeging en een luchtcompressor omgezet
meer de kunstmest- en melaminefabrieken,
een miljard kubieke meter aardgas per jaar
naar koolstofdioxide (CO2) en waterstof. De
en voor diverse andere fabrieken van DSM,
verbruikt. In de reformer en naverbrander
(CO2) wordt verwijderd door het gas te was-
waaronder caprolactam en acrylonnitryl.
wordt het aardgas bij een hoge tempera-
sen. Later wordt het koolstofdioxidegas uit
Ammoniak wordt ook los verkocht, bijvoor-
tuur en met behulp van stoom gekraakt.
deze vloeistof verwijderd en als gas verkocht
beeld voor DeNOx installaties van energie-
De reformer is een grote oven waarin reac-
als grondstof voor de fabricage van mela-
centrales.
torbuizen zijn opgesteld die gevuld zijn met
mine en bijvoorbeeld voor het gebruik in
een katalysator. Hier ontstaat een mengsel
frisdranken.
Ammoniak
van waterstof, koolstofmonoxide, kooldi-
Ammoniak (NH 3) wordt gemaakt uit water-
oxide, water en methaan. Aan de naverbran-
Synthese
stof en stikstof uit de lucht. De waterstof
der wordt lucht gesuppleerd om de methaan
We komen nu toe aan de synthese van
wordt verkregen uit methaan (CH 4), de
verder te kraken. In een volgende stap wordt
ammoniak. Bij 20 MPa en 500 °C wordt de 2014 [ Automatie 6 ] 5
stikstof uit de lucht samen met de waterstof
in de reformer. In de tekening is ook te zien
houding geregeld, wat flinke verliezen bete-
en onder invloed van een katalysator omge-
dat energie bespaard wordt door de verbran-
kende. Bovendien is de extractieve meting
zet naar ammoniak. Deze reactie is exo-
dingslucht voor te verwarmen, wat ook van
traag. Afgezien van het feit dat er voor een
therm. Met de vrijkomende warmte wordt
toepassing is op het voedingswater van de
goede meting veel meetpunten nodig zijn,
stoom gemaakt. De fabriek produceert
ketel. Het doel van de regeling is om zo wei-
is de installatie met verwarmde monsterlei-
meer tonnen aan stoom dan ammoniak! De
nig mogelijk energie te verspillen, dus met
ding duur en vergt deze regelmatig onder-
stoom wordt in het proces gebruikt. Het gas-
een zo klein mogelijke overmaat aan ver-
houd.
mengsel bestaat nu uit stikstof, waterstof
brandingslucht en zo veilig mogelijk te wer-
en ammoniak en wordt naar de scheidings-
ken, en bovendien aan de eisen van de SCIOS
Om de installatie te verbeteren, kwam
ruimte gevoerd. Hier wordt het afgekoeld
te voldoen. Bij te weinig zuurstof overmaat
zo’n vijf jaar geleden de techniek van de
en condenseert de gevormde ammoniak.
wordt het CO gehalte te hoog. Voor veilig-
meting door het rookgaskanaal met een
De vloeibare ammoniak kan worden afge-
heid en verbrandingsefficiency is dat onge-
Tunable Diode Laser (TDL) aan de orde.
scheiden. Het resterende mengsel van stik-
wenst, maar we zien ook dat het proces dan
Er werd toen gekozen voor de TruePeak
stof en waterstof wordt weer teruggevoerd
instabiel wordt en dat dat ook een nega-
TDL analyzer model TDL200 van Yokogawa.
in het proces. Het resultaat van het proces
tieve invloed heeft op de stoomproductie,
De laser is rechtstreeks aan één zijde van het
is dat er niet alleen ammoniak geproduceerd
die immers ook belangrijk is.
rookgaskanaal gemonteerd. Aan de andere zijde, vijftien meter verderop, bevindt zich
wordt, maar ook grote hoeveelheden bruikbare stoom en verkoopbare koolstofdioxide.
Vroeger zat er op drie punten een analy-
de detector. De temperatuur op dit punt is
Het proces gaat gepaard met een groot
zer die werkte met een extractieve meting.
zeer hoog, zo’n 800 tot 900 °C, dus het is
brandstofverbruik, zodat het de moeite
In een breed kanaal zoals hier het geval is,
nodig om aan beide zijden van het rookgas-
waard is om zo zuinig mogelijk te stoken.
is het merkbaar dat de rookgassen slecht
kanaal het instrument te koelen met lucht.
gemengd worden. De onderlinge afwijkin-
Dit bleek in eerste instantie nog wat voeten
Branderregeling reformer fornuis
gen van de verschillende zuurstofmeters zijn
in de aarde te hebben. Omdat de leidingen
De installatie dient niet alleen te beschik-
dan groot. In de oude situatie werd voor de
voor de koellucht langs een hete installatie
ken over een efficiënte regeling, maar moet
veiligheid op een hogere lucht-brandstofver-
gaan, werd de lucht, mede afhankelijk van de
ook aan de nodige veiligheidseisen voldoen die in elk geval een verplichte rand-
Zuurstofmeting met Tuable Diode Laser loodrecht op vlak reformerpijpen (300x) van tekening door rookkanaal van 15m lang.
voorwaarde zijn voor het proces. Voor de certificering is de Stichting Certificering
aardgas stoom
Onderhoud en Inspectie van Stook installaties (SCIOS) verantwoordelijk. De huidige installatie voldoet volledig Rookgaskanaal
aan de gestelde eisen.
OVObranders
De meting die nu voor de regeling gebruikt wordt, is gemonteerd in de naverbrander van de reformer in
Verbrandingsluchtvoorwarmer pers verbr . luchtventilator
een rookkanaal van vijftien meter lang. Op dit punt wordt gebruikgemaakt van vijftien branders en de meting gebeurt vlak hierna. De figuur Reformer geeft een eenvou-
zuinig rookgasventilator Naar schoorsteen met puntmeting voor zuurstof en NOx
dige voorstelling van zaken. De figuur Reformer en meting biedt een beeld van de meting 6 [ Automatie 6 ] 2014
Reformer en meting
CO + CO2 + H2 (+ restant aardgas en stoom)
richting van de wind, te heet om effectief te koelen. Inmiddels is dit verbeterd en werkt
Hoe werkt een laser?
het instrument prima.
Het woord laser is een acroniem voor Light Amplification by Sti-
Before emission During emission After emission Excited level
E2
hv
hv
Incident photon Pump action
hv
E
Voldoende nauwkeurig?
mulated Emission of Radiation.
Een relevante vraag in deze is of een smalle
Het fenomeen treedt op aan de
laserstraal wel voldoende ‘volume’ heeft voor
buitenste elektronenschil van
een nauwkeurige en representatieve meting.
een atoom. Hier wordt een atoom
Bovendien kun je je afvragen of een laser-
in een medium in een aangesla-
straal door een in de praktijk toch altijd tril-
gen toestand (excited state, zie
lende installatie niet enige ruis op de detec-
figuur Laserprincipe) gebracht
tor veroorzaakt. Blijkbaar valt dat mee.
door bestraling met licht van een
Bij grotere padlengtes wordt er speciale
bepaalde golflengte (hʋ, incident
optiek gebruikt. Het laserlicht wordt door
photon). Dit is de stimulans en
een lens gedivergeerd, zodat er een bredere
wordt de pompactie genoemd.
straal ontstaat van ongeveer vijftig milli-
Het atoom zal willen terugvallen
meter effectief aan de detectorzijde. Aan
in zijn grondtoestand en het zal
de detectorkant wordt de straal weer gecol-
daarbij een photon uitstralen van
limeerd. Er zijn dan wel verliezen, maar het
dezelfde golflengte als het inval-
vermogen van de laser is groot genoeg om
lende. Bovendien is het daarmee in fase, zodat invallend licht versterkt uit de laser
een correcte meting te waarborgen.
komt. Het laserschema (zie figuur) laat een eenvoudige voorstelling zien van een prak-
Ground level
hv
E1
Atom in excited state
E2 - E1 =
E = hv
Atom in ground state
Laserprincipe Laserlicht
Lasermedium Spiegel
Doorlatende spiegel
Pomp actie
Laserschema
tische uitvoering van een laser. Centraal in de laser is een lasermedium dat geschikt
De huidige meting reageert aanzienlijk snel-
materiaal bevat. Dit kan een gas, vloeistof, vaste stof of een plasma zijn. Bij een dio-
ler dan het oude, extractieve systeem. Als er
delaser is het lasermedium een halfgeleider. Het medium wordt aangeslagen door
iets met de branders aan de hand is, zie je het
pompdioden, flitslicht of een elektromagnetisch veld. Het lasermedium heeft een beperkte omvang, dus zal een beperkte output genereren. Daarom wordt het medium tussen twee spiegels g eplaatst, zodat het uitgezonden licht steeds opnieuw versterkt wordt. De ruimte tussen de lasers wordt optische cavity of oscillator genoemd. Omdat een van de spiegels deels doorlatend is, komt er een monochrome en directionele laserbundel naar buiten die voor een toepassing bruikbaar is. Het licht uit een laser bestrijkt het gebied van de zichtbare golflengten van 400 tot 700 nanometer. Het monochromatisch licht heeft over het algemeen een zeer geringe bandbreedte van minder dan een nanometer of nog veel kleiner, hoewel sommige lasers ook een breed spectrum kunnen leveren tot wel 100 nanometer. Er zijn lasers die niet slechts één, maar meerdere monochromatische bundels tegelijkertijd leveren. Alle lasers hebben gemeen dat ze een ruimtelijk coherente bundel leveren die ze zeer geschikt maakt als aanwijspen bij presentaties, maar ook voor toepassing in de spectrometrie. Bij een afstembare of tunable laser kan de golflengte worden afgestemd. Dit kan omdat lasers diverse golflengten kunnen uitzenden of omdat zij een breed spectrum hebben. Er zijn diverse afstemmechanismen bekend, zoals het gebruik van een prisma, een diffractie-tralie (grating), een filter of het aanpassen van de afmeting van de oscillator. Het is niet zo dat een tunable laser kan worden ingesteld door eenvoudig aan een knop te draaien. Het afstellen van een laser voor procesdoeleinden betekent dat het instrument door de leverancier voor een bepaalde golflengte wordt ingesteld. Soms kan, a fhankelijk van de te meten componenten, de TDL op twee golflengten
De reformer met op het bordes de in-line TDL meting door een rookkanaal van vijftien meter lang.
worden ingesteld.
2014 [ Automatie 6 ] 7
meteen. Er wordt geen goed gemiddelde van
Theo Pustjens is blij om van de monster-
in-line oplossing volgt hier vrij automatisch
de zuurstofconcentratie gemeten doordat er
leidingen af te zijn. Dat zijn de grootste
als gevolg van de zeer grote afmetingen van
in feite een virtueel meetcuvet is ontstaan
onkostenposten. ‘Als ik monsterleidingen
het rookkanaal op de plek waar de meting
van 7,5 liter (immers, een diameter van vijf
kan vermijden, dan doe ik het.’ Het is toege-
nodig is. In andere situaties kan een at-line
centimeter en een lengte van vijftien meter).
staan om de beveiliging van de branders op
oplossing zeker interessant zijn.
De meting kan vergeleken worden met een
de TDL meting te baseren. Hiervoor heeft
meetopstelling verderop in het rookgas
de SCIOS goedkeuring gegeven. De meting
kanaal, dat daar overigens veel smaller is.
werkt inmiddels al vijf jaar lang naar volle
Hier zijn nog een zuurstof- en een NOx meter
tevredenheid. De meting wordt beschouwd
geïnstalleerd. Deze zuurstofmeter meet een
als een snelle, eenvoudige en altijd betrouw-
iets hogere concentratie dan de TDL aan-
bare meting.
geeft door het inlekken van lucht, maar de trend van beide meters komt goed overeen.
Conclusie
Met de TDL wordt de brandstof-luchtver-
In het begin van dit artikel stelden we ons
houding nu zo geregeld dat die tegen het
de vraag of geavanceerde analytische instru-
Meer informatie
door de overheid geaccepteerde minimum
mentatie ook op langere termijn bruikbaar
OCI Nitrogen, I www.ocinitrogen.com
ligt. De gebruikskosten (cost of ownership)
is in het proces. De toepassing die nu al vijf
SCIOS, I www.scios.nl
zijn in dit geval gunstiger dan bij het vroe-
jaar bij OCI Nitrogen onder zware omstan-
Yokogawa, I www.yokogawa.com/nl
gere meetsysteem. Het onderhoud is beperkt
digheden zijn werk doet, laat zien dat dit
tot twee keer per jaar.
wel degelijk mogelijk is. De keuze voor een
Advertentie
The New Valtek GS Control Valve
The Perfect Balance Between Performance and Cost Modular, compact and lightweight, the Valtek GS delivers optimized performance and reliability across all general service flow control applications Flowserve is an industry-leading provider of valves used in a wide variety of global industries
Tel. +31(0)10 - 524 1050 12190
8 [ Automatie 6 ] 2014
