Lasermesstechnik für die Prozessoptimierung in der chemischen Industrie

BMBF-Verbundprojekt OIFA / OptoPrecision GmbH

Im Alltag unserer modernen Welt sind technisch hochkomplizierte Produkte seit Jahrzehnten unentbehrlich geworden. Die dahinter stehenden Herstellungsprozesse wurden dabei stetig weiter entwickelt, wobei das Augenmerk neben der Produktqualität zunehmend auch auf eine möglichst effiziente und umweltschonende Herstellung gelegt wird.
Produktverunreinigungen oder eine toxische Belastung von Abfallprodukten sind über eine Verbesserung der Prozessregelkreisläufe bestmöglich zu vermeiden. Insbesondere in den umsatzstarken wirtschaftlichen Bereichen würde sich eine solche Modifizierung der Herstellungsverfahren ökonomisch und ökologisch signifikant auswirken.

Grundvoraussetzung für diese Optimierungsvorgänge sind jedoch geeignete und möglichst universell anwendbare sensorische Methoden und Geräte, an die immer höhere Ansprüche gestellt werden. Die am Markt befindlichen Geräte sind in vielen Fällen gänzlich ungeeignet oder zumindest zu langsam und unempfindlich bezüglich der notwendigen Nachweisgrenzen.
Optische Messung im Produktionsprozess

Zum ersten Juni 2012 ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt „Optische Inline-Fluid-Analyse basierend auf MIR-Laserstrahlquellen – OIFA“ mit einer Laufzeit von 3 Jahren gestartet. Im Rahmen des Vorhabens soll erstmalig eine neuartige, hochempfindliche und extrem schnelle optische Messtechnik in Form von modularen, robusten Feldgeräten realisiert werden, die universell zur Messung geringster Verunreinigungen in verschiedensten Prozessfluiden, d.h. Gasen und Flüssigkeiten, eingesetzt werden können.
Auf eine aufwendige Probenvorbereitung oder Entnahme kann ebenso verzichtet werden, wie auf die typische Infrastruktur zum Betrieb von Laboranalysegeräten (z.B. klimatisierte Räume). Stattdessen soll die neue Messtechnik direkt am Ort des Entstehens der nachzuweisenden Substanzen eingesetzt werden können, beispielsweise im/am Prozessmedium führenden Rohr (inline). Dabei gilt ein besonderes Augenmerk den extremen Umgebungsbedingungen, für die derartige Präzisionsgeräte bisher nicht verwendet werden konnten.

Stecknadelkopfgroßer Infrarotlaser misst geringste Konzentrationen

Ermöglicht wird das vorgeschlagene Messkonzept unter anderem durch erst seit kurzem verfügbare, kompakte und einfach zu betreibende Infrarot-Laser, die 1994 erfunden und in den vergangenen Jahren von verschiedenen Herstellern marktreif gemacht wurden. Diese stecknadelkopfgroßen Laser emittieren Licht im mittleren Infrarotbereich (MIR) und eignen sich somit hervorragend zur Messung von einer Vielzahl von Substanzen, die in diesem Spektralbereich das Licht absorbieren und somit in dem dazugehörigen Messgerät zu einer entsprechenden auswertbaren Signaländerung führen. Dabei sind geringste Konzentrationen im parts-per-billion Bereich nachweisbar. D.h. bei einer Verdünnung der nachzuweisenden Substanz im Verhältnis 1:1 Milliarde ist sie noch immer messbar.

Diese herausragende Empfindlichkeit, gepaart mit der schnellen Messung ist das Alleinstellungsmerkmal der hier vorgeschlagenen Technologie und eröffnet ganz neue Möglichkeiten für die Messung von Substanzen, die in geringsten Mengen bereits große Auswirkungen auf industrielle Prozesse, die Umwelt und nicht zuletzt den Menschen haben können.

In Kombination mit dem Wissen um den Aufbau robuster optischer Messtechnik für den industriellen Einsatz und unter Mitwirkung eines potentiellen späteren Anwenders soll zielstrebig ein Beitrag zur Schließung der oben genannten Marktlücke für hochempfindliche und schnelle optische Sensoren geleistet werden. Zur Beurteilung der industriellen Verwertbarkeit werden im Laufe des Projektes entsprechende Demonstratoren aufgebaut und im industriellen Umfeld getestet.

Erste Anwendungen zur Messung von Katalysatorgiften in Prozessgasen

Das erste Anwendungsfeld für die Messtechnik wird gemeinsam mit dem Fachzentrum Prozessanalysentechnik der BASF SE in Ludwigshafen als assoziiertem Partner auf dem Gebiet der Überwachung und Optimierung chemischer Großanlagen, insbesondere der Messung von Katalysatorgiften in Prozessgasen, betreten. Als erste Applikation wird die schnelle Messung von Kohlenmonoxid in brennbaren Gasen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur adressiert. Nach einer erfolgreichen Erprobung der Demonstratoren im Labor und dem Verifizieren aller sicherheitsrelevanten Parameter werden die Geräte auch unter realen Betriebsbedingungen in den Produktionsanlagen der BASF in Ludwigshafen getestet.

Zu einem späteren Zeitpunkt sollen weitere Anwendungen in anderen Technologiegebieten, wie beispielsweise der Medizin- und Umwelttechnik, adressiert werden, bei denen die oben genannten Attribute der Messtechnik ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden können und sich damit ebenfalls gesundheitliche, ökonomische und/oder ökologische Vorteile erzielen lassen.

Das Projekt „OIFA“ läuft noch bis Ende Mai 2015 und wird vom Bundesministerim für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ mit 404.000 Euro gefördert. Mit der Projetträgerschaft hat das BMBF die VDI Technologiezentrum GmbH beauftragt.

Ansprechpartner
Dr. Markus Nägele
OptoPrecision GmbH
Auf der Höhe 15
28357 Bremen
Tel. 0421-94961-31
markus.naegele@optoprecision.de