Mehrphasenströmungssensorik - Dresden

Das ForMaT-Vorhaben

Mehrphasenströmungen bestimmen entscheidend die Effizienz und Sicherheit von Prozessen, u.a. in der chemischen Industrie, der Erdölförderung und -verarbeitung, der Kraftwerkstechnik sowie der Lebensmitteltechnik und sind dort aus Prozessen und Anlagen nicht mehr wegzudenken. Die Optimierung, Regelung, Steuerung und Überwachung solcher mehrphasigen industriellen Prozesse und Anlagen erfordert Sensoren und Messverfahren, die mehrphasentauglich, präzise und gleichzeitig robust und preiswert sind.

Derzeit ist das Angebot an kommerzieller Messtechnik für mehrphasige Prozesse nicht ausreichend. Viele industrielle Prozesse werden deshalb noch heute auf der Basis von Erfahrungswerten des Anlagenpersonals betrieben, woraus Schwankungen in der Produktivität und der Produktqualität, ein höherer Energieverbrauch sowie möglicherweise Sicherheitsrisiken beim Anlagenbetrieb resultieren.

Aus diesem Grund steht die messtechnische Erfassung und Bewertung von Mehrphasenströmungen auf den Agenden des Verbandes für Automatisierungs- und Verfahrenstechnik sowie der größten Unternehmen der Chemiebranche an oberster Stelle. Vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf neu entwickelte bildgebende Messverfahren haben sich aufgrund des sehr guten räumlichen und zeitlichen Auflösungsvermögens zur Unterscheidung von Stoffphasen und zur Bestimmung ihrer physikalischen und chemischen Parameter als sehr gut geeignet erwiesen.

Innerhalb der Phase 1 des ForMaT-Projektes wurde ein Portfolio ausgewählter Sensorkonzepte mit hohem wirtschaftlichen Potenzial, starken und patentgeschützten Alleinstellungsmerkmalen sowie definierten Anforderungen für die industrielle Einsetzbarkeit definiert.

Die Ziele

Das Innovationslabor im Rahmen der Phase 2 des ForMaT-Vorhabens hat nun das Ziel, durch koordinierte Forschung und Entwicklung neue Prozesssensoren zu entwickeln und bestehende Sensorkonzepte so anzupassen, dass sie besser als bisher für industrielle Anwendungen nutzbar sind. Im Fokus stehen dabei solche innovativen bildgebenden Sensoren und Messverfahren, die für die industrielle Anwendung besonders wichtig sind. Neben Sensorkonzepten für spezielle industrielle Messaufgaben wie Füllstand, Mehrphasendurchfluss und Temperaturverteilung sollen Technologien zur Gewährleistung der Prozesstauglichkeit der Sensoren in industrieller Umgebung entwickelt werden.

Die thematischen Schwerpunkte

An der Entwicklung eines kohärenten Methoden- und Technologieportfolios arbeiten drei eigenständige, aber miteinander verflochtene Teams mit folgenden Schwerpunkten:

  • Sensortechnologien für extreme Einsatzbedingungen

    Oftmals sind reale industrielle Prozesse durch hohen Druck und hohe Temperaturen, starke Temperaturwechselbelastungen sowie aggressive Medien gekennzeichnet und stellen damit besondere Anforderungen an die Robustheit, den Wartungsaufwand und die Standzeiten von industriellen Sensoren.

    Ziel des Teams ist die gezielte Weiterentwicklung von bereits vorhandenen Sensorkonzepten (Nadelsonde, Prozessmikroskop) für den Einsatz unter extremen industriellen Bedingungen. Neben einem robusten Design bei gleichzeitig möglichst geringer Sensorgröße (wichtig für Zugänglichkeit sowie geringe mechanische, thermische und elektrische Trägheit) steht die systematische Auswahl und Erprobung spezieller Materialien (Legierungen, Keramik, Kunststoffe), Materialverbindungen (insbesondere Beschichtungen) und Fertigungstechnologien (Fügen, Kleben, Löten, Schweißen) im Vordergrund.
     
  • Neue Messverfahren auf Basis der Gittersensortechnologie

    Gittersensoren liefern im Vergleich zu Einzelgrößensensoren ein Vielfaches an Informationen und sind in der Lage, Phasenverteilungen im Strömungsquerschnitt mit hoher Geschwindigkeit durch eine Messung der elektrischer Eigenschaften des strömenden Mediums bildhaft zu erfassen. Ein hoher Anteil der „sensorischen Intelligenz“ liegt dabei in der Auswertesoftware.

    Ziel des Teams ist die Entwicklung innovativer Verfahren zur zweidimensionalen Messung von Temperatur, Füllstand und Mehrphasendurchfluss auf Basis der Gittersensortechnologie für Anwendungsfelder mit enormem Marktpotenzial, wie beispielsweise Chemiereaktoren, Polymerreaktoren, Offshore-Ölseparatoren und Betankungsanlagen.

  • Elektronenstrahl-Prozesstomographie

    Die Röntgentomographie ist ein nichtinvasives bildgebendes Messverfahren, das heute ausschließlich im medizinischen Bereich oder zur zerstörungsfreien Prüfung ruhender Objekte mit Bildraten von 20 Bildern pro Sekunde eingesetzt wird. Durch die Entwicklung eines speziellen Elektronenstrahlerkonzeptes konnte die Bildrate auf 10.000 Bilder pro Sekunde erhöht werden und erlaubt so schnelle Aufnahmen von Mehrphasenströmungen. Damit wird der Nachfrage aus der Prozessindustrie und deren F&E-Abteilungen sowie von Universitäten und Forschungsinstituten im Bereich der Grundlagenforschung sowie aus dem Bereich der Inline-Qualitätskontrolle Rechnung getragen.

    Ziel des Teams ist nun die zielgerichtete Weiterentwicklung hin zur industriellen Anwendungstauglichkeit. Dazu gehört die Verringerung der technischen Komplexität bei gleichzeitigem Erhalt der Leistungsfähigkeit. Das Gerät muss leicht handhabbar sein, um über F&E-Anwendungen hinaus auch für den industriellen Prozesseinsatz tauglich zu sein.

Die Partner

An der Umsetzung des Projekts ist die Gründungsinitiative Dresden exists beteiligt. Darüber hinaus gibt es eine rege fachliche Zusammenarbeit mit Partnern aus Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Industrie.

Kontakt

PD Dr. Uwe Hampel
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.
Institut für Sicherheitsforschung
Abteilung Experimentelle Thermofluiddynamik
Bautzner Str. 128
01328 Dresden
Tel.: 0351-260-2772
Fax: 0351-260-2383
E-Mail: U.Hampel[at]fzd.de
http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=393&pOid=29662