Verbesserung von pH-Messungen in Hochtemperatur-Salzlösungen

Verbesserung von pH-Messungen in Hochtemperatur-Salzlösungen

, 1. September 2021

Chlor-Alkali-Prozesse erfordern präzise Messungen des pH-Werts in Salzlösungen – dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die korrekte Dosierung von Chemikalien. Das ist jedoch keine leichte Aufgabe, wenn die Salzlösung Temperaturen erreicht, die das Glas und die Elektrolyt-Lösungen in den Sensoren beeinflussen. Angesichts dieser schwierigen Bedingungen waren Anwender bisher gezwungen, ein ausreichend hohes Budget vorzusehen, um die Reparatur und den Austausch verunreinigter oder beschädigter pH-Sensoren abzudecken.

Technologie und Innovation können helfen, die Bedingungen zu überwinden, die die Funktion herkömmlicher pH-Messgeräte beeinträchtigen können: korrosive Umgebungen, hohe Temperatur und verschmutzungsanfällige Konstruktionen. Der vorliegende dritte Beitrag in der Serie der pH-Messungen zeigt, wie Hersteller heute den Kostenaufwand von pH-Messungen auch bei hohen Medien-Temperaturen reduzieren können.

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Die Gründe für die hohen Anforderungen an die Sensoren

Heiße Salzlösungen wie etwa in Chlor-Alkali-Prozessen zerstören herkömmliche pH-Messgeräte, indem sie Glaserosion verursachen und Referenzlösungen verunreinigen oder verbrauchen. Aus diesem Grund ist die Prozesstemperatur ein wesentlicher Faktor bei der Auswahl der Art der in einem Sensor zu verwendenden Glaselektrode.

Chemically harsh Chemisch aggressiv
General Allgemein
Chemically light Chemisch nicht aggressiv
Thick G-glass Dickes G-Glas
Thick L-glass Dickes L-Glas
Medium G-glass Mittleres G-Glas
Medium L-glass Mittleres L-Glas
Temperature (°C) Temperatur (°C)

Die Art der in Sensoren verwendeten Referenzsysteme richtet sich nach der erwarteten Prozesstemperatur. Einige Sensoren sind nur für Temperaturen bis 80 °C, andere dagegen für Temperaturen bis 130 °C ausgelegt. Die Angabe einer Bemessungstemperatur bedeutet jedoch nicht, dass der Sensor für eine längere Funktion bei dem höchsten Temperaturwert ausgelegt ist. Glaselektroden mit einem höheren Bemessungswert sind aufgrund der verwendeten dickeren und widerstandsfähigeren Glasformulierung dafür ausgelegt, über einen längeren Zeitraum bei erhöhten Temperaturen zu funktionieren. Diese Sensoren können jedoch auch bei geringeren Temperaturen verwendet werden und halten dann länger.

Ungeachtet der in einem Sensordesign verwendeten pH-Glasformulierung wird die Lebensdauer eines pH-Sensors durch Temperaturen zwischen 25 °C und 70 °C um bis zu 80 % reduziert. Als Faustregel gilt: Die Lebensdauer eines Sensors wird für jede Überschreitung der Raumtemperatur um 25 °C halbiert. Ein Sensor, der in einem Bereich mit einer niedrigeren Temperatur eingesetzt wird, wird ungeachtet des Prozessmediums eine längere Lebensdauer haben. Die korrekte Auswahl ist wichtig, weil die Chemikalienbeständigkeit der Glasmembran temperaturabhängig ist. Erfahrungen aus meinen Gesprächen mit Kollegen bei Yokogawa haben gezeigt, dass die Entsalzung eines Sensors seine Lebensdauer wesentlich beeinflusst. Jeder Temperaturschritt von 10 °C (18 °F) erhöht den Einfluss um den Faktor 2. Je höher die Temperatur, desto schneller die Entsalzung und umgekehrt.

HOW DOES TEMPERATURE AFFECT A SENSOR’S LIFETIME: SO BEEINFLUSST DIE TEMPERATUR DIE LEBENSDAUER EINES SENSORS:
Every 10°C (50°F) decrease will double the lifetime of a sensor. Jede Reduzierung um 10 °C (50 °F) wird die Lebensdauer eines Sensors verdoppeln.
Lifetime expectancy in % Erwartete Lebensdauer in %
Temperature Temperatur

 

Erhöhte Temperaturen beeinflussen außerdem die innere Fülllösung des Sensors. Die innere Elektrolytlösung eines herkömmlichen pH-Sensors besteht aus Kaliumchlorid (KCI), das der Sensor bei hohen Temperaturen schneller verliert. Da die chlorierte Salzlösung eine hohe Temperatur erreicht, erhöht sich auch die innere Diffusionsrate des Elektrolyts, was wiederum die Lebensdauer des pH-Sensors verkürzt. Sensorhersteller haben verschiedene Fülllösungen entwickelt, um dieses Problem zu lösen und die Sensorlebensdauer zu verlängern.

Bewältigung der Herausforderungen durch die Temperatur

Ein Schlüssel für die Bewältigung temperaturbedingter Herausforderungen liegt im Aufbau des Referenzteils des Sensors. Der Referenzbereich des FU20-MTS von Yokogawa besteht aus einem chemisch temperaturbeständigen Glas und einem mV-Ausgangssignal, welches der Kationenkonzentration des Prozesses entspricht.

Mithilfe eines Differenzial-pH-Sensors mit einer salzempfindlichen Referenzelektrode kann der Sensor Temperaturen bis 105 °C und Drücken bis 0,5 MPa widerstehen.

Das Glas in dem Sensor von Yokogawa ist für hohe Temperaturen ausgelegt, sodass eine temperaturbedingte Alterung des Glases im Verlauf der Zeit vermieden wird. Durch die längere Lebensdauer werden die Austauschintervalle verlängert. Dies führt zu geringeren Materialkosten, reduzierten Instandhaltungskosten und weniger Prozessabschaltungen, um Probleme in der Produktion, am Messgerät und in den nachfolgenden Prozessen zu behandeln.

Als Nächstes in der Artikelreihe

Die Verunreinigung des Prozesses und des Sensors sind parallel auftretende Probleme, mit denen Hersteller von Chloralkali zu kämpfen haben. Ein neuer Sensor löst beide Probleme.

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