Bei Merck zählt jeder – Coriolis-Durchflussmesstechnik in Mikroreaktionssystemen für die Produktion.

Eine Produktionskapazität in der Größenordnung von einer halben Tonne pro Jahr? Wenig eindrucksvoll. Aber wenn man bedenkt, dass sie mit einem Mikroreaktionssystem (MRS) im Tischformat und Komponenten in der Größe einer Teetasse erzielt wird, ist sie plötzlich recht erstaunlich und sogar bahnbrechend.

Hans Muntermann, Automatisierungsfachmann für Mikroreaktionstechnik beim Darmstädter Chemie- und Pharmaunternehmen Merck, arbeitet an vorderster Front der neuesten automatisierten Mikroreaktionssysteme.

Siemens und Merck haben auf diesem Gebiet eine lange gemeinsame Geschichte. An der Schwelle zum kommerziellen Durchbruch ist das MRS eine hoch aktuelle Entwicklung in der Chemie; es setzt neue Maßstäbe für Reinheit, Steuerung, Effizienz und Sicherheit - und eröffnet Möglichkeiten für bisher unbekannte Prozesse. Heute sind bereits einige MRSAnlagen in Betrieb, die jeweils aus mehreren Modulen bestehen.

Mehr als 20 verschiedene Syntheseprozesse wurden an die Mikroreaktionsanlagen angepasst. Die Produktionskosten sind in der Regel um mindestens 20 % niedriger als bei konventionellen chemischen Anlagen. Muntermann ist Leiter des Bereichs Automatisierung der zentralen Verfahrensentwicklung (ZVE-I/MSR-Gruppe) bei Merck.

Da man dort mit winzigen Durchflussmengen und hohen dynamischen Messbereichen arbeitet, erwarten er und seine Mitarbeiter erstklassige Messtechnik. Dosierungsmengen reichen bei Merck von 50 g/h bis zu 4 kg/h.

Merck führte vor mehr als 15 Jahren die ersten Versuche mit der Coriolis-Durchflussmesstechnik durch und setzt solche Geräte bereits seit über zehn Jahren als Standard in der Massendurchflussmessung für seine MRS-Skids ein.

Merck hat seinerseits als wichtiger Langzeit-Sparringpartner von Siemens mit einer Fülle industrieller Erfahrungen zur Entwicklung des neuen Massendurchfluss-Messumformers Siflow FC070, des ersten Messumformers zur direkten Integration in das Simatic-Rack, beigetragen.

Im Jahr 2006 integrierte die Merck-Entwicklungsabteilung für Automatisierungstechnik den neuen Messumformer Siflow FC070 nach dem Coriolis-Messprinzip erfolgreich in MRS-Anlagen mit 1,5 mm Durchmesser.

Der Durchflussmesser umfasst einen kompakten Messaufnehmer Sitrans FC 2100 zur Montage in den Prozessleitungen und einen abgesetzten, im SPS-Rack installierten Messumformer Siflow FC070.

Für dieses Projekt konzipierte Siemens eine besonders kompakte Version des Messaufnehmer-Gehäuses, um die knappen Platzvorgaben im Merck-MRS zu erfüllen.

Ein wichtiges Merkmal dieses kundenspezifischen Gehäuses ist ein minimaler Wärmeverlust über den Messaufnehmer durch die Reduzierung des verwendeten Materials. Wenn in so kleinen Größenordnungen gearbeitet wird, haben selbst geringe Wärmeverluste eine große Auswirkung auf die Prozesse.

Nahtlose Integration

Merck vertraut für sein gesamtes MRS-Programm auf die Simatic-Automatisierungstechnik von Siemens, von Forschungsprojekten und Pilotsystemen bis hin zu kompletten Produktionsanlagen.

Für Muntermann ist Simatic unter den Gesichtspunkten Systemintegration, Kompaktheit und Leistung der Industrie- Benchmark.

Daher war es nur logisch, dass der neue Durchflussmessumformer perfekt zu seinen Simatic-Systemen passte - schließlich wurde er speziell für diese Vorgaben optimiert. Der kompakte Messumformer ist einfach zu installieren, in Betrieb zu nehmen und zu betreiben.

Er baut auf der Simatic- Plattform auf, so dass er nicht nur mit Simatic-Automatisierungssystemen, sondern auch mit Simatic Manager PCS7 und Simatic PDM problemlos kommunizieren kann.

Nach der Installation durch einfaches Aufstecken ist er selbstkonfigurierend und spricht die gleiche Sprache wie der Rest des Automatisierungssystems in den Kommunikations- und Diagnosefunktionen. Die Diagnosefunktionen des Siflow FC070 spielen eine wichtige Rolle für das Management von Mikroreaktionssystemen, mit Embedded Intelligence für eine prädiktive Diagnose.

Anwender erhalten die betrieblichen Informationen und Selbstdiagnose, die für eine vorausschauende Instandhaltung unabdingbar sind.

Der bedienerfreundliche Selbsttest unterstützt die Anwender dabei, Lösungen für Prozessprobleme in den automatisierten Systemen zu finden und zu planen. Nicht zuletzt ist dieser Coriolis- Messumformer äußerst zuverlässig bei hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Da er keine beweglichen Teile enthält, arbeitet er praktisch wartungsfrei, so dass sich das MRS-Team ohne Ablenkung durch die Peripherie auf die Kernbereiche seiner Forschungsarbeit konzentrieren kann.

Vielseitigkeit

Das Ausloten der Grenzen der neuen Coriolis-Messtechnik ist ein sehr vertrautes Terrain für Merck und Siemens.

„Wir betrachten uns als Pioniere im Bereich MRS und Coriolis. Nach einfachen Dosierungsaufgaben zu Anfang nutzen wir heute die gesamte Multiparameter- Funktionalität des Coriolis-Massendurchf lussmessers im vollen Umfang", erläutert Muntermann.

„Wir haben umfassendes Coriolis-Know-how, über das selbst Hersteller nicht verfügen. Das macht die Technologie noch faszinierender". Hiermit bezieht sich Muntermann auf sein fundiertes Wissen, wie und wo der Messaufnehmer installiert werden muss, um mit dem MRS-Skid die optimale Leistung zu erzielen.

Die Beherrschung dieser Fertigkeiten ist das Ergebnis jahrelanger Arbeit mit Coriolis-Messgeräten. Insbesondere die Möglichkeit zur Messung mehrerer Parameter mit ein und demselben Gerät und die Tatsache, dass die meisten chemischen Prozesse durch eine Massenbilanz gesteuert werden, macht die Coriolis-Technik laut Muntermann zur „optimalen Lösung".

Diese Massendurchflussmessung bietet den Vorteil, dass die Messgenauigkeit im Gegensatz zu anderen Technologien nicht durch Veränderungen der Temperatur, Dichte oder Viskosität des Mediums beeinträchtigt wird. Die Fähigkeit, mehrere Variablen, insbesondere die Dichte, parallel zur Durchflussmenge zu überwachen, ist für Muntermann vorrangig.

Seinen Angaben zufolge ist die Dichtemessung bei den MRS von Merck äußerst wichtig und vorteilhaft. Ihre Priorität ist mit der Massendurchflussmessung gleichzusetzen. Ein Durchflussmesser, der keine Dichte messen kann, wäre daher schlichtweg nicht in Frage gekommen.

Als zweite Priorität nennt Muntermann die Temperaturmessung. Der Siflow FC070 bietet zusätzlich Funktionen wie Zähler und erweiterte Chargensteuerung.

Durch die vollständige Ausnutzung der vielseitigen Fähigkeiten dieses Messgerätes lässt sich der messtechnische Aufwand auf ein absolutes Minimum reduzieren. Dies stellt in der miniaturisierten MRSUmgebung zweifellos einen großen Vorteil dar.

Coriolis für die MRS von morgen

Merck geht davon aus, dass die Massendurchfluss-Messtechnik von Siemens und insbesondere die Siflow-FC070- Technologie die Herausforderung meistern kann, welche die zukünftige, kommerzielle Nutzung der MRS mit sich bringt.

Der Siflow FC070 ist für den Einsatz von MRS-Prozessen in größerer Stückzahl oder in größerem Maßstab geeignet. Er beweist dabei im ersteren Fall höchste Reproduzierbarkeit und im Letzteren einen hohen dynamischen Messbereich.

Muntermann ist sich sicher, dass die Coriolis-Messtechnik von Siemens einen Eckpfeiler der neuen MRS-Prozesse von Merck darstellen wird. Der vielseitige Durchflussmesser ist für die kommenden Herausforderungen bestens gerüstet: Er ist für die Messung gasförmiger und flüssiger Medien ausgelegt und kompatibel mit beliebigen Fluiden, u.a. auch mit hochaggressiven, nichtleitfähigen Chemikalien.

Mit immer kleineren Dosierungsmengen, die sich einem Bereich von 20g/h nähern, scheiden sich Produktion und Forschung und Entwicklung. Daraus ergeben sich neue Anforderungen für die Materialwissenschaft.

Muntermann prognostiziert, dass viele der künftigen MRS-Aufgaben interdisziplinäre Kompetenzen in den Bereichen Legierungen, Chemie, Prozesserfassung und -management erfordern werden. Generell betrachtet er jedoch die Prozessinstrumentierung als die größte Herausforderung für den MRS-Ingenieur.

Was sind Mikroreaktionssysteme (MRS)?

Automatisierte MRS-Anlagen sind Miniaturausgaben von herkömmlichen chemischen Prozessanlagen mit Komponenten aus Polymerwerkstoffen, Keramik, Glas oder Metall, bei denen die Durchflusskanäle einen Maßstab von nur wenigen Millimetern haben.

Eine exakte Steuerung erfolgt durch die kontinuierliche Verarbeitung kleinster Mengen von Reaktanten und ist in höchstem Grad abhängig von einer hohen Präzision der Mess- und Meldetechnik des automatischen Steuerungssystems.

Da die Messtechnik für einen effektiven MRS-Betrieb eine so entscheidende Rolle spielt, muss ihre Auswahl nach den Kriterien höchster Genauigkeit, Vielseitigkeit, Flexibilität und maximaler Kompatibilität für die Kommunikation erfolgen. Der Coriolis-Massedurchflussmesser erfüllt diese Anforderungen optimal und kann eine Vielzahl von Prozessparametern gleichzeitig und mit der höchsten Präzision aller Durchflussmesstechniken messen.

Der neue Siflow FC070 eröffnet neue Möglichkeiten in der Coriolis-Messtechnik; er ist der kompakteste Durchflussmessumformer auf dem Markt und ist speziell für die Systemintegration im Sinne einer optimalen Automatisierungssteuerung ausgelegt.

Vorteile von MRS: Erhöhte Sicherheit - Reagenzien und Produkte liegen in so geringen Mengen vor, dass sie auch in hochtoxischer Form kein Sicherheitsrisiko darstellen. Der Materialfluss kann sehr präzise gesteuert und auf die Reaktionszeit abgestimmt werden.

Dies ermöglicht das schnelle Mischen und reduziert eine Rückvermischung von Produkten mit Reagenzien. Der Wärmeübergang im Mikro-Maßstab ist infolge der kürzeren Wege und des hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen wesentlich effizienter als in einem großen Tank.

Dies ermöglicht eine schnelle Wärmezu- bzw. Abfuhr. Es erfolgen intensivere Reaktionen zwischen flüssigen und gasförmigen Reaktanten in Mehrphasen-Prozessen.

Autor:
Jens Goebel, Business Manager
Siemens AG Automation and
Drives
Siemens Flow Instruments A/S,
Nordborg, Dänemark

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