English China

Refraktometer Durchlicht-Refraktometer bestimmt Formaldehydkonzentration im Prozess mit Laborgenauigkeit

Autor / Redakteur: Jörg Sacher / Jörg Kempf

Lückenlose Qualitätskontrolle erfordert kontinuierliche Überwachung, also den Einsatz von Online-Messtechnik. Bei Dow in Stade überwacht ein Durchlicht-Refraktometer die Konzentration des über Schiff angelandeten Formaldehyds direkt im Prozess und sichert damit die Qualität der Endprodukte.

Firmen zum Thema

Das Prozessrefraktometer Piox R400 misst die Lichtbrechung unmittelbar durch den Probenstrom.
Das Prozessrefraktometer Piox R400 misst die Lichtbrechung unmittelbar durch den Probenstrom.
(Bild: Flexim)

Am Standort Stade von Dow Chemical dreht sich fast alles um die Herstellung von Vor- und Zwischenprodukten für die Kunststoffindustrie. Neben Vorprodukten für Polyurethan sowie für Epoxidharze werden im größten Chemiebetrieb Niedersachsens auch Phenylharze hergestellt. Diese entstehen aus einer Polykondensationreaktion von Phenyl mit Formaldehyd und zählen historisch zu den ersten Kunststoffen überhaupt.

Bereits 1872 hatte Adolf von Baeyer bemerkt, dass sich bei der Umsetzung von Phenol mit Formaldehyd in Gegenwart von Salzsäure ein Harz bildete. Die interessante Beobachtung blieb drei Jahrzehnte nahezu folgenlos, bis der Zwickauer Chemiker Carl Heinrich Meyer 1902 ein „Verfahren zur Herstellung eines dem Schellack ähnlichen harzartigen Kondensationsproduktes aus Phenol und Formaldehydlösung“ zum Patent anmeldete. In der Folge erfuhren die Phenol-Formaldehydharze insbesondere durch die Arbeiten des Kunststoffpioniers Leo Baekeland („Bakelit“) einen enormen Aufschwung und kommerzielle Verbreitung. Auch der Markenname Novolac für Phenolharze, die unter sauren Kondensationsbedingungen und Formaldehydüberschuss hergestellt werden, geht zurück auf den Begründer des Kunststoffzeitalters.

Bildergalerie

Auf die richtige Dosis kommt’s an

Zur industriellen Produktion von Novolac-Kunstharzen wird in einem großen Reaktionsgefäß eine wässrige Formaldehydlösung zu einem Phenol-Katalysator-Gemisch hinzugegeben. Eine wesentliche Eigenschaft des Endprodukts ist seine Viskosität. Diese hängt entscheidend von der eingesetzten Formaldehydmenge ab. Um jederzeit die spezifizierten Viskositäten garantieren zu können, muss daher das Formaldehyd korrekt dosiert, also die Konzentration der Lösung genau bekannt sein.

Das Dow Werk Stade bezieht Formaldehyd von außerhalb. Zu den Standortvorteilen von Stade zählt sein großer Seehafen. Auch das Formaldehyd wird dort angelandet und gelöscht. Bis zur Einrichtung einer Online- bzw. Inline-Messstelle wurden auf dem Schiff Proben genommen und im Labor bestimmt. Nun misst Dow die Formaldehydkonzentration kontinuierlich mit dem Prozessrefraktometer Piox R400 von Flexim.

Noch immer wird Flexim fast ausschließlich mit den Ultraschalldurchflussmessern Fluxus in Verbindung gebracht. Dabei sind die flexiblen Industriemesstechniker aus Berlin längst auch auf dem Gebiet der Prozessanalytik aktiv: eingriffsfrei mit den Clamp-On-Ultraschallsystemen Piox S, benetzt mit dem Prozessrefraktometer Piox R.

Die Messung der Lichtbrechung kann auf eine ebenso lange Tradition zurückblicken wie Kunststoffe auf der Basis von Phenol und Formaldehyd: Zur selben Zeit als Adolf von Baeyer die Bildung eines Harzes bemerkte, entwickelte Ernst Abbe sein Refraktometer. Abbe nutzte das Instrument übrigens explizit zur Bestimmung von Balsamen und Harzen. Seitdem ist das Refraktometer aus den chemischen Laboren nicht mehr wegzudenken.

Präzis im Labor, Drift im Prozess

Als Prozessmesstechnik hat sich die Refraktometrie hingegen bislang nicht recht durchsetzen können. Der Grund dafür liegt in der Anfälligkeit der Abbe-Refraktometer gegenüber Belagsbildungen. Abbes besonderer Kniff hatte darin bestanden, den Brechungswinkel nicht direkt zu beobachten, sondern indirekt. Beim Übergang von einem optisch dünneren Medium in ein dichteres wird Licht nur bis zu einem bestimmten Einfallswinkel in das dichtere Medium gebrochen. Dieser so genannte Grenzwinkel der Totalreflexion ist über das Snelliussche Brechungsgesetz mit dem Brechungswinkel verknüpft und kann als scharfer Hell-Dunkel-Kontrast sehr gut beobachtet werden.

Weil bei der Bestimmung des Grenzwinkels nur eine hauchdünne Probenschicht zur Messwertbildung beiträgt, führen freilich schon geringste Beläge auf dem Prisma zur Messwertdrift, stärkere Beläge zum Ausfall der Messung.

Mit denselben Schwierigkeiten hätten Grenzwinkelrefraktometer auch bei der Konzentrationsmessung einer Formaldehydlösung zu kämpfen. Die Stader Formaldehydleitung ist starken Temperaturaturschwankungen ausgesetzt. Bei Abkühlung fällt aus der Lösung Paraformaldehyd als weißes Pulver aus. Weil Paraformaldehyd bei Erwärmung wieder in Formaldehyd aufgespalten wird und sich wieder in Wasser löst, ist dieser Vorgang für den Prozess im Grunde unerheblich. Jedoch würden Paraformaldehydbeläge auf dem Messprisma eines Grenzwinkelrefraktometers die Messung erheblich beeinträchtigen.

Betriebssichere Messung

Die überlegene Lösung heißt Durchlichtrefraktometrie: Das Prozessrefraktometer Piox R bestimmt den Brechungsindex nicht an einer hauchdünnen Probenschicht indirekt über den Grenzwinkel der Totalreflektion, sondern misst die Lichtbrechung unmittelbar durch den Probenstrom. Die Messung im Durchlichtverfahren unmittelbar im Probenstrom ist erheblich unempfindlicher gegenüber Belagsbildungen als beim Grenzwinkelverfahren. Bei Belagsbildung auf dem Prisma wird zudem die Lichtstärke der LED automatisch nachgeregelt. Das Piox R400 ist gegenwärtig das einzige Prozessrefraktometer auf dem Markt, das nach dem Durchlichtverfahren misst.

Doppelt hält besser, heißt es. Beim Piox R400 ist es nicht bloß ein einziger Lichtstrahl, dessen Brechung gemessen wird, sondern es sind zwei: Durch ein Doppelprisma wird der monochromatische Messstrahl in zwei Richtungen gebrochen und die Differenz der beiden Probenstrahlen ausgewertet. Das patentierte Messverfahren gewährleistet stabile Messergebnisse auch bei Temperatur- und Druckschwankungen in rauen Prozessumgebungen.

Für den Anwender zählen vor allem zwei Dinge: Die Genauigkeit seines Messinstruments und seine unbedingte Zuverlässigkeit. Mit der Brechungsmessung im Durchlicht-Differenz-Verfahren lässt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit realisieren. Kommt es zu Abweichungen von der Standardkonzentration, kann ohne Zeitverzug durch eine Erhöhung oder Verminderung der Durchflussmenge nachgeregelt werden. Seit seiner Installation im Dow Werk Stade vor anderthalb Jahren misst das Prozessrefraktometer Piox R die Formaldehydkonzentration zuverlässig und störungsfrei.

* Der Autor arbeitet in der Unternehmenskommunikation/Technische Redaktion der Flexim GmbH, Berlin.

(ID:35234040)