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Online TOC-Analyse Per TOC-Messung im Prozess die Wasserqualität im Chemiepark überwachen

Autor / Redakteur: Sascha Hupach* / Dr. Ilka Ottleben

Als ein seit Jahrzehnten etabliertes Analysenverfahren beschreibt der Summenparameter TOC in einem Analysenwert die gesamte Verunreinigung durch organische Komponenten in seiner Matrix – im Labor sowie auch „online“ im Prozess. Dadurch wird der TOC zu einem vielseitigen und universellen Parameter wie ein Blick auf den Chemiepark Leuna zeigt.

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Abb. 1: Die analytische Überwachung der Wasserqualität per TOC-Messung ist auch im Chemiepark Leuna essenziell für effiziente Prozesse.
Abb. 1: Die analytische Überwachung der Wasserqualität per TOC-Messung ist auch im Chemiepark Leuna essenziell für effiziente Prozesse.
(Bild: Ralf Lehmann/Infraleuna)

Seit rund 100 Jahren wird am Chemiestandort Leuna in Sachsen-Anhalt mit viel Innovationskraft und Effizienz produziert: von der Spezial- bis hin zur Massenchemie. Seit 1990 haben sich international tätige Konzerne wie Arkema, BASF, Domo, Eastman (Taminco), Innospec, Linde und Total sowie zahlreiche mittelständische Unternehmen für den Standort Leuna entschieden und bislang über sechs Milliarden Euro investiert.

Infraleuna sichert als unabhängiger Betreiber aller Infrastrukturen die Synergien des Chemiestandorts Leuna und bietet die Rahmenbedingungen für eine kostenoptimierte und effiziente Produktion der Standortfirmen. Das Angebot der Infraleuna besteht aus der redundanten Bereitstellung von Dampf, Strom, Frisch- und Trinkwasser sowie der Abwasserentsorgung und weiteren Dienstleistungen. Auch komplexe Logistikleistungen werden bereitgestellt.

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Die analytische Überwachung der Wasserqualität ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Dienstleistungen. Sie ist wichtiges Werkzeug, um die Prozesse sicher zu führen und Anlagen und Umwelt zu schützen. Sie wird an verschiedenen Stellen mit unterschiedlichen Wasserqualitäten vorgenommen, etwa Abwasser, Reinstwasser oder Wasserdampf.

Den TOC online überwachen

Um das Maß der Verunreinigung durch organische Komponenten in einem Wasser schnell zu erfassen, wird der TOC bestimmt (Total Organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff). Das kann „offline“ im Labor erfolgen sowie „online“ im Prozess. Der TOC-4200 von Shimadzu ist ein solcher TOC-Prozess-Analysator, mit dem man die Online-Überwachung automatisch durchführen kann.

Eine automatische Probennahmestation entnimmt stetig Prozesswasser und führt es dem Analysator zu. Dabei ist es wichtig, die Entnahme auf die jeweilige Wasserqualität anzupassen: Enthält sie Partikel, ist sie anders zu behandeln als ein salzhaltiges partikelfreies Wasser. Shimadzu bietet hierfür verschiedene Entnahmemodule an. Dabei können bis zu sechs unterschiedliche Probenströme an einer Station angeschlossen und von einem Analysator gemessen werden.

Wichtig für die Bestimmung des TOC ist die Differenzierung zwischen organischem und anorganischem Kohlenstoff. Carbonate und Hydrogencarbonate sind schließlich in jedem natürlichen Gewässer enthalten. Die meist genutzte Methode zur TOC-Bestimmung ist daher die so genannte NPOC-Methode (Non Purgeable Organic Carbon, nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff). Hierbei wird die Probe mit einer Säure angesäuert, um die enthaltenen Carbonate und Hydrogencarbonate zu CO2 umzusetzen. Anschließend wird das entstandene Kohlendioxid durch einen Gasstrom ausgetrieben, der durch die Probe geleitet wird.

Diese Probenvorbereitung wird von dem TOC-4200 automatisch vorgenommen. Ist der anorganische Kohlenstoff entfernt, wird eine Teilmenge automatisch auf einen 680 °C heißen Platin-Katalysator injiziert. Hier werden alle vorhandenen organischen Verbindungen zu Kohlendioxid oxidiert. Das entstandene CO2 wird durch ein Trägergasstrom zu einem hochsensitiven und CO2-selektiven NDIR-Detektor geleitet und vermessen. Anhand einer externen Kalibrierung wird die TOC-Konzentration berechnet.

Abwasser und Reinstwasser überwachen

Am Chemiestandort Leuna entstehen stündlich etwa 300 m3 Abwasser, die gereinigt werden müssen. Dazu wird am Standort eine eigene mehrstufige Kläranlage betrieben. Um die biologische Reinigungsstufe der Kläranlage zu schützen, wird der Eingang der biologischen Reinigungsstufe penibel untersucht. Ein Online-TOC-System überwacht engmaschig den Zulauf, denn zu hohe Mengen organischer Fracht können die Biologie der Anlage empfindlich stören oder sogar abtöten.

Um eventuell ankommende Lösemittelfrachten leichtflüchtiger Lösemittel erfassen zu können, wird in dem Zulauf nicht nur der NPOC gemessen, sondern durch eine spezielle Option zusätzlich die ausblasbaren organischen Substanzen (POC, purgeable organic carbon).

Um die Effizienz der Kläranlage zu überwachen und um den Klärprozess steuern zu können, wird auch der Ausgang der Kläranlage überwacht. Hierzu werden zwei Stoffströme analysiert:

  • die Wässer aus den verschiedenen Reinigungsstufen der Kläranlage und
  • die durch Niederschlagsereignisse entstehenden Oberflächenwässer.

Werden die entsprechenden Grenzwerte eingehalten, darf das Wasser in den Fluss geleitet werden. Um Umweltschäden zu vermeiden, sind die hierfür eingesetzten TOC-4200-Systeme mit einem mechanischen Schiebersystem verbunden. Bei einer Grenzwertüberschreitung wird der Schieber automatisch geschlossen und das Wasser wird in ein Havariebecken geleitet und danach wieder der Abwasserbehandlung zugeführt.

In vielen Bereichen des Chemieparks wird Reinstwasser verwendet, entweder für chemische Prozesse oder für thermische Prozesse in Abhitze- oder Kesselanlagen. Dafür stellt Infraleuna etwa 350 m3 Reinstwasser pro Stunde her. In diesem Herstellungsprozess werden unterschiedliche Techniken miteinander verknüpft. Das Rohwasser wird zunächst entkarbonisiert, über Kiesfilter und Kerzenfilter filtriert, anschließend durch Umkehrosmose gereinigt und durch Ionenaustauscher entsalzt.

TOC-Verunreinigungen im Reinstwasser können negativen Einfluss auf chemische Prozesse haben. Vor allem bei der Herstellung und Verarbeitung hochreiner Chemikalien können sich Verunreinigungen negativ auf die Qualität des Produkts auswirken. Daher wird eine wichtige Spezifikation des Reinstwasser durch den TOC beschrieben: Es darf nicht mehr als 0,2 mg/l organischen Kohlenstoff enthalten. Deshalb wird das Reinstwasser vor dem Einspeisen in die Versorgungsleitungen kontinuierlich untersucht. Um solche empfindlichen Messungen durchzuführen, wird ein spezieller hochsensitiver Katalysator eingesetzt. Die platinierte Quarzwolle des Katalysators ermöglicht die Injektion höherer Volumina. In dieser Kombination werden Nachweisgrenzen unter 50 µg/l TOC erreicht.

Wasserdampf/Kondensat

Einer der wichtigsten Energieträger im Chemiepark Leuna ist Wasserdampf. Er wird zum Beheizen von Reaktoren verwendet und ist manchmal sogar Teil des Herstellungsprozesses. Infraleuna versorgt daher die jeweiligen Kunden und die eigenen Anlagen mit Wasserdampf in unterschiedlichen Druckstufen. Der Dampf wird teilweise hocheffizent in Kraft-Wärme-Kopplung in einer GuD-Anlage erzeugt.

Verunreinigungen in dem zur Dampfgewinnung verwendeten Wasser können negative Auswirkungen auf die Anlage haben. Neben anorganischen Stoffen, wie Salze oder CO2, können auch organische Verunreinigungen Schaden anrichten. Bei der Dampferzeugung werden einige organische Substanzen zersetzt. Durch die Zersetzungsprodukte beispielsweise organische Säuren kommt es zu einer erhöhten Korrosion an Anlagenteilen wie Wärmeübertragern oder an der Beschaufelung von Dampfturbinen.

In dem zurückfließenden Kondensat können sich organische Substanzen anreichern. Daher wird auch das Kondensat überwacht und nur wiederverwendet, wenn ein Grenzwert von maximal 0,8 mg/l TOC eingehalten wird. Ist die gemessene TOC-Konzentration höher, wird das Kondensat vor der Wiederverwendung durch geeignete Verfahren aufbereitet. Zum Schutz der Anlagenteile im Dampf-Kondensat-Kreislauf wird die TOC-Konzentration stets sorgfältig überwacht.

Rückkühlwasser

Für die Kondensation im Wasser-Dampf-Kreislauf werden zusätzliche Kühlkreisläufe bemüht. Die hierfür verwendeten Kühltürme mit ihren großen Wassermengen stellen im Gegensatz zu den geschlossenen Wasser-Dampf-Kreisläufen ein offenes System dar. Von außen wirken verschiedenste Umwelteinflüsse auf die Wasserqualität des so genannten Rückkühlwassers. Dies ist bei Temperaturen zwischen 20 °C und 40 °C zudem eine ideale Brutstätte für Mikroorganismen aller Art. Um die Verkeimung der Systeme zu verringern, werden dem Rückkühlwasser Chemikalien zugegeben. Auch dieses Wasser wird kontinuierlich hinsichtlich seines organischen Verunreinigungsgrads überwacht.

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Probennahme

Am Chemiestandort Leuna werden an vielen Stellen Prozess-TOC-Geräte zur Überwachung der verwendeten Wässer eingesetzt. Die Probenahme erfolgt dagegen bei allen verwendeten Systemen mittels Entnahme im Gegenstrom-Prinzip. Sie besteht aus einem gebogenen Überlaufrohr, in das eine Entnahmekapillare eingeführt wird.

Der Probenentnahmepunkt liegt direkt hinter dem Rohrbogen, sodass eine turbulente Strömung der Probe ein eventuell vorliegendes Mehrphasengemisch homogenisiert. Der TOC-4200 zieht die strömende Probe entgegen ihrer Strömungsrichtung aus dieser Kapillare und spült sie anschließend mit Spülwasser zurück. Die Probennahmevorrichtung enthält damit keine beweglichen Teile oder Filter, ist somit praktisch wartungsfrei. Das strömende Medium trägt stetig Partikel oder Ablagerungen von der Kapillare fort, sodass keine Verstopfungen entstehen können.

* S. Hupach: Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

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