Dichtemessung im Hydrocracker

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Das Hydrocracken ist ein zentrales Verfahren in der modernen Raffinerietechnik, das zur Umwandlung schwerer Erdölfraktionen in hochwertige, leichter verwertbare Produkte wie Diesel, Kerosin und Naphtha dient. Im Gegensatz zum thermischen Cracken erfolgt die Spaltung der langen Kohlenwasserstoffketten unter hohem Wasserstoffdruck (typisch 100–200 bar) und bei Temperaturen von 350–450 °C in Gegenwart eines Katalysators. Der Prozess kombiniert chemische Reaktionen wie Hydrierung, Cracken und Isomerisierung, um sowohl Ausbeute als auch Produktqualität zu steigern.

 

Bedeutung der Dichtemessung in der Raffinerietechnik

Die Dichte eines Mediums ist ein zentraler Prozessparameter im Hydrocracker, da sie direkt mit der Zusammensetzung und dem Qualitätsniveau der Produkte korreliert. Schwankungen in der Dichte liefern frühzeitige Hinweise auf Veränderungen im Reaktionsverlauf, die Katalysatoraktivität oder Verunreinigungen. Eine präzise und kontinuierliche Dichtemessung erlaubt:

• die Prozessoptimierung durch Echtzeit-Überwachung der Umwandlungsgrade,

• die Erhöhung der Produktausbeute durch gezielte Steuerung der Produktabtrennung und

• die Sicherung der Anlagensicherheit, indem ungewollte Reaktionen frühzeitig erkannt werden.

In einem komplexen und potenziell gefährlichen Umfeld wie dem Hydrocracker ist die zuverlässige Dichtemessung somit ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskontrolle und Qualitätssicherung.

Ziel dieses Beitrags ist es, die Rolle der Dichtemessung im Hydrocrackerprozess zu beleuchten, die technischen Anforderungen und Herausforderungen zu analysieren und geeignete Messtechnologien mit Fokus auf Coriolis-Durchflussmessgeräte vorzustellen. Anhand praxisnaher Beispiele wird gezeigt, wie die Auswahl und Integration geeigneter Sensorik zur Effizienzsteigerung, Produktverbesserung und Anlagensicherheit beitragen kann.

 

→ Funktionsweise des Hydrocrackers

Überblick: Reaktionsbedingungen

Der Hydrocracker ist ein katalytisch gestützter Hochdruckreaktor, der mit Wasserstoff beaufschlagt wird, um schwer verarbeitbare Kohlenwasserstofffraktionen in leichtere und wertvollere Produkte umzuwandeln. Die Bedingungen im Reaktor sind extrem und stellen hohe Anforderungen an Materialien und Messtechnik:

Die Kombination aus hoher Temperatur, hohem Druck und einem reaktiven Medium macht den Hydrocracker zu einem der anspruchsvollsten Prozesse in der Raffinerietechnik.

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Prozesseinflüsse auf das Medium

Während des Crackprozesses werden große Moleküle in kleinere aufgespalten. Diese Molekularveränderung führt zu einer messbaren Änderung der Dichte des Mediums:

• Dichteabnahme: Bei fortschreitender Crackreaktion sinkt die Dichte, da aus schweren Molekülen leichtere Fraktionen entstehen.

• Indikatorfunktion: Die Dichte dient daher als indirekter Messwert für den Reaktionsfortschritt und die Qualität des Endprodukts.

• Schichtbildung: Nach der Reaktion können sich verschiedene Fraktionen durch Dichteunterschiede in Abscheidern trennen (z. B. Leichtfraktionen oben, Schweröl unten), was die Dichte zu einem zentralen Regelparameter macht.

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Typische Einsatzstoffe

Hydrocracker verarbeiten vor allem hochsiedende, schwefelhaltige und schwer aufzubereitende Fraktionen, die bei der atmosphärischen oder Vakuumdestillation anfallen:

Diese Stoffe erfordern robuste Sensorik mit hoher Genauigkeit, da bereits kleine Dichteänderungen auf signifikante Prozessveränderungen hinweisen können.

 

→ Warum ist Dichtemessung im Hydrocracker entscheidend?

Die kontinuierliche Überwachung der Dichte ist im Hydrocracker ein zentraler Bestandteil der Prozessführung, da sie nicht nur Einblicke in die Produktqualität liefert, sondern auch zur Sicherheit und Effizienz des Anlagenbetriebs beiträgt. Im Gegensatz zu laborgestützten Analysen erlaubt eine inline Dichtemessung eine unmittelbare Reaktion auf veränderte Prozessbedingungen.

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Prozesskontrolle und Qualitätsüberwachung

Die Dichte des Prozessmediums steht in engem Zusammenhang mit dem API-Wert, einem international genormten Maß für die Leichtigkeit eines Erdölprodukts. Je niedriger die Dichte, desto höher der API-Wert – ein Indikator für die Qualität und Marktfähigkeit der erzeugten Produkte.

• Online-Dichtemessung liefert Echtzeitdaten über die Reaktionstiefe

• Schwankungen im Dichteverlauf deuten auf Katalysatoralterung, Fehlmischungen oder unvollständige Reaktionen hin

• Hilft bei der gezielten Steuerung der Reaktorparameter (z. B. Temperaturprofil, Verweilzeit)

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Sicherheit

Im Hydrocracker bestehen potenziell kritische Betriebsbedingungen, etwa durch H₂-Anreicherung, Überhitzung oder Reaktionsstau. Eine plötzlich ansteigende Dichte kann auf Koksbildung, Katalysatorverstopfung oder Temperaturabfall hinweisen.

• Frühwarnsystem bei unerwünschten Nebenreaktionen

• Unterstützung der automatisierten Notabschaltung bei Abweichungen

• Beitrag zur Vermeidung explosionsgefährdender Zustände

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Optimierung der Wasserstoffzufuhr und Crackrate

Die Crackgeschwindigkeit hängt direkt von der Verfügbarkeit und dem Überschuss an Wasserstoff ab. Die Dichtemessung ermöglicht eine bedarfsorientierte Regelung:

• Vermeidung von Überdosierung (erhöht Betriebskosten)

• Sicherstellung der Reaktionsstabilität

• Effizienzsteigerung durch angepasste Cracktiefe bei konstant hoher Produktqualität

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Bedeutung der Dichte in der Produktabtrennung

Nach der Reaktion erfolgt die Trennung der Produkte in Fraktionen über mehrere Stufen, darunter Vorabscheider, Fraktionierer und Nachkühler. Die Dichte ist hierbei ein zentraler Trennparameter.

Eine präzise Dichtemessung unterstützt die Effizienz dieser Trennstufen, reduziert Verluste und sorgt für gleichbleibende Produktspezifikationen.

 

→ Herausforderungen bei der Messung

Die Dichtemessung im Hydrocracker stellt Messtechnikhersteller und Anlagenbetreiber vor besondere Anforderungen. Neben der hohen Bedeutung der Messgröße selbst erschweren die extremen Prozessbedingungen eine präzise und langfristig stabile Messung.

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Extreme Prozessbedingungen

Die Messgeräte müssen kontinuierlich und zuverlässig in einem Umfeld arbeiten, das viele Standardtechnologien überfordert:

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Beispielszenario 1: Schwefelreiche Rückstände im Heißabscheider

In einem Hydrocracker-Bypass wird ein Teilstrom aus dem Heißabscheider entnommen, um Rückstände zu analysieren. Die Dichte schwankt je nach Reaktionstiefe stark. Das Medium enthält Schwefelwasserstoff (H₂S) und ist > 200 °C heiß.

Herausforderung:

• Chemisch aggressives Gemisch greift Dichtungen und metallische Sensoroberflächen an.

• Konventionelle Messgeräte zeigen Drift oder Ausfall durch Korrosion.

Lösung:

• Einsatz eines Coriolis-Messgeräts mit Hastelloy C22-Messrohr und PTFE-beschichteten Dichtungen.

• Installation in Ex-d-Gehäuse mit Temperaturentkopplung über verlängerten Hals.

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Beispielszenario 2: Beengte Verhältnisse am Reaktorzulauf

Am Zulauf eines Hydrocracker-Reaktors ist nur wenig Platz zwischen zwei Armaturen vorhanden. Eine Messstelle zur Dichtemessung soll nachgerüstet werden, um den Wasserstoffanteil im Zulaufgemisch besser zu überwachen.

Herausforderung:

• Kein ausreichender Platz für klassische Inline-Dichtemessung mit langen Ein- und Auslaufstrecken.

• Vibrationen durch angrenzende Pumpen beeinträchtigen die Messstabilität.

Lösung:

• Verwendung eines kompakten Coriolis-Durchflussmessers mit kurzen Anschlussstücken und unempfindlicher Zweirohrkonstruktion.

• Integration in bestehendes Profibus-System mit Echtzeit-Dichteausgabe.

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Zusätzliche Herausforderungen:

• Wartung & Kalibrierung: Eingebaute Sensoren sind oft schwer zugänglich, die Kalibrierung muss entweder online (durch Referenzwerte) oder über smarte Diagnosefunktionen erfolgen.

• Langzeitstabilität: Mechanische Spannungen, Druckwechsel und Temperaturschocks können herkömmliche Sensoren frühzeitig altern lassen.

• Signalverarbeitung: Bei schnellen Prozessschwankungen muss die Messung nicht nur robust, sondern auch dynamisch schnell reagieren (typisch <1 Sekunde).

 

→ Messtechnische Lösungen im Vergleich

Für die Dichtemessung im Hydrocracker stehen mehrere Technologien zur Auswahl. Die Wahl hängt von Faktoren wie Temperatur, Druck, Medienbeschaffenheit, Ex-Zonen-Anforderungen und Platzverhältnissen ab. Im Folgenden werden die drei relevantesten Verfahren – Coriolis, Ultraschall und nukleonische Dichtemessung – verglichen:

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1. Coriolis-Messgeräte (z. B. Siemens SITRANS FC430)

Die Coriolis-Technologie gilt als Goldstandard für die kombinierte Messung von Massendurchfluss und Dichte. Sie basiert auf der Auswertung von Schwingungen in einem durchströmten Messrohr – je nach Mediumsdichte ändert sich das Trägheitsmoment und damit die Phasenverschiebung der Rohrschwingung.

Vorteile:

• Direkte, hochpräzise Dichtemessung (Genauigkeit bis ±0,0005 g/cm³)

• Robuste Bauweise, optional mit Hastelloy, Duplex oder Titan

• Kompakte Geräte wie der SITRANS FC430 sind platzsparend und Ex-zertifiziert

• Keine beweglichen Teile → wartungsarm

• Integrierte Temperaturmessung und Diagnostikfunktionen

• Geeignet für Druckbereiche bis > 400 bar

Einschränkungen:

• Medium muss kontinuierlich strömen (Batchbetrieb eingeschränkt)

• Höhere Anschaffungskosten, jedoch langfristig wirtschaftlich

Einsatzempfehlung:
✅ Ideal für kritische Prozesspunkte im Hydrocracker (z. B. Reaktorzulauf, Produktabtrennung)

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2. Ultraschall-Dichtemessung

Bei der Ultraschallmethode wird die Laufzeit eines akustischen Signals durch das Medium gemessen. Über bekannte Schallgeschwindigkeiten kann indirekt auf die Dichte geschlossen werden.

Vorteile:

• Berührungslose Messung möglich (bei Clamp-On-Ausführung)

• Geringe Installationskosten

• Für niedrigere Temperaturen (<150 °C) und mittleren Druckbereich gut geeignet

Einschränkungen:

• Empfindlich gegenüber Gasblasen, Ablagerungen, Vibrationen

• Temperatur- und druckabhängig – Kalibrierung aufwendig

• Begrenzte Werkstoffoptionen

• Keine Massendurchflussmessung integriert

Einsatzempfehlung:
⚠️ Nur bedingt geeignet für Hydrocracker-Kernbereiche – besser in nachgeschalteten Systemen oder bei niedrigeren Anforderungen

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3. Nukleonische Dichtemessung

Diese Methode nutzt eine radioaktive Quelle (z. B. Cäsium-137), deren Strahlungsintensität durch das zu messende Medium abgeschwächt wird. Aus dem Grad der Dämpfung lässt sich die Dichte ableiten.

Vorteile:

• Berührungslose, durchgehende Messung, auch bei extremen Bedingungen

• Unabhängig von Druck, Temperatur, Viskosität oder Leitfähigkeit

• Ideal für Medien mit Feststoffanteilen oder Gasblasen

Einschränkungen:

• Strahlenschutzanforderungen, behördliche Genehmigung erforderlich

• Aufwendige Dokumentation, spezielle Wartung und Entsorgung

• Höhere Betriebskosten durch Sicherheitsvorschriften

Einsatzempfehlung:
✅ Geeignet für Sonderanwendungen (z. B. Rückstände mit Koks- oder Teeranteilen)
Nicht erste Wahl bei Standardflüssigkeiten im Reaktorbereich

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Vergleichstabelle der Technologien

 

→ Auswahlkriterien für geeignete Sensoren

Die Auswahl eines geeigneten Dichtesensors für den Einsatz im Hydrocracker erfordert eine ganzheitliche Betrachtung der Prozess-, Sicherheits- und Einbaubedingungen. Neben den physikalischen Anforderungen spielen auch gesetzliche Vorschriften und betriebswirtschaftliche Überlegungen eine zentrale Rolle.

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1. Prozessbedingungen (Druck, Temperatur)

Die extremen Betriebsbedingungen im Hydrocracker stellen hohe Anforderungen an die mechanische und thermische Belastbarkeit der Messgeräte:

• Druckbereich: Sensoren müssen zuverlässig bei bis zu 200 bar (gelegentlich mehr) arbeiten – sowohl statisch als auch dynamisch.

• Temperaturfestigkeit: In der Nähe des Reaktors sind oft Temperaturen > 400 °C zu erwarten, was eine Temperaturentkopplung oder spezielle Werkstoffe erfordert.

• Druck-/Temperaturwechsel: Schnell wechselnde Bedingungen durch Umschaltprozesse oder Reinigungszyklen müssen mechanisch toleriert werden.

Tipp: Achte auf entsprechende Prüfungen nach PED, ASME oder AD-2000 für Druckgeräte.

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2. Medium (chemisch, physikalisch)

Die Zusammensetzung des Mediums bestimmt die Anforderungen an Werkstoff, Sensorprinzip und Signalauswertung:

• Chemische Aggressivität: Medien mit H₂S, NH₃, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Säuren greifen Standardmaterialien an. Hochlegierte Werkstoffe wie Hastelloy, Titan oder Duplex-Edelstahl sind oft erforderlich.

• Viskosität: Schwere Fraktionen oder bitumenhaltige Rückstände benötigen Sensoren, die auch bei hohem Strömungswiderstand zuverlässig messen.

• Mehrphasenströme: Gasblasen oder Feststoffpartikel beeinflussen viele Messprinzipien – hier sind robuste Verfahren (z. B. Coriolis oder nukleonisch) gefragt.

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3. Rohrleitung (Einbauort, Nennweite)

Der verfügbare Einbauraum und die Rohrdimensionen begrenzen die Auswahl:

• Nennweite: Sensoren müssen in die vorhandenen Rohrleitungen passen – typischerweise zwischen DN25 und DN100 in Crackern.

• Einbauposition: Ist horizontaler oder vertikaler Einbau möglich? Gibt es ausreichende Ein- und Auslaufstrecken?

• Vibrations- und Temperaturentkopplung: Besonders bei sensiblen Sensoren (z. B. Ultraschall) muss auf mechanische Isolation geachtet werden.

• Bypasslösung: Wenn keine direkte Inline-Messung möglich ist, kann ein Sensor in einem temperierten Bypassrohr installiert werden.

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4. Zulassungen (z. B. ATEX Zone 1/2)

Der Hydrocracker-Bereich ist in der Regel als explosionsgefährdet eingestuft. Die eingesetzten Messgeräte müssen daher über geeignete Ex-Zulassungen verfügen:

• ATEX / IECEx: Zwingend für Anlagen in Europa bzw. weltweit

• Zonenklassifikation: Die Auswahl richtet sich nach der zugewiesenen Zone:

  • Zone 0: Dauerhafte Ex-Atmosphäre → eigensichere Ausführung erforderlich

  • Zone 1: Häufige Ex-Atmosphäre → druckfeste Gehäuse, Zündschutzart Ex d

  • Zone 2: Kurzzeitige Ex-Atmosphäre → Standardgeräte mit Schutzkonzept möglich

Hinweis: Auch das Zubehör wie Kabel, Gehäuse und Anschlusskästen muss ex-zertifiziert sein.

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5. Wartung & Kalibrierung

Im Dauerbetrieb müssen Sensoren zuverlässig, langzeitstabil und wartungsarm sein:

• Selbstdiagnosefunktionen: Moderne Sensoren wie der SITRANS FC430 bieten integrierte Überwachung von Sensorstatus, Schwingverhalten und Signalqualität.

• Kalibrierung: Bei der Dichtemessung ist eine einmalige werkseitige Kalibrierung meist ausreichend, sofern keine medienbedingten Rückstände oder Drift auftreten.

• Remote-Funktionalität: Im Idealfall lassen sich Sensoren über HART, Profibus oder Modbus aus der Leitwarte diagnostizieren und konfigurieren – ohne Vor-Ort-Zugriff.

• Reinigung: Falls Reinigungsintervalle notwendig sind, sollte der Sensor spül- oder CIP-fähig sein.

 

→ Praxisbeispiel: Einsatz eines Coriolis-Messgeräts im Hydrocracker

Kurzbeschreibung des Anwendungsfalls

In einer mittelgroßen Raffinerie in Zentraleuropa wird ein zweistufiger Hydrocracker betrieben, um schweres Vakuumgasöl in Diesel und Kerosin umzuwandeln. Die Anlage hatte wiederholt Schwierigkeiten, Schwankungen im Reaktionsverlauf frühzeitig zu erkennen, was zu Produktschwankungen und erhöhter Nacharbeit im Fraktionierturm führte.

Insbesondere im Reaktorzulauf fehlte eine kontinuierliche Messgröße zur Überwachung der Zusammensetzung des Feedstocks. Labormessungen der Dichte waren nicht schnell genug, um effektiv in die Prozessregelung einzugreifen. Ziel war es daher, eine inline-fähige Lösung zur Echtzeit-Dichtemessung zu integrieren.

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Auswahlentscheidung

Nach Evaluierung verschiedener Technologien entschied sich das Ingenieurteam für den Einsatz eines Coriolis-Durchflussmessgeräts vom Typ Siemens SITRANS FC430 aus folgenden Gründen:

• Direkte Dichtemessung mit hoher Genauigkeit (±0,0005 g/cm³)

• Kompakte Bauweise, ideal für den beengten Rohrleitungsabschnitt zwischen Mischer und Reaktor

• Druckfestigkeit bis 400 bar bei Temperaturen bis 200 °C

• Werkstoffausführung in Hastelloy C-22, beständig gegen H₂S und andere aggressive Bestandteile

• Ex-Zulassung nach ATEX Zone 1, druckfeste Kapselung (Ex d)

• Integrierte Profibus-Schnittstelle zur Anbindung an das Leitsystem

Die Installation erfolgte ohne Umbau der Rohrleitung, durch Integration in ein vorhandenes Bypass-System mit Prozesskühlung.

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Ergebnisse

Nach 12 Monaten Betriebszeit konnte die Raffinerie folgende Ergebnisse dokumentieren:

• Stabile und zuverlässige Messwerte über den gesamten Betriebsbereich, auch bei wechselnden Feed-Zusammensetzungen

• Signifikante Verbesserung der Reaktionskontrolle: Die Dichteänderungen am Zulauf korrelieren exakt mit der Produktqualität im Ausgang – Anpassungen an Wasserstoffzufuhr und Temperaturregelung erfolgen jetzt proaktiv

• Reduktion der Produktschwankungen um ~15 %, weniger Nacharbeit im Fraktionierturm

• Wartungsaufwand gering: keine Kalibrierabweichungen, kein Sensorverschleiß sichtbar

• Dank der integrierten Diagnosefunktionen konnte ein drohender Verblockungseffekt im Zulauf frühzeitig erkannt und beseitigt werden

 

→ Abschließend

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte

Die Dichtemessung ist ein zentraler Regelparameter im Hydrocracker, der direkt mit der Produktqualität, Reaktionssteuerung und Anlagensicherheit verknüpft ist. Aufgrund der extremen Prozessbedingungen (hoher Druck, hohe Temperaturen, chemisch aggressive Medien) sind Standardmessverfahren oft ungeeignet.

Coriolis-Messgeräte, wie der Siemens SITRANS FC430, bieten eine zuverlässige, direkte und hochgenaue Lösung für die gleichzeitige Erfassung von Dichte, Massendurchfluss und Temperatur – selbst unter rauesten Bedingungen. Im Vergleich zu alternativen Verfahren wie Ultraschall oder nukleonischer Messtechnik sind Coriolis-Sensoren oft einfacher zu integrieren, wartungsärmer und regulatorisch weniger aufwendig.

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Zukunftstrends: Smart Sensoring und Digitalisierung

Mit dem Wandel zur digitalisierten Prozessindustrie (Stichwort: Industrie 4.0) werden auch Dichtesensoren intelligenter und vernetzter:

• Echtzeit-Diagnose: Sensoren melden frühzeitig Drift, Ablagerungen oder mechanische Probleme

• Vernetzung über HART, Profibus oder Ethernet/IP ermöglicht Remote-Konfiguration und -Wartung

• Predictive Maintenance: Durch Trends in Temperatur, Signalqualität und Schwingungsverhalten lassen sich Ausfälle prognostizieren, bevor sie auftreten

• Datenanalyse: Kontinuierliche Dichteverläufe dienen als Eingangsdaten für automatisierte Prozessoptimierung

Sensoren werden zunehmend zu aktiven Datenquellen, die über ihre reine Messfunktion hinaus einen Beitrag zur Effizienzsteigerung und Betriebssicherheit leisten.

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Empfehlung für Anlagenbetreiber

Für Anlagenbetreiber im Raffinerieumfeld gilt:

✅ Dichtemessung sollte nicht mehr ausschließlich im Labor erfolgen – Inline-Messungen bieten erheblichen Mehrwert für Regelung und Qualität.
✅ Coriolis-Messgeräte stellen in den meisten Anwendungen die technisch und wirtschaftlich beste Lösung dar.
✅ Die Auswahl des richtigen Sensors sollte prozessspezifisch erfolgen – eine strukturierte Checkliste unterstützt bei der Entscheidungsfindung.
✅ Wer frühzeitig auf digital vernetzte Sensorik setzt, profitiert langfristig von höherer Verfügbarkeit, geringeren Wartungskosten und transparenter Prozessführung.

 

→ Anhang: API-Dichtekonvertierung und typische Rohöl-Dichten

Was ist der API-Grad?

Der API-Grad (API Gravity) ist eine von der American Petroleum Institute entwickelte Kennzahl zur Beschreibung der Dichte von Erdöl und Mineralölprodukten. Er erlaubt eine bessere Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Rohölsorten und wird vor allem in der Raffinerietechnik zur Qualitätsbewertung verwendet.

• Hoher API-Wert → leichtes Rohöl (geringere Dichte, wertvoller)

• Niedriger API-Wert → schweres Rohöl (höhere Dichte, schwerer zu verarbeiten)