DD257306A1

DD257306A1 - Messzelle fuer integralversuchsreaktoren zur untersuchung heterogen-katalytischer prozesse

Info

Publication number: DD257306A1
Application number: DD29960787A
Authority: DD
Inventors: Guenter Schmoz; Arnold Helmer; Roland Adler; Jochen Nelles
Original assignee: Buna Chem Werke Veb
Priority date: 1987-02-02
Filing date: 1987-02-02
Publication date: 1988-06-08
Also published as: DE3742332C2; DE3742332A1

Abstract

Messzelle fuer Integralversuchsreaktoren zur Untersuchung heterogen-katalytischer Prozesse in der chemischen Forschung, insbesondere fuer die Vermessung der Zustandsgroessen Temperatur, Konzentration, Druck in gasdurchstroemten Katalysatorhaufwerken. Die in Fig. 1 dargestellte Messzelle ist modular aufgebaut. Sie besteht aus einem montierbaren Grundkoerper und Messsonden, die radial eingefuehrt, aussen mit Stopfbuchsen abgedichtet und innen direkt im Festbett an beliebigen axialen und radialen Positionen angeordnet werden koennen. Die Druckmessung erfolgt in einem Ringkanal der Zelle. Der Messkopf der Temperaturmesssonde ist in Form eines fluiddurchlaessigen Koerbchens ausgebildet, in dessen Zentrum sich die messaktive Spitze eines Thermoelementes befindet. Der Kopf der Konzentrationsmesssonde besteht ebenfalls aus einem fluiddurchlaessigen Koerbchen bzw. ist als Kronenmund ausgebildet. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle für Integralversuchsreaktoren zur Untersuchung heterogen-katalytischer Prozesse in der chemischen Forschung, insbesondere für die Vermessung vonZustandsgrößen in gasdurchströmten Partikelschichten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Inder chemischen Forschung werden temperierte Strömungsrohre mit Meßtechnik als sogenannte Integralversuchsreaktoren seit Beginn der Entwicklung von heterogen-katalytischen Prozessen in Festbettreaktoren eingesetzt. Diese in Versuchsanlagen eingebundenen Strömungsrohre realisierte man als kompakte Apparate nur für die vorgesehene reaktionstechnische Spezialaufgabe. In der Dissertation von FIAND (Universität Erlangen-Nürnberg, 1978) erfolgte erstmalig die Untersuchung einer heterogen-gaskatalytischen Festbettreaktion in einem aus Segmenten modular aufgebauten Integralversuchsreaktor. Das System besteht aus katalysatorgefüllten Reaktorschüssen verschiedener Länge und Meßsonden, die mit spezieller Meßtechnik bestückt sind. Über die Meßsonden können erstmalig simultan radiale und axiale Temperatur- und Konzentrationsprofile in Päftikelschüttungen aufgenommen werden.

Die in zwei Ausführungsformen gefertigten Meßsonden sind im Falle der Temperaturmeßsonden mit Thermoelementen und im Falle der Konzentrationsmeßsonde mit Kapillarröhrchen zur Gasprobenahme für Anylsenzwecke ausgerüstet. Die Thermoelemente werden radial in eine Wellasbestpappe mit Wabenstruktur so eingeführt, daß auf neun unterschiedlichen Positionen jeweils drei um 120 Grad versetzt angeordnete Thermoelemente sowie ein Thermoelement im Zentrum der Meßsonde, d. h. also insgesamt 25Temperaturmeßfühler, die Messungen ausführen. Die meßaktive Spitze derThermoelemente wird wenige Millimeter in der betreffenden Wabe in Strömungsrichtung rechtwinklig abgebogen. Es erfolgt eine zentrale Herausführung allerThermoelemente als Bündel und dessen Abdichtung durch Weichlot, außerhalb der Meßsonde im kalten Zustand. Die Meßfühler werden im Bereich von 30 bis 80% des Radius, mit fünf radialen Positionen, äquidistant gröber und im Bereich von 85 bis 95%, mit drei radialen Positionen, äquidistant feiner verteilt.

In der Konzentrationsmeßsonde werden sechs Kapillarröhrchen von 1 mm Außendurchmesser radial äquidistant und flächenmäßig spiralförmig positioniert. Im Zentrum der Meßsonde befindet sich außer der Probenahmekanüle auch ein Thermoelement. Die Kapillarröhrchen werden analog zu den Thermoelementen gebündelt, zentral aus der Meßsonde herausgeführt und abgedichtet.

Die beschriebenen Meßsonden haben Mängel hinsichtlich der Störung des Reaktionsablaufes während der Meßwerterfassung, der Informationsgewinnung selbst, sowie hinsichtlich der Variabilität des Einsatzes und der Reparatur. Jede Meßsonde unterbricht die Katalysatorschüttung und damit den Reaktionsablauf zur Vermessung des Zustandes in massiver Weise. Dies betrifft unter wärmetechnischen Aspekt die in den Kanälen der Meßsonde eingefangenen Gasströme, unter hydrodynamischen Aspekt das im Vergleich zur Katalysatorschüttung veränderte Strömungsverhalten sowie den durch die Einbauten hervorgerufenen zusätzlichen Druckverlust. Die Anordnung der Meßfühler in der Wabe führt durch die Stauwirkung in den betreffenden Meßkanälen zu einer Umlenkung von Teilströmen in die benachbarten Kanäle. Die Strömungsrichtung kann man nur von unten nach oben wählen, weil andernfalls die Katalysatorpartikeln in die Waben gepreßt werden. Aber auch wenn durch die Anströmung der Partikeln von unten ein kontinuierlicher Fluß durch die Meßsonde gewährleistet wird, läßt sich eine Verfälschung der Stromführung nicht vermeiden. Entsprechend der Partikelform und Schichtung im System, werden Teilchen Kanäle strömungstechnisch günstig oder ungünstig abdecken bzw. teilweise versetzen. Der Einbau eines Katalysatorhaltesiebes, der diesen Mangel beheben könnte, kommt wegen seiner verteilenden Eigenschaften und den daraus resultierenden Verfälschungen nicht in Frage.

Mangel bezüglich der Informationsgewinnung selbst resultieren aus der Anordnung der Meßfühler in der Meßsonde. Es wurde -durch eigene experimentelle Arbeiten nachgewiesen, daß bei einer im wesentlichen radialen Zuführung durch die Einwirkung des radialen Temperaturgradienten auf den metallischen Mantel über die Wärmeleitung auf die meßaktive Spitze gegenüber der wahren Temperatur, in Abhängigkeit von den radialen Temperaturunterschieden, sehr stark verfälschte Temperaturen gemessen werden können. Aber auch die Verteilung der Meßfühler über die Fläche der Meßsonde ist nicht günstig der Wärmeentstehung in der Katalysatorschüttung angepaßt, woraus eine ungewollte Wichtung der Informationsgewinnung und Meßfehler der einzelnen Meßfühler resultiert.

Die Lokalisierung der Thermoelemente auf das Meßniveau deraxialen Position der Meßsonde sch rankt den Einsatz weitgehend ein, weil es beispielsweise nicht möglich ist, wesentliche axiale Temperaturunterschiede in der Katalysatorschüttung des Reaktorschusses, d. h. zwischen zwei Meßsonden, zu erfassen.

Ist es erforderlich, die radiale Temperatur- und Konzentrationsverteilung auf einem axialen Niveau zu vermessen, müssen eine Temperatur- und eine Konzentrationsmeßsonde hintereinander geschaltet werden. Dadurch vergrößert sich die Störung des Reaktionsgeschehens weiter beträchtlich, bzw. die Messungen werden unbrauchbar, weil sich die kanalisierten Gasströme an der Übergangsstelle beider Meßsonden teilen und quer vermischen.

Nachteile bezüglich der Reparatur resultieren daraus, daß ein Auswechseln defekter Thermoelemente oder zugesetzter Kapillarröhrchen auf Grund der Bündelung, zentralen Herausführung und der gemeinsamen, unlösbaren Abdichtung nicht möglich ist. Durch die Verlötung des Elementbündels werden die äußerst dünnwandigen Mäntel derThermoelemente auch bei sorgfältiger Fertigung so stark erhitzt, daß irreparable Defekte einzelner Meßfühler bereits vor dem ersten Einsatz auftreten können. ·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine Meßzelle für Integralversuchsreaktoren zur Untersuchung heterogen-katalytischer Prozessein der chemischen Forschung, die es ermöglicht in partikelgefüllten Integralreaktorbauelementen weitgehend unverfälscht Zustandsgrößen der Reaktanten bzw. inerter Fluide inbesondere für Zwecke der mathematischen Modellierung zu vermessen.

Darlegung des Wesens der Erfindung ^s

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßzelle für Integralversuchsreaktoren zu entwickeln, mit der man die Temperatur- und Konzentrationsverhältnisse direkt in der Katalysatorschüttung an beliebiger axialen und radialen Positionen sowie den Druck an der axialen Position der Meßzelle bei einer geringstmöglichen Störung des Partikelhaufwerkes meßtechnisch erfassen kann, wobei die Meßzelle montierbar aufgebaut ist und die Meßsonden für die Zustandsgrößen demzufolge wahlweise kombiniert bzw. nach Defekten ausgewechselt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem in einen ringförmigen metallischen Grundkörper, bestehend aus einem Meßzellengehäuse, dem Gehäusering, den zwei Spannringen und einem geteilten Ring aus Wärmeisolationsmaterial, Kapillarröhrchen gleichen Durchmessers als Meßsonden äquidistant über den Umfang des Meßzellengehäuses verteilt radial eingeführt sind, diese Kapillarröhrchen jeweils in bekannter Weise mit einer Stopfbuchse außen im Gehäuse abgedichtet werden und in den Spannringen ihre ortsfeste Fixierung erfolgt, wobei die Spannringe mit dem geteilten Ring aus Wärmeisolationsmaterial und dem Gehäusering ohne metallische Berührung, sowie der Gehäusering mit dem Meßzellengehäuse befestigt sind.

iErfindungsgemäß umschließt bei der Meßsonde für die Temperaturmessung das in den Spannringen endende Kapillarrohr das Mantelthermoelement, dessen meßaktive Spitze sich im Zentrum des in seinem Kopfbereich in der Abmessung von 2 bis 4 Partikeln längs geschlitzten und in der Abmessung einer Partikel direkt am Kopf in Form eines fluiddurchlässigen Körbchens aufgeweiteten Schutzrohres befindet, wobei die Entfernung der meßaktiven Spitze von dem Niveau des radial eingeführten Kapillarrohres mindestens 15mm beträgt, sich das Mantelthermoelement außerhalb des Schutzrohres frei im Ringkanal befindet, mittels Durchführungskapillare aus dem Meßzellengehäuse herausgeführt und in dessen kalten Bereich die Abdichtung zwischen Mantelthermoelement und Durchführungskapillare mit bekannten Mitteln erfolgt.

Erfindungsgemäß besteht die Meßsonde für die Konzentrationsmessung aus einem Kapillarrohr (11), dessen Kopfbereich in der Abmessung einer Partikel zu einem fluiddurchlässigen Körbchen aufgeweitet, oder als Kronenmund gezahnt ausgeführt ist. Erfindungsgemäß ist die Meßsonde für die Druckmessung als Kapillarrohr (19) analog zur Durchführungskapillare (10) für das Mantelthermoelement ausgeführt, welches in dem Ringkanal der Meßzelle endet.

Im Einbauzustand ist die partikelgefüllte Meßzelle zwischen den Flanschen von ebenfalls mit Katalysator- oder inerten Partikeln .gefüllten Integralreaktorbauelementen eingespannt. Das fluide Medium, in der Regel sind dies gasförmige Reaktanten, durchströmt das Festbett, in das die Meßsonden der Meßzelle eingebettet sind. Werden alle Meßsonden auf einem axialen Niveau positioniert, erfolgt die radiale Verteilung so, daß jedem Meßkopf ein etwa flächengleiches Element der

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Rohrquerschnittsfläche des Integralreaktorbauelementes zugeordnet werden kann, d.h. die Anzahl der Meßfühler entsprechend der Radien quadratisch zunimmt. Des weiteren erfolgt die Einbettung in das Haufwerk so, daß mindestens auf zwei unterschiedlichen Radienstrahlen das Vorliegen rotationssymmetrischer Eigenschaften überprüft werden kann. Die erfindungsgemäße Gestaltung des Meßkopfes der Temperaturmeßsonde führt zur Elimination des Wurzeleinflusses auf die Temperaturmessung, indem die meßaktive Spitze direkt vom zu vermessenden Fluidstrom angeströmt und der anschließende Thermoelementmantel temperiert werden, wobei aber keine Berührung der meßaktiven Spitze mit beispielsweise überhitzten Katalysatorpartikeln erfolgen kann. Diesen verfälschenden Kontakt verhindern die Speichen des aufgeweiteten, fluiddurchlässigen Körbchens, in dessen Zentrum sich die meßaktive Spitze des Thermoelements befindet. Die Anströmung des Meßkopfes kann von oben und unten erfolgen. Im Falle der Konzentrationsmeßsonde sollte im Interesse der Vermeidung des Zusetzens der Einbau des Kopfes für die Gasprobenahme in Strömungsrichtung erfolgen.

Die radial und axial genaue Plazierung der Meßsonden im Partikelhaufwerk wird mit den entsprechend auf Länge gefertigten Meßsonden so vorgenommen, daß zunächst die radiale Position durch die Einspannung in den Spannringen eingestellt wird, und dann unter Zuhilfenahme einer Lehre durch die kornweise um das Kapillarrohr geschichteten Partikeln die ortsfeste Fixierung des Meßkopfes erfolgt. Durch diese Vorgehensweise werden spezielle Halterungen, die die Anordnung der Partikeln und damit das hydrodynamische und wärmetechnische Verhalten stören, überflüssig.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Meßzelle ist in ihrem konstruktiven Aufbau in den Figuren 1,2 und bezüglich der radialen Verteilung der Meßsonden in Figur 3 dargestellt.

Das mit genormten Federn zwecks Dichtung und Einpassung der Bauelemente des in Segmenten aufgebauten Versuchsreaktors versehene Meßzellengehäuse 1 ist mit dem Gehäusering 2 durch drei um 120 Grad versetzte Senkschrauben 13 verbunden, wobei gleichzeitig der geteilte Ring aus Wärmeisolationsmaterial 5 gehaltert wird. Als Wärmeisolationsmaterial wurde eine maschinell spanabhebend bearbeitbare Glaskeramik verwendet. Die Verbindung zu den beiden Spannringen 3, 4 erfolgt mit 23 Kapillarröhrchen von 1,5mm Durchmesser, die als Meßsonden im Partikelhaufwerk plaziert sind. Die Fixierung der Röhrchen wird paarweise mit insgesamt 12 Zylinderschrauben 14 vorgenommen. Die gewählte Konstruktion gewährleistet allseitig einen Spalt zu dem metallischen Gehäuse bzw. Gehäusering. Damit kann man gewährleisten, daß Wärmeverluste durch die nicht mit einem Wärmeträger temperierte Meßzelle, die den Prozeßablauf in der Partikelschüttung verfälschen würden, minimiert werden.

Das Schutzrohr 6 mit dem geschlitzten, aufgeweiteten, mit fünf Speichen versehenen Meßkopf 15, der in der Einzelheit A noch einmal vergrößert dargestellt ist, und der meßaktiven Spitze 8 des Mantelthermoelementes 7 endet außerhalb der beiden Spannringe. Das Mantelthermoelement liegt nun frei im Ringkanal 9 (vergl. Pos. 16), wodurch eineRadialverstellbarkeit durch eine entsprechend gewählte Schlaufenbildung realisierbar ist. Aus der Meßzelle herausgeführt wird das Thermoelement mittels der Durchführungskapillare 10, deren Abdichtung mit der durchbohrten Zylinderschraube 17 und der Dichtung 18 erfolgt. Die Abdichtung des Thermoelementes in der Durchführungskapillare wird auch Verklebung mit Epoxidharz außerhalb des erwärmten Bereiches der Meßzelle realisiert. Die Herausführung des Kapillarrohres 11, das als Kanüle zur Probenahme des Fluides für Analysenzwecke dient, und des Kapillarrohres 19 für die Druckmessung, erfolgen analog zur Temperaturmeßsonde. Die Konzentrationsmeßsonde ist dabei im Kopfbereich als fluiddurchlässiges Körbchen in der Größenordnung einer Partikel aufgeweitet, aber nicht wie die Temperaturmeßsonde längs geschlitzt, weil die Notwendigkeit entfällt, den Mantel des Thermoelementes zur Elimination des Wurzeleinflusses axial durch das Fluid zu umspülen. Sie ist aus einem Stück gefertigt und im Partikelhaufwerk plaziert, während die Druckmeßsonde im Ringkanal endet.

In der Figur 3 erfolgt die schematische Charakterisierung der Verteilung von 23 Temperaturmeßsonden auf einem axialen Niveau, wobei die 24. Meßsonde beispielsweise für eine Druckmessung verwendet werden kann. Auf dem normierten Radius 1,der dem Innendurchmesser des Integralreaktorbauelementes entspricht, werden im Zentrum bei r = 0 eine, auf der radialen Position r = 0,28 zwei, auf der radialen Position r = 0,46 vier und auf der radialen Position r = 0,76 sechszehn Meßköpfe der Temperaturmeßsonden etwa im mittleren Bereich der jeweils flächengleichen Elemente von 4,35% der gesamten Rohrquerschnittsfläche des Integralreaktorbauelementes angeordnet. Die Überprüfung der Rotationssymmetrie kann auf den Radienstrahlen I, Il jeweils mit 4 (3) Messungen, auf den Radienstrahlen III, IV mit jeweils 3 (2) Messungen zusätzlich zuden bereits charakterisierten Messungen auf den Radien 0,28,0,46 und 0,76 erfolgen. Die Meßköpfe der Temperaturmeßsonden sind 25 mm über dem Niveau der radial eingeführten Schutzrohre plaziert. Damit wird der Wurzeleinfluß auf die meßaktive Spitze der Thermoelemente, der aus dem radialen Temperaturgradienten des Partikelhaufwerkes resultiert, ausreichend eliminiert. Die erfindungsgemäße Meßzelle hat folgende Vorteile:

— Durch den modularen Aufbau kann jede Meßzelle anwenderspezifisch als Temperatur-, Konzentrations-, oder gemischte Meßzelle mit Temperatur- und Konzentrationsmeßsonden jeweils mit oder ohne Druckmessung eingesetzt und umgerüstet werden.

— Durch die partikelgefüllte Meßzelle und die Meßsonden wird das Reaktionsgeschehen im Katalysatorhaufwerk nicht unterbrochen. Es entsteht kein zusätzlicher Druckverlust. Das gleiche trifft für Untersuchungen des Wärme- und Stofftransportes in inerten Festbetten zu.

— Durch die Anordnung und Ausformung der Meßköpfe in der Größenordnung einer Katalysatorpartikel werden die hydrodynamischen Verhältnisse nicht verändert. Die unvermeidlicheStörung durch die Zuführungskapillaren ist aufgrund der geringen Abmessungen minimiert und wirkt sich bei entsprechender Anordnung erst nach der erfolgten Messung aus.

— Durch die Isolierung der Meßzelle vom Prozeßraum, die Vermeidung metallischer Berührungsflächen und die räumliche Gestaltung sind verfälschende Wärmeverluste minimiert.

— Die Anordnung der meßaktiven Spitze im Festbett gewährleistet eine unverfälschte Temperaturmessung, weil die Anströmung und Abschirmung durch das Schutzrohr so erfolgen, daß keine Temperaturgradienten auf den Mantel des Thermoelementes einwirken können und die Speichen des Korbes die meßaktive Spitze vom Berührungskontakt mit den durch die Reaktion überhitzten (exotherme Reaktion) oder kälteren (endotherme Reaktion) Katalysatorpartikeln abschirmen.

Durch die uneingeschränkte Wahl der radialen und axialen Ausdehnung der Meßsonden, die Halterung in den Spannringen, und die Fixierung durch die Partikeln, kann eine ortsfeste, genau definierte Plazierung an jeder axialen und radialen Position der Katalysatorschüttung, also auch innerhalb eines Integralreaktorbauelementes erfolgen.

Die flächengleiche Verteilung der Meßfühler auf einem axialen Niveau ist in idealer Weise der Wärmeentstehung oder dem Wärmeverbrauch in dem ebenfalls flächengleich verteiltem Katalysatorhaufwerk angepaßt, wodurch der prinzipiell erzielbare Informationsgehalt maximal ausgeschöpft wird. Die daraus resultierende Plazierung der Meßfühler relativ weit von der Reaktorwand entfernt, bietet darüber hinaus den Vorteil, gerade den Bereich für die Messung zu meiden, in dem die Packung der Katalysatorpartikeln, und damit auch der Reaktionsablauf, durch den Einfluß der Reaktorwand am meisten gestört ist.

Die gewählte Konstruktion ermöglicht problemlos die Auswechslung defekter Meßsonden.

Claims

1. Meßzelle für Integralversuchsreaktoren zur Untersuchung heterogen-katalytischer Prozesse in der chemischen Forschung, insbesondere für die Vermessung von Zustandsgrößen in gasdurchströmten Partikelschichten, gekennzeichnet dadurch, daß in einem ringförmigen metallischem Grundkörper, bestehend aus dem Meßzellengehäuse (1), dem Gehäusering (2), den zwei Spannringen (3, 4) und einem geteilten Ring aus Wärmeisolatiönsmaterial (5), Kapillarröhrchen gleichen Durchmessers als Meßsonden äquidistant über den Umfang des Meßzellengehäuses verteilt radial eingeführt sind, diese Kapillarröhrchen jeweils in bekannter Weise mit einer Stopfbuchse außen im Gehäuse abgedichtet werden und in den Spannringen ihre ortsfeste Fixierung erfolgt, wobei die Spannringe mit dem Isolierring und dem Gehäusering ohne metallische Berührung, sowie der Gehäusering mit dem Meßzellengehäuse befestigt sind.

2: Meßzelle gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Meßsonde für die Temperaturmessung das in den Spannringen endende Schutzrohr (6) das Mantelthermoelement (7) umschließt, dessen meßaktive Spitze (8) sich im Zentrum des in seinem Kopfbereich in der Abmessung von 2 bis 4 Partikeln längs geschlitzten und in der Abmessung einer Partikel direkt am Kopf in Form eines fluiddurchlässigen Körbchens aufgeweiteten Schutzrohres befindet (A), wobei die Entfernung der meßaktiven Spitze von dem Niveau des radial eingeführten Kapillarrohres mindestens 15mm beträgt, sich das Mantelthermoelement außerhalb des Schutzrohres frei im Ringkanal (9) befindet, mittels Durchführungskapillare (10) aus dem Meßzellengehäuse herausgeführt und in dessen kalten Bereich die Abdichtung zwischen Mantelthermoelement und Durchführungskapillare mit bekannten Mitteln erfolgt.

3> Meßzelle gemäß Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die Meßsonde für die Konzentrationsmessung aus dem Kapillarrohr (11) besteht, dessen Kopfbereich in der Abmessung eines Partikels zu einem fluiddurchlässigen Körbchen aufgeweitet, oder als Kronenmund (12) gezahnt ausgeführt ist.

4: Meßzelle gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßsonde für die Druckmessung als Kapillarrohr (19) analog zur Durchführungskapillare (10) für das Mantelthermoelement ausgeführt ist, welches im Ringkanal (9) der Meßzelle endet.