DE102005017968A1

DE102005017968A1 - Vorrichtung zur Temperaturmessung bei einer Festphasenpolykondensation

Info

Publication number: DE102005017968A1
Application number: DE102005017968A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hinkelmann; Ludwig Hölting; Michael Kress; Micha TRÖGER
Original assignee: ZiAG Plant Engineering GmbH
Current assignee: Lurgi Zimmer GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-26
Also published as: EA200702261A1; WO2006111218A1; EP1872104A1; BRPI0608382A2; CN101160513A; US20090067473A1; EA011207B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Temperaturmessung in einem von Schüttgut durchströmten Reaktorbehälter, insbesondere bei eine Festphasenpolykondensation, die in einem SSP-Reaktor stattfindet. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Messvorrichtung gegen mechanische Beanspruchung geschützt wird. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung zur Temperaturmessung mit mindestens einem Metallprofil, mindestens einem Messrohr und mindestens einem darin angeordneten Sensor, wobei die Metallprofile mit den Wänden des Reaktorbehälters verbindbar sind und das Messrohr mit einem der Metallprofile so verbunden ist, dass es an seiner Außenwand durch das Metallprofil teilweise verstärkt wird. Das bedeutet beispielsweise, dass das Messrohr mit dem Metallprofil verschweißt, verschraubt, vernietet oder in sonstiger Weise fest verbunden ist. Es lässt sich das Metallprofil an der Innenwand des Reaktorbehälters befestigen. DOLLAR A Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die mit den Messvorrichtungen ausgestatteten SSP-Reaktoren die Gewichtskraft, die durch die Säule des Schüttguts ausgeübt wird, teilweise abgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Temperaturmessung in einem von Schüttgut durchströmten Reaktorbehälter, insbesondere bei einer Festphasenpolykondensation, die in einem SSP-Reaktor stattfindet. Eine Festphasenpolykondensation findet im Allgemeinen in einem sog. SSP-Reaktor statt (Solid State Polymerizer), und für gewöhnlich erfolgt dabei eine Temperaturmessung in den von dem Schüttgut durchströmten Behältern. In diesen Fällen geht es in der Regel um kontinuierliche Verfahren zur Steigerung der Viskosität von Polymeren, insbesondere von Polyestermaterial und Polyamiden, in fester Phase, d.h., die Polymere liegen als Granulat vor.
Grundsätzlich sind in diesem Zusammenhang zwei Methoden der Temperaturmessung bekannt: Nach einer ersten Methode wird die Temperatur mit mehreren eingeschweißten Messhülsen, sog. „Thermowells", in der Außenwand eines SSP-Reaktors gemessen. Eine zweite Methode besteht darin, mit einem Stab oder Seil, die von oben in einen SSP-Reaktor eingebracht werden und über ihre sich vertikal erstreckende Länge mehrere Messpunkte besitzen, die Temperatur an den entsprechenden Punkten zu ermitteln. Bei beiden Methoden werden beispielsweise an zehn Messstellen im zylindrischen Teil des SSP-Reaktors, der eine Länge zwischen 25 und 40 Metern hat, die jeweiligen Temperaturen gemessen.

Bei beiden Methoden kann die Temperatur jeweils nur mit gleich bleibendem Abstand zur Reaktorwand gemessen werden. Dieser Abstand wird durch die Länge der Messhülsen bzw. durch die Position des Flansches bei einer Mehrpunktmessung festgelegt. Man geht davon aus, dass die Temperatur des Granulats über den Querschnitt eines SSP-Reaktors variiert, doch lässt sich der tatsächliche Temperaturverlauf mit den bisher bekannten Messanordnungen nicht exakt ermitteln. Das wäre allerdings von großer Bedeutung, um beispiels weise die Durchschnittstemperatur des Granulats zu kennen. Nur mit einer genauen Kenntnis der tatsächlichen Temperatur und des Füllstands kann man die Viskosität des Produktes gezielt beeinflussen. Ohne diese Möglichkeit, Kenntnis über die Durchschnittstemperatur zu erlangen, muss zunächst die komplette Stabilisierung innerhalb eines Prozesses abgewartet werden, um eine sinnvolle Anpassung der Betriebsparameter vornehmen zu können. Gelingt das nicht, so kann das in Einzelfällen zu Produkten mit abweichender Viskosität und in Folge davon zu Produkten von geringerer Qualität führen.

Für die eingeschweißten Messhülsen, in die die Messfühler eingesteckt werden, gilt, dass die Messhülsen nur eine geringe Länge erreichen und zusätzlich von unten abgestützt werden müssen. Die strömende Granulatsäule würde sie sonst mit ihrem Gewicht verbiegen oder sogar abknicken. Aus der geringen Länge der Messhülsen resultiert der erhebliche Nachteil, dass die Messung selbst durch Abstrahlungsverluste zur unbeheizten Reaktorwand beeinflusst wird. Das Problem wird deutlich, wenn man sich Wärmeübergang und -leitung im Bereich der Messung vergegenwärtigt. Das heiße Granulat überträgt seine Wärme an die Hülse. Dabei berühren nur wenige Granulatkörper die Oberfläche der Hülse und auch das nur an sehr kleinen Kontaktflächen. Der Wärmeaustausch ist mithin sehr gering. Hinzu kommt, dass PET (Polyethylenterephthalat) ein schlechter Wärmeleiter ist, es wird also insgesamt nur eine sehr kleine Wärmemenge an die Hülse weitergegeben. Die Hülse selbst besteht aus Stahl mit mehreren Millimetern Wandstärke und leitet die Wärme sehr gut. Dadurch leitet sie die Wärme zum einen sehr gut zu dem eingesteckten Messfühler hin, wo die Temperatur tatsächlich gemessen wird, zum anderen aber auch aus dem Reaktor hinaus, wo die Wärme durch die kalte Umgebungsluft abgeführt wird. Diese „verlorene" Wärmemenge führt dazu, dass die Hülse immer eine niedrigere Temperatur als das Granulat aufweist. So wird der Messwert verfälscht und das in weit höherem Maße als bei Flüssigkeiten, in denen wesentlich mehr Wärme übertragen werden kann. Im realen Betrieb des SSP-Reaktors lässt sich das daran beobachten, dass die gemessene Temperatur sofort und deutlich erkennbar steigt, sobald der Durchsatz des Granulats erhöht wird. Denn bei höherem Durchsatz, d.h. also bei größerer Strömungsgeschwindigkeit, werden die Hülsen durch mehr Granulatkörner pro Zeiteinheit berührt, und mehr Wärmeenergie wird auf die Hülsen übertragen. Die realisierten Wärmeverluste bleiben aber die gleichen, und die angezeigten Temperaturen steigen, ohne dass sich das Produkt selbst tatsächlich erwärmt hätte.

Bei einer von oben in den Reaktorbehälter eingebrachten Stab- oder Seilsonde mit mehreren Messpunkten tritt ein vergleichbares Problem nicht auf. Hier wird zwar auch Wärme entlang der Sonde geleitet, das führt aber nur am obersten Messpunkt zu erkennbarer Verfälschung des angezeigten Wertes. Dieses an Wärmeenergie nahezu verlustfreie Messen der Temperaturen spiegelt sich wieder in Messwerten, die ungefähr um 3 bis 5°C höher liegen als bei Vergleichsmessungen mit Hülsen. Der wesentliche Nachteil der Seilsonden liegt allerdings in der geringen mechanischen Beständigkeit der Messketten. Die strömende Granulatsäule mit den scharten Kanten der Granulatkörner zerstört die Ketten bereits nach kurzer Zeit. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass defekte einzelne Messeinheiten nicht repariert oder ausgetauscht werden können. Nur die komplette Sonde mit allen Messeinheiten kann ersetzt werden, und das macht dann auch in jedem Fall das komplette Abstellen und Entleeren des entsprechenden SSP-Reaktors erforderlich. Stabsonden wurden über viele Jahre eingesetzt und haben eine erheblich bessere mechanische Beständigkeit als Seilsonden. Ihre Länge ist allerdings begrenzt, denn der Stab muss transportfähig sein und handhabbar. Vier bis maximal fünf Meter haben sich als Obergrenze für die Länge bewährt, wobei die Reaktoren, bei denen die Stabsonden zum Einsatz gelangen, 25 bis 40 Meter hoch sind. Die maximale Lebenserwartung solcher Stabsonden liegt bei ungefähr zwei Jahren.

Aus der DE 101 33 495 C1 und der JP 6207 1621 sind Messfühler zur Temperaturmessung in einer Schmelze bekannt. In der DE 101 33 495 C1 ist ein hohler Schaft vorgesehen, der einen axial verschiebbaren Stößel mit einem Temperatursensor aufnimmt. Auf diese Weise wird ein druckdicht abgeschirmter und stabiler Messfühler bereitgestellt, der allerdings nicht gegen die oben geschilderten, durch Schüttgut hervorgerufenen Abrasionseffekte geschützt wäre. In der US 4 028139 werden ebenfalls Messfühler zur Temperaturmessung be schrieben, die in Trägerrohren angeordnet sind. Da hier die Temperaturmessung in einem Festbett erfolgt, tritt das Problem einer Abrasion durch Schüttgut nicht auf, und die Anordnung weist keine Vorkehrungen dagegen auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Temperaturmessung in von Schüttgut durchströmten Behältern zu verbessern. Dabei geht es insbesondere darum, die Messvorrichtung zur Temperaturmessung gegen mechanische Beanspruchung zu schützen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messvorrichtung nach Anspruch 1 und einen SSP-Reaktor mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gelöst.

Die Messvorrichtung zur Temperaturmessung in einem von Schüttgut durchströmten Reaktorbehälter umfasst mindestens ein Metallprofil, mindestens ein Messrohr und mindestens einen darin angeordneten Sensor zur Temperaturmessung, wobei die Metallprofile mit den Wänden des Reaktorbehälters verbindbar ausgebildet sind und das Messrohr mit einem der Metallprofile so verbunden ist, dass es an seiner Außenwand durch das Metallprofil teilweise verstärkt wird. Das bedeutet beispielsweise, dass das Messrohr mit dem Metallprofil verschweißt, verschraubt, vernietet oder in sonstiger Weise fest verbunden ist. Das Metallprofil lässt sich an der Innenwand des Reaktorbehälters befestigen, beispielsweise über eine Schweißverbindung.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Messrohr an seiner Außenwand auf der der Granulatströmung in dem Reaktorbehälter entgegen gerichteten Seite durch das Metallprofil verstärkt, zum Beispiel in der Art eines beidseitig angeschrägten Versteifungsblechs mit giebelartigem Querschnitt. Dieser Querschnitt weist in einer vorteilhaften Variante eine Breite von 10 bis 50 Millimetern auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Enden des Messrohres mit den Wänden des Reaktorbehälters verbindbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Messvorrichtung erlaubt die Verschiebung des mindestens einen Sensors im Messrohr entlang seiner Längsachse. Sind dabei die beiden Enden des Messrohres mit den Wänden des Reaktorbehälters verbindbar, so lässt sich der Sensor entlang eines gesamten Durchmessers des Reaktorbehälters positionieren. Zur Positionierung des Sensors kann das Innere des Messrohres durch die Außenwand des Reaktorbehälters, beispielsweise eine Öffnung in der Außenwand, zugänglich sein. Auch fernbedienbare Positionierungseinrichtungen sind denkbar, wenn Öffnungen in der Außenwand vermieden werden sollen. Anstelle eines verschiebbaren Sensors können aber auch mehrere Sensoren an verschiedenen Stellen im Messrohr positioniert sein, die einzeln mit dem Auswertungssystem verbunden sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht außerdem vor, dass der Sensor in mindestens einer bestimmten Position entlang der Längsachse des Messrohrs fixiert werden kann.

Auf diese Weise kann die Temperatur in unterschiedlichem Abstand von der Behälterwand gemessen werden, beispielsweise in der Nähe der Behälterwand des Reaktors oder aber im Zentrum des Reaktorbehälters. Für die kommerzielle Nutzung erweist es sich als Vorteil, wenn sich die Sensoren in zuvor gewählten Positionen fixieren lassen, um ortsfeste Messungspunkte zu gewinnen. Dies könnte durch einen mechanischen Rastmechanismus, beispielsweise ein Einrasten der Sensoren in entsprechende Vertiefungen in der Innenwand des Messrohrs, realisiert werden.

In einem SSP-Reaktor zur Behandlung von Granulat lässt sich eine erfindungsgemäße Messvorrichtung anbringen, wobei die Metallprofile fest mit den Wänden des Reaktorbehälters verbunden werden. Die Messvorrichtungen werden vorzugsweise in unterschiedlicher Höhe und in Drehwinkeln zueinander versetzt mit den Wänden des Reaktorbehälters verbunden. Für eine kommerzielle Nutzung empfiehlt sich ein konstanter Höhenabstand zwischen den Messvorrichtungen, bevorzugt zwischen 0,1 und 4,0 Meter. Auch der Drehwinkel, das heißt die Orientierung eines Metallprofils bezogen auf die Längsachse des Reaktor behälters, kann konstant vorgegeben werden. Bei konstantem Höhenabstand und konstantem Drehwinkel würde man im Fall schlichter, gerader Metallprofile gewissermaßen eine Anordnung in der Art einer Wendeltreppe erhalten. Als Vorteil ergibt sich daraus dann eine Gesamtheit von Messungspunkten, die keinen größeren zusammenhängenden Bereich des Reaktorbehälters völlig ausspart.

Die beschriebene Messvorrichtung sowie ein damit ausgestatteter SSP-Reaktor eignen sich besonders zur Temperaturmessung in einer Schüttung von Granulat.

Das Messrohr ist gewöhnlich ein Stahlrohr, welches durch einen SSP-Reaktor senkrecht zu seiner Längsachse durchgesteckt und an beiden Seiten mit der Reaktorwand verschweißt wird. Die Stahlrohre werden dann mit einem Metallprofil in der Weise ausgestattet, dass sie der zu erwartenden Gewichtslast der Granulatsäule widerstehen. In den Stahlrohren selbst werden in unterschiedlichen Eindringtiefen die nötigen Auflagepunkte für die als Temperaturmesssonden ausgebildeten Sensoren, beispielsweise vom Typ PT100, angebracht. So ist es in einer einfachen Ausführung möglich, in beispielsweise zwei vorher konstruktiv festgelegten Eindringtiefen des Behälterquerschnitts zu messen.

Es werden aber auch Stahlrohre ohne Auflagefläche für die Spitzen der Temperatursensoren vom Typ PT100 eingesetzt. Stattdessen wird dann ein Sensor verwendet, der die Oberflächentemperatur an der Innenwand des Messrohres misst und über den halben Durchmesser, bezogen auf den Behälterquerschnitt des Reaktors, verschoben werden kann. So kann eine genaue Aufnahme des räumlichen Temperaturverlaufs zwischen Behälterwand des Reaktors und Zentrum des Reaktors erfolgen. Eine solche Ausführungsform dient vor allem der Gewinnung zusätzlicher Erkenntnisse. Kommerzielle Reaktoren werden in der Regel mit der oben genannten, einfacheren Messanordnung gefertigt, die konstruktiv vorgegebene Eindringtiefen für die Temperaturmesssonden vorsieht.

Über die Längserstreckung eines Reaktors werden beispielsweise zehn Messrohre angebracht, die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Andere Winkel sind gleichfalls denkbar. Die Messrohre verlaufen vorzugsweise durch die Längsachse des Reaktorbehälters, sie können aber ebenso außerhalb der zentralen Längsachse angebracht werden. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, dass auch seitliche Kräfte auf ein Messrohr aufgrund des strömenden Granulats einwirken können. Und selbstverständlich kann die Temperatur im Zentrum des Reaktorbehälters nicht auf diese Weise gemessen werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtungen sowie der damit ausgestatteten SSP-Reaktoren besteht in dem teilweisen Abtragen der Gewichtskraft, die durch die Granulatsäule ausgeübt wird. Im unteren Bereich des SSP-Reaktors gerät das Granulat nämlich unter einen enormen Druck. Es wirkt zwar nicht das Gewicht der gesamten Granulatsäule auf das unten befindliche Granulat, aber dennoch können Verformungen der unteren Granulatkörner auftreten. Dieses Problem verstärkt sich, wenn die Anlagenkapazität größer, d.h. der Reaktor höher wird. Die als Schutz hierfür vorgesehenen Metallprofile tragen in erheblichem Maß dazu bei, den statischen Druck abzufangen, der durch die hohe Granulatsäule auf den untersten Granulatschichten lastet. Für diesen Zweck kann in einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen werden, dass die Metallprofile eine raue Oberfläche aufweisen und steil abfallend ausgebildet sind, damit über die Reibung des strömenden Granulats an der Oberfläche der Metallprofile ein möglichst hoher Anteil der Drucklast aufgenommen wird.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird am Beispiel der Figuren erläutert.
Die 1 stellt einen Querschnitt durch einen zylindrischen Reaktorbehälter dar, und zwar auf einer Höhe, in der sich ein Messrohr 1 befindet. Das Messrohr 1 verläuft in der Figur knapp oberhalb des Mittelpunkts des kreisförmigen Querschnitts und ist an seinen beiden Enden mit der Wand 4 des Reaktorbehäl ters verschweißt. Das bedeutet, dass das Messrohr 1 nicht durch die Mittelachse des Reaktors läuft, die Messungspunkte der beiden Sensoren 2, 3 sich somit außerhalb der zentralen Längsachse des Reaktorbehälters befinden.
In der 2 ist ein Querschnitt durch ein Messrohr 1 mit einem Metallprofil 5 dargestellt, das als beidseitig angeschrägtes Versteifungsblech über die gesamte Länge des Messrohres 1 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein Teil der Gewichtskraft abgetragen, die durch die Granulatsäule in Strömungsrichtung der Granulatströmung 6 ausgeübt wird.
Eine weitere Ausführungsform, die insbesondere bei SSP-Reaktoren mit größeren Durchmesser, beispielsweise von mehr als 3,5 Meter, aus Stabilitätsgründen zum Einsatz kommen kann, ist nicht als gerade Messvorrichtung zwischen zwei Punkten der Reaktorwand ausgebildet, sondern als Y-förmige Einheit mit drei Schenkeln, die an drei Punkten mit den Wänden des Reaktorbehälters verbindbar sind. Dabei bilden die Schenkel bevorzugt gleiche Winkel von 60° und treffen sich in der Reaktormitte. Während alle drei Schenkel ein Metallprofil 5 enthalten, können Messrohre 1 je nach Messaufgabe auch nur an einem oder zwei der Schenkel angebracht sein.

1: Messrohr
2: Erster Sensor
3: Zweiter Sensor
4: Wand des Reaktorbehälters
5: Metallprofil
6: Granulatströmung

Claims

Messvorrichtung zur Temperaturmessung in einem von Schüttgut durchströmten Reaktorbehälter, umfassend mindestens ein Metallprofil (5), mindestens ein Messrohr (1) und mindestens einen in dem Messrohr (1) angeordneten Sensor (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprofile (5) mit den Wänden (4) des Reaktorbehälters verbindbar ausgebildet sind und das Messrohr (1) mit einem der Metallprofile (5) so verbunden ist, dass es an seiner Außenwand durch das Metallprofil (5) teilweise verstärkt wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) mit dem Metallprofil (5) so verbunden ist, dass es an seiner Außenwand auf der der Granulatströmung (6) in dem Reaktorbehälter entgegen gerichteten Seite durch das Metallprofil (5) verstärkt wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Messrohres (1) mit den Wänden (4) des Reaktorbehälters verbindbar sind.
Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (2, 3) im Messrohr (1) entlang der Längsachse des Messrohrs (1) verschiebbar ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (2, 3) im Messrohr (1) in mindestens einer bestimmten Position entlang der Längsachse des Messrohrs (1) fixierbar ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprofile (5) einen giebelartigen Querschnitt mit einer Breite von 10 bis 50 Millimetern aufweisen.
SSP-Reaktor zur Behandlung von Granulat, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 versehenen ist.
SSP-Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprofile (5) in unterschiedlicher Höhe mit den Wänden (4) des Reaktorbehälters verbindbar sind.
SSP-Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenabstände zwischen den Metallprofilen (5) konstant vorgegeben sind.
SSP-Reaktor nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprofile (5) in einem Höhenabstand von 0,1 bis 4,0 Meter angeordnet sind.
SSP-Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprofile (5) in Drehwinkeln zueinander versetzt mit den Wänden (4) des Reaktorbehälters verbindbar sind.
SSP-Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel konstant vorgegeben sind.