DE102007021564A1 - Verfahren zur Temperaturmessung in Anlagenteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Temperaturmessung in Anlagenteilen mittels Auswertung optischer Signale eines Lichtwellenleiters innerhalb der entsprechenden Anlagenteile.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung in Anlagenteilen der petrochemischen Industrie oder Anlagen zur Luftzerlegung.
• In Anlagenteilen der petrochemischen Industrie oder Anlagen zur Luftzerlegung wird nach dem bisherigen Stand der Technik die Temperatur mittels eines elektrischen Thermometers mit entsprechender Verkabelung gemessen. Einige wenige Temperaturfühler werden bei der Montage der Anlagenteile an einigen wenigen ausgewählten Punkten montiert und entsprechend verkabelt. Diese Kabel werden zur Temperaturanalyse aus den Anlagenteilen herausgeführt.
• Diese Methode nach dem Stand der Technik zur Temperaturmessung weist einige Nachteile auf. Die elektrischen Temperaturfühler sind naturgemäß nur in der Lage, die Temperatur ihrer jeweiligen Umgebung zu erfassen. Daher kann bei den Anlagenteilen nach dem Stand der Technik nur eine Information über die Temperatur an wenigen ausgewählten Punkten, nämlich den Punkten, die mit einem Temperaturfühler versehen wurden, gewonnen werden.
• Diese punktuellen Temperaturinformationen wirken sich beispielsweise besonders nachteilig beim Einsatz in einem gewickelten Wärmetauscher in der Erdgasverflüssigung aus. Bei einer genauen Kenntnis des Verlaufes des Temperaturprofils der Erdgasfraktion während des Verflüssigungsprozesses im Wärmetauscher ließe sich die Verflüssigung selbst besser steuern und somit der Energieverbrauch im Wärmetauscher optimieren. Dies gilt ebenfalls für die Energieoptimierung bei Plattenwärmetauschern oder Geradrohrwärmetauschern.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturmessung in Anlagenteilen derart auszugestalten, dass die Temperaturmessung an sehr vielen Punkten der Anlagenteile ermöglicht und somit die Kenntnis des Temperaturprofils in den entsprechenden Anlagenteilen erhöht wird.
• Die vorliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass optische Signale mindestens eines, im inneren der Anlagenteile befindlichen, Lichtwellenleiters ausgewertet werden.
• Die Auswertung der optische Signale eines Lichtwellenleiters innerhalb der Anlagenteile ermöglicht prinzipiell die Temperaturmessung an beliebig vielen Punkten des Lichtwellenleiters. Die in den Lichtwellenleiter eingesandten und zurückerhaltenen Signale sind stark temperaturabhängig und daher zur Temperaturmessung in der Umgebung des Lichtwellenleiters bestens geeignet. Zur Auswertung der optischen Signale des Lichtwellenleiters existieren mehrere Methoden, die es erlauben, die Temperatur an einem beliebigen Punkt des Lichtwellenleiters mit hoher Präzision zu bestimmen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Ramanstreuung entstehen. Lichtwellenleiter werden in der Regel aus dotiertem Quarzglas (amorphe Festkörperstruktur aus hauptsächlich Siliziumdioxid) gefertigt. In diesen amorphen Festkörperstrukturen werden über thermische Effekte Gitterschwingungen induziert. Diese Gitterschwingungen sind temperaturabhängig. Licht, welches auf die Moleküle im Lichtwellenleiter trifft, tritt in Wechselwirkung mit den Elektronen der Moleküle. Diese Wechselwirkung nennt man Ramanstreuung. Das zurückgestreute Licht lässt sich in drei spektrale Gruppen einteilen. Neben der Rayleigh-Streuung, welche der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes entspricht, existieren die so genannten Stokes- und die so genannten Anti-Stokes-Komponenten. Im Gegensatz zu den, zu höheren Wellenlängen verschobenen und temperaturunabhängigen, Stokes-Komponenten sind die zu kleineren Wellenlängen verschobenen Anti-Stokes-Komponenten temperaturabhängig. Das Intensitätsverhältnis zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Komponenten kann somit zur Temperaturmessung genutzt werden. Über eine Fouriertransformation dieser beiden rückgestreuten Komponenten im Vergleich mit der Fouriertransformation eines Referenzsignales erhält man die Intensitäten der beiden Komponenten über der Länge des Lichtwellenleiters. Somit kann über den Vergleich der beiden Intensitäten die Temperatur für jeden Punkt des Lichtwellenleiters ermittelt werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Brillouin-Streuung des Lichtwellenleiters entstehen. In diesem Fall basiert die Temperaturmessung auf der ortsaufgelösten Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen der, in dem Lichtwellenleiter eingekoppelten, primären Lichtwelle und der, durch sie in Folge von Brillouin-Streuung, im Lichtwellenleiter induzierten und zurückgestreuten Welle, welche in ihrer Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur gegenüber der Primärwelle verringert ist. Bei gepulst eingestrahlter Primärwelle kann durch zeitaufgelöste Detektion des Signallichtes für verschiedene Frequenzdifferenzen unter Kenntnis der Pulslaufzeit die Frequenzverschiebung aufgrund der Temperaturveränderung ortsaufgelöst bestimmt werden. Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich durch die Auswertung der optischen Signale die Temperatur an jedem beliebigen Punkt des Lichtwellenleiters bestimmen.
• In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolg die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Streuung am Bragg-Gitter entstehen. Bragg-Gitter sind in den Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Bandfilter, welche nahezu beliebig oft im Lichtwellenleiter platziert werden können. Die Mittenwellenzahl des Bandstopps ergibt sich dabei aus der Bragg-Bedingung. Die spektrale Breite des Bandstopps hängt neben der Gitterlänge und der Brechzahl von der Temperatur ab. Somit kann man bei gegebener und über den Lichtwellenleiter verschiedener Gitterlänge und Brechzahl die Temperatur an der jeweiligen Stelle des Bragg-Gitters über die Breite des Bandstopps bestimmen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturmessung in einem Wärmetauscher angewendet. In gewickelten Wärmetauschern, wie sie beispielsweise in der Erdgasverflüssigung angewandt werden, lässt sich der gesamte Verflüssigungsprozess über die Kenntnis der Temperatur beobachten und steuern. Dazu können vorteilhafterweise Lichtwellenleiter in der Innere der gewickelten Rohre und auf der Außenseite der gewickelten Rohre angebracht werden, so dass ein Temperaturprofil für das Medium im Rohrinneren, beispielsweise Erdgas, und ein Temperaturprofil für das Medium im Mantelraum, beispielsweise ein Kältefluid, erstellt werden kann. Über die gemessenen Temperaturprofile kann der gesamte Prozess gesteuert und energetisch optimiert werden. Ebenso vorteilhaft wäre die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Plattenwärmetauschern, wie sie beispielsweise in der Luftzerlegung eingesetzt werden, oder in Geradrohrwärmetauschern.
• In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren zur Temperaturmessung in einem Adsorber angewendet. Adsorber kommen vielfach in petrochemischen Anlagen, Druckwechseladsorptionsverfahren oder Anlagen zur Luftzerlegung vor. Sie werden hauptsächlich zum Kühlen oder Regenerieren von Waschmitteln oder zur Stofftrennung eingesetzt. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können hier ebenfalls Temperaturprofile erstellt werden, die über eine punktuelle Information hinausgehen und zur Optimierung der Verfahrenssteuerung verwandt werden können.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren zur Temperaturmessung in einer Kolonne angewendet. Kolonnen mit regellosen Füllkörperschüttungen oder strukturierten Packungen werden in petrochemischen Anlagen hauptsächlich zur Trennung oder Kontaktierung von zwei chemisch verschiedenen Phasen verwendet. Die beiden chemisch verschiedenen Phasen sollen meist miteinander reagieren. Diese Reaktionen laufen in der Regel unter Wärmeaufnahme oder -abgabe ab. Daher lässt sich durch die Erstellung eines Temperaturprofils in den Kolonnen auch die Konzentration der chemischen Phasen bestimmen und die Prozesse lassen sich entsprechend optimieren. Bei Kolonnen, wie sie in Anlagen zur Luftzerlegung eingesetzt werden, ist durch die genaue Bestimmung der Temperatur die Bestimmung der Anteile der gasförmigen und der flüssigen Phase möglich.
• Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere, mit einfachen Mitteln die Temperatur an praktisch beliebig vielen Punkten in den Anlagenteilen zu messen und Temperaturprofile für die Anlagenteile zu erstellen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Temperaturmessung in Anlagenteilen der petrochemischen Industrie oder Anlagen zur Luftzerlegung, dadurch gekennzeichnet, dass optische Signale mindestens eines, im Inneren der Anlagenteile befindlichen, Lichtwellenleiters ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Ramanstreuung entstehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Brillouin-Streuung des Lichtwellenleiters entstehen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über die Auswertung von optischen Signalen erfolgt, wie sie durch Streuung am Bragg-Gitter entstehen.
5. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Temperaturmessung in einem Wärmetauscher.
6. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Temperaturmessung in einem Adsorber.
7. Anwendung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Temperaturmessung in einer Kolonne.