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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Drucks eines teerbeladenen Gases hoher Temperatur.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Produkt- oder Synthesegase aus Reformierungs- oder Vergasungsprozessen, die Teere unterschiedlichen Molekulargewichts enthalten und Temperaturen bis zu 1100°C erreichen.
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Die Messung bzw. Erfassung eines Drucks eines derartigen Gases ist aus zwei Gründen problematisch. Zum einen erfordert eine solche Messung einen speziellen Hochtemperatur-Drucksensor, der sehr kostspielig und häufig technisch sehr aufwendig und damit auch störanfällig ist. Zum anderen verhindern die in dem Gas enthaltenen Teere, die an vergleichsweise kühlen Bereichen der Schnittstelle zwischen dem Gas enthaltenden bzw. Gas führenden Behälter und der Verbindung zu dem Drucksensor ab ca. 300°C kondensieren, eine korrekte Druckmessung, da sie hoch viskos sind und im Lauf der Zeit den Druckübertragungsweg zum Drucksensor verschließen.
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Zur Lösung des Temperaturproblems ist es bekannt, Druckübertragungsrohre (Stichleitungen) zwischen dem Behälter und dem Drucksensor anzuordnen, die Wasser als Druckmittlerflüssigkeit enthalten. Wasserrohre sind aber für Produktgasleitungen ungeeignet, da das darin enthaltene Wasser bei den hier üblichen Betriebstemperaturen verdampft.
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Ferner ist es bekannt, als Druckmittlerflüssigkeit statt Wasser ein Öl zu verwenden, das einen höheren Verdampfungspunkt als Wasser besitzt, und eine Trennmembran z. B. aus Metall an der Grenzfläche zwischen dem Öl und dem Gas vorzusehen, um das Druckübertragungsrohr beliebig im Raum orientieren und so dem Gesamtsystem anpassen zu können. Dies löst zwar das Temperaturproblem, nicht jedoch das Teerproblem.
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Eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der
DE 10 2007 015 858 A1 offenbart und dort als Druckmessanordnung bezeichnet. Weiterhin sei an dieser Stelle auf den folgenden Stand der Technik hingewiesen, der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sein kann:
DE 18 41 631 U ,
DE 21 08 089 A , und
DE 103 49 008 A1 .
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein kostengünstiges Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung zur Messung eines Drucks eines teerbeladenen Gases hoher Temperatur bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 bzw. des Verfahrensanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung dient das Druckübertragungsrohr gewissermaßen als Drucksonde, und durch die Heizung wird verhindert, dass die in dem Gas enthaltenen Teere an der im Vergleich zu dem Gas kühleren Innenwand des dem Drucksensor gegenüberliegenden Endabschnitts des Druckübertragungsrohrs kondensieren und das Druckübertragungsrohr im Laufe der Zeit verengen oder gar verschließen, so dass der Gasdruck nicht mehr zum Drucksensor übertragen wird. Ferner eignet sich die Druckerfassungsvorrichtung sowohl zur Erfassung eines statischen Drucks als auch zur Erfassung eines Gesamtdrucks, d. h. sowohl zur Messung eines strömenden Gases als auch zur Messung eines ruhenden Gases. Insbesondere kann der Behälter im Falle eines strömenden Gases als Rohr ausgebildet sein. Insbesondere können zum Beispiel im Falle eines strömenden Gases mehrere Druckübertragungsrohre, eines für den statischen Druck und eines für den Gesamtdruck, mit dem Drucksensor verbunden sein, der somit durch Differenzbildung auch den dynamischen Druck erfasst.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird nicht nur das Druckübertragungsrohr selbst, sondern – über das Druckübertragungsrohr – auch eine Oberflächenschicht der Druckmittlerflüssigkeit erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass sich die in dem Gas enthaltenen Teere auch nicht auf der Oberfläche der Druckmittlerflüssigkeit abscheiden. Dies ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da die Oberflächenschicht durch die sie tragende Flüssigkeitssäule gekühlt wird.
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Gemäß Anspruch 3 befindet sich die Druckmittlerflüssigkeit in direktem Kontakt mit dem Gas. Es ist bekannt, einen membranartigen Druckmittler an der Schnittstelle zwischen der Druckmittlerflüssigkeit und dem Gas anzuordnen, der die Druckmittlerflüssigkeit dicht verschließt und somit für eine Lageunabhängigkeit des wenigstens einen Druckübertragungsrohres sorgt. Ein derartiger Druckmittler hat jedoch den Nachteil, dass eine energiesparend betriebene Heizung u. U. einen mittleren Bereich der Membran nicht ausreichend erwärmt, so dass dort Teere kondensieren und sich abscheiden und somit die Massenbelegung und folglich die Druckübertragungs-Charakteristik der Membran verändern, was letztlich zu undefinierten Abweichungen des erfassten Drucks vom korrekten Wert führt. Darüber hinaus ist die Funktion einer solchen Membran als Druckmittler zwischen dem Gas und der Druckmittlerflüssigkeit nur dann gewährleistet, wenn das wenigstens eine Druckübertragungsrohr eine Mindestquerschnittsfläche besitzt, die für ein „Schwingen” bzw. Durchbiegen der Membran ausreichend ist. Eine Miniaturisierung des Membran-Prinzips ist daher kaum realisierbar. Erfindungsgemäß wird daher die Funktion der Membran durch eine geeignete Rohrführung des wenigstens einen Druckübertragungsrohres realisiert.
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Gemäß Anspruch 4 erstreckt sich das wenigstens eine Druckübertragungsrohr von dem Behälter nach unten, entweder vertikal oder schräg. Der Vorteil der vertikalen Orientierung liegt nicht in der Druckmessung an sich, da der Messwert davon unbeeinflusst ist, sondern hat konstruktive Vorteile, insbesondere bei der Auslegung der Heizung. Da die Heizung erfindungsgemäß eine Oberflächenschicht der Druckmittlerflüssigkeit erwärmt, kann sie bei vertikaler Orientierung des Druckübertragungsrohres als gerader Zylinder ausgebildet sein, während sie im anderen Fall als schräger Zylinder ausgebildet sein muss. Eine Schräglage kann jedoch unter Beachtung des Gesamtsystems vorteilhaft oder sogar zwingend sein, damit Systemkomponenten funktionsgerecht und platzsparend angeordnet werden können.
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Gemäß Anspruch 5 weist das Druckübertragungsrohr einen Siphon auf, der mit Druckmittlerflüssigkeit gefüllt ist, wobei natürlich der Siphon soweit gefüllt ist, dass die Funktion der Druckmittlerflüssigkeit (die Druckübertragung) gewährleistet ist. Durch den Siphon ist die sonstige Form des Druckübertragungsrohrs und die relative Anordnung von Behälter und Drucksensor hinsichtlich der Druckmessung beliebig, so dass die Lage der Verbindung des Druckübertragungsrohres mit dem Behälter und die Rohrführung des Druckübertragungsrohres der Gesamtkonzeption des Systems untergeordnet werden kann.
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Gemäß Anspruch 7 wird die Temperatur der Druckmittlerflüssigkeit auf einen Maximalwert eingestellt, der kleiner als die Verdampfungstemperatur der Druckmittlerflüssigkeit ist.
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Ein Verdampfen der Druckmittlerflüssigkeit würde bedeuten, (i) dass ihre Menge im Laufe der Zeit abnimmt, so dass sich der Flüssigkeitsspiegel allmählich unter das untere Ende der Heizung verschiebt und der Abschnitt des Druckübertragungsrohrs zwischen dem unteren Ende der Heizung und dem Flüssigkeitsspiegel von der Heizung u. U. nur unzureichend erwärmt wird, so dass sich dort Teere abscheiden, und (ii) dass Schwankungen der erfassten Druckwerte auftreten können.
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Um zu verhindern, dass der Verdampfungspunkt überschritten wird, wird erfindungsgemäß „im Wesentlichen” nur der Abschnitt des Druckübertragungsrohres durch die Heizung erwärmt, in dem sich das Gas befindet, nicht jedoch der Abschnitt, in dem sich die Druckmittlerflüssigkeit befindet. Daher erstreckt sich erfindungsgemäß die Heizung nicht entlang des gesamten Druckübertragungsrohres. „Im Wesentlichen” bedeutet, dass neben einer Temperaturobergrenze eine Temperaturuntergrenze vorgegeben ist, die mit dem oben beschriebenen Teerproblem zusammenhängt. Zu beachten ist nämlich, dass erfindungsgemäß nicht nur gefordert wird, dass die Druckmittlerflüssigkeit eine bestimmte Temperatur, nämlich ihren Verdampfungspunkt, nicht überschreitet, sondern auch, dass sie – ebenso wie der Endabschnitt – nicht so kühl ist, dass auf ihrer Oberfläche Teere kondensieren. Da der oberflächennahe Bereich der Druckübertragungsflüssigkeit durch die darunter liegende Flüssigkeitssäule gekühlt wird, wobei die Stärke des Kühleffekts natürlich von der Wärmeleitfähigkeit der Druckübertragungsflüssigkeit abhängt, erstreckt sich die Heizung nicht nur bis zu dem Flüssigkeitsspiegel der Druckmittlerflüssigkeit, sondern etwas darüber hinaus, das heißt „von einem dem Drucksensor gegenüberliegenden Endabschnitt des Druckübertragungsrohrs bis „unter” den Flüssigkeitsspiegel der Druckmittlerflüssigkeit”, wie es in Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung definiert ist. Die Temperatur TFlüss der Druckmittlerflüssigkeit, insbesondere in der oberflächennahen Schicht, ist daher erfindungsgemäß auf TVerd > TFlüss ≥ TGas eingestellt, wobei TVerd die Verdampfungstemperatur (der Verdampfungspunkt) der Druckmittlerflüssigkeit und TGas. die Temperatur des Gases bedeutet. Zu beachten ist hierbei, dass die Verdampfungstemperatur TVerd druckabhängig ist. Die Temperatur TAbschn des Endabschnitts ist ferner so eingestellt, dass sie nicht niedriger als die des Gases ist: TAbschn ≥ TGas.
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Die Verwendung von Thermoölen, wie sie in Anspruch 8 definiert sind, welche eine sehr hohe Verdampfungstemperatur besitzen, hat den Vorteil, dass der mögliche Messbereich z. B. gegenüber Wasser als Druckmittlerflüssigkeit nach oben ausgedehnt werden kann, ohne eine Beschädigung des Sensors befürchten zu müssen, so dass ein dauerhafter Einsatz im Bereich der Druckmessung von Produkt- und Synthesegasen aus Reformierungs- oder Vergasungsprozessen gewährleistet ist. Thermoöle dienen daher sowohl als Druckmittlerflüssigkeit als auch zur thermischen Entkopplung zwischen dem Gas, dessen Druck erfasst werden soll, und dem Drucksensor.
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Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird eine gleichmäßige und effiziente Erwärmung erreicht. Vorteilhafterweise ist die Heizung als Mantelheizung ausgebildet, die das Druckübertragungsrohr manschetten- oder rohrartig umschließt.
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Eine Verfahren, das mit Hilfe der Druckerfassungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausführbar ist, ist in den Ansprüchen 10 bis 13 definiert. Das Verfahren hat die folgenden Vorteile:
- (i) Durch die Druckmittlerflüssigkeit wird eine thermische Entkopplung zwischen dem zu messenden Gas und dem Drucksensor erreicht, so dass weniger hochwertige und damit preiswerte Drucksensoren auch zur Messung von Drücken heißer Gase verwendet werden können.
- (ii) Durch die Heizung wird verhindert, dass sich Teere an der Innenwand des Druckübertragungsrohres bzw. auf der Oberfläche der Druckmittlerflüssigkeit niederschlagen und die Verbindung zum Drucksensor allmählich blockieren.
- (iii) Durch den Verzicht einer Membran werden Messfehler, die durch an der Membran kondensierenden Teeren hervorgerufen werden, verhindert. Da die Heizung im Energie sparenden Einsatz unter Umständen die Membran nur unzureichend aufheizt, insbesondere da letztere durch die Flüssigkeitssäule gekühlt wird, ist eine membranlose Konstruktion wie sie die vorliegende Erfindung vorschlägt vorteilhaft.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
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1 eine schematische Darstellung einer Druckmessvorrichtung zur Messung eines statischen Druckes eines teerbeladenen, strömenden Gases gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Druckmessvorrichtung zur Messung eines statischen Drucks und eines Staudrucks eines teerbeladenen, strömenden Gases gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3A und 3B schematische Darstellungen einer Druckmessvorrichtung zur Messung eines statischen Drucks gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst eine Druckmessvorrichtung 10 einen Drucksensor 12, ein Druckübertragungsrohr 14, das bis zu einer Höhe h = h1 mit einer Druckmittlerflüssigkeit 16 gefüllt ist, und eine Heizung 18, die sich von einem dem Drucksensor 12 abgewandten Endabschnitt 20 des Druckübertragungsrohrs 14 bis auf eine Höhe h = h2 erstreckt. Die Heizung 18 erstreckt sich also von oben eine Länge (h1-h2) über die Position eines Flüssigkeitsspiegels 22 der Druckmittlerflüssigkeit 16 hinaus. Die Höhe h bezieht sich auf die Verbindungsstelle zwischen dem Druckübertragungsrohr 14 und dem Drucksensor 12.
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Wie es in 1 gezeigt ist, nimmt die Temperatur von T = T1 bei der Höhe h = h2, d. h. dem unteren Ende der Heizung 18, auf T = T2 bei einer Höhe h = 0 kontinuierlich ab, so dass der Drucksensor 12 nicht der hohen Temperatur T1 des Gases ausgesetzt ist.
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Die Heizung 18 ist allgemein rohrförmig ausgebildet und umschließt auf seiner gesamten Länge l das Druckübertragungsrohr 14.
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Der Drucksensor 12 ist über das Druckübertragungsrohr 14 mit einem Gasführungsrohr 24 verbunden, in dem sich ein teerbeladenes Gas G mit einer Strömungsgeschwindigkeit v von links nach rechts in 1 bewegt. Die Druckmessvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform misst folglich den statischen Druck des strömenden Gases G.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Ausführungsform sind ein erstes Druckübertragungsrohr 14 und ein zweites Druckübertragungsrohr 14' mit dem Drucksensor 12 verbunden. Während die das erste Druckübertragungsrohr 14 wie in der ersten Ausführungsform mit dem Gasführungsrohr 24 verbunden ist, so dass es den statischen Druck misst, ist das Druckführungsrohr 14' als Pitot-Rohr ausgebildet, dessen Endabschnitt 26 parallel zur Strömungsgeschwindigkeit v ausgerichtet ist und ein offenes Ende 28 aufweist, das der Strömung entgegengerichtet ist. Das Druckführungsrohr 14' misst demnach den Stau- oder Gesamtdruck, so dass der Drucksensor durch Differenzbildung von Gesamt- und statischem Druck auch den dynamischen Druck erfasst. Obwohl in 2 eine Heizung 18' des Druckübertragungsrohrs 14' identisch ausgelegt ist wie die Heizung 18 des Druckübertragungsrohrs 14, kann sich diese auch in das Gasführungsrohr 24 erstrecken.
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3A und 3B zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Ausführungsform weist das Druckübertragungsrohr 14 einen Siphon 30 auf. Dadurch ist es möglich, das Druckübertragungsrohr 14 in jeder beliebigen Orientierung von dem Behälter abzuzweigen, beispielsweise seitlich (3A) oder nach oben (3B). Auch in diesem Fällen erstreckt sich die Heizung 18 von einem dem Drucksensor gegenüberliegenden Endabschnitt bis unter den Flüssigkeitsspiegel der Druckmittlerflüssigkeit.
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Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
