DE102010060131A1 - Apparatus for determining three-dimensional spatial velocity profile of rheological medium in e.g. large microscale reactor, has measuring lance that is moved in three-dimensional space of process vessel - Google Patents

Apparatus for determining three-dimensional spatial velocity profile of rheological medium in e.g. large microscale reactor, has measuring lance that is moved in three-dimensional space of process vessel Download PDF

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Dr. Hampel Uwe
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Abstract

The apparatus has a process vessel (1) that accommodates a measuring lance (4) with local detector units (5-9) that are connected with an external evaluating unit. The measuring lance is moved in the three-dimensional space of the process vessel. The measuring lance is moved around the own axis. The two-dimensional space detectors are arranged at preset gap with respect to each other and with respect to a planar unit. An independent claim is included for method for three-dimensional spatial velocity profile of rheological medium.

Description

Technisches Anwendungsgebiet:Technical application area:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung des räumlichen Geschwindigkeitsprofils und des Verweilzeitspektrums von rheologischen Medien in technischen Prozessen, speziell in groß skaligen Reaktoren und in Biogasfermentern. Weiterhin wird das Verfahren für die Verwendung dieser Anordnungen beschrieben.The invention relates to an arrangement for detecting the spatial velocity profile and the residence time spectrum of rheological media in industrial processes, especially in large-scale reactors and in biogas digesters. Furthermore, the method for the use of these arrangements will be described.

Über das räumliche Geschwindigkeitsprofil in Reaktorbehältern, wie sie in der Chemie-, Umwelt-, Bio- und Energieverfahrenstechnik betrieben werden, lassen sich direkt Informationen über die Strömungsverhältnisse im Prozess und damit über die Effektivität und die lokale Wirkung der verwendeten Rühreinrichtungen ableiten.About the spatial velocity profile in reactor vessels, as they are operated in the chemical, environmental, bio and energy process technology, can be directly derived information about the flow conditions in the process and thus on the effectiveness and the local effect of the stirring devices used.

Das Verweilzeitspektrum der Prozessmedien in Reaktoren ist eine stark aussagekräftige Messgröße, welche Rückschlüsse auf die Effizienz der gesamten Anlage erlaubt. Mit Hilfe des globalen Verweilzeitspektrums können zum Beispiel Aussagen über den Grad der Vermischung, die mittlere Verweilzeit der Substanzen und vorhandene Totzonen oder Kurzschlussströmungen getroffen werden.The residence time spectrum of the process media in reactors is a highly meaningful parameter that allows conclusions to be drawn about the efficiency of the entire system. With the help of the global residence time spectrum, for example, statements about the degree of mixing, the average residence time of the substances and existing dead zones or short-circuit currents can be made.

Stand der TechnikState of the art

Bekannte Verfahren zur Erfassung räumlicher Geschwindigkeitsprofile können in nicht-invasive und invasive Verfahren eingeteilt werden. Nicht-invasive optische Verfahren wie 3D-Particle-Image-Velocimetry (PIV) oder Videometrie sind wegen der Beschaffenheit der Prozessmedien (Opazität und Inhomogenität) meist nicht anwendbar. Strahlungsbasierte Verfahren wie 3D-Prozesstomographie (Positronen-Emissions-Tomographie, Röntgentomographie oder Gamma-Computpertomographie) sind auf Grund der Baugröße der Reaktoren ungeeignet.Known methods for detecting spatial velocity profiles can be classified into non-invasive and invasive methods. Non-invasive optical methods such as 3D particle image velocimetry (PIV) or videometry are usually not applicable because of the nature of the process media (opacity and inhomogeneity). Radiation-based methods such as 3D process tomography (positron emission tomography, X-ray tomography or gamma computed tomography) are unsuitable due to the size of the reactors.

Invasive Messverfahren wie Impedanznadelsonden DE 10 2005 046 662 B3 und Leitfähigkeitsgittersensoren DE 19 649 011 A1 , EP 1 990 612 B1 messen lokal bzw. in einem stark begrenzten Ortsbereich und sind damit nicht für eine räumliche Erfassung im großtechnischen Maßstab geeignet. Zudem ist bei den zuletzt genannten elektrischen Verfahren die Geschwindigkeitsmessung an vorhandene Phasenübergänge (Flüssig-Gas) bzw. Kontraste der elektrischen Impedanz in einer Phase gebunden, was nicht in jedem Prozess dauerhaft gewährleistet ist. Weiterhin besteht bei diesen invasiven Techniken auf Grund der Größe und des Aufbaus der Messgeräte die Gefahr der Beschädigung oder des Zusetzens durch vorhandene Feststoffanteile im Prozessmedium. In EP 2 028 474 B1 wird auf die Erfassung der Geschwindigkeit von metallischen Tracerpartikeln in einem Rohrquerschnitt eingegangen, jedoch wird die Erfassung der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung im Reaktor selbst nicht berücksichtigt.Invasive measuring methods such as impedance needle probes DE 10 2005 046 662 B3 and conductivity grating sensors DE 19 649 011 A1 . EP 1 990 612 B1 Measure locally or in a very limited local area and are therefore not suitable for a spatial detection on an industrial scale. In addition, in the last-mentioned electrical methods, the speed measurement is linked to existing phase transitions (liquid gas) or contrasts of the electrical impedance in one phase, which is not permanently guaranteed in every process. Furthermore, due to the size and structure of the metering devices, these invasive techniques run the risk of damage or clogging due to the presence of solid matter in the process medium. In EP 2 028 474 B1 it will discuss the detection of the velocity of metallic tracer particles in a tube cross-section, but the detection of the spatial velocity distribution in the reactor itself is not taken into account.

Bekannte Methoden zur Erfassung von Verweilzeitspektren basieren auf chemischen, biologischen und physikalischen Eigenschaften von Tracern, wie zum Beispiel Salze. Deren Detektion bedarf eine manuelle Probennahme an der Messstelle des Reaktors mit anschließender Analyse zur Konzentrationsbestimmung im Labor, was neben dem hohen personellen Aufwand zu zeitlichen Verzögerungen des Messergebnisses führt. Weiterhin ist die Datendichte durch die Intervalle der Probennahme bestimmt, die aus Kostengründen meist verhältnismäßig lang gewählt werden. Zur Online-Erfassung von Farb- und Fluoreszenstracern wie Rodamin oder Uranin ist neben einem optischen Zugang zur Messstelle auch die ausreichende optische Klarheit des Prozessmediums eine Voraussetzung, die in der überwiegenden Anzahl der Prozesse nicht gegeben ist. Die Verwendung von Radiotracern ist auf Grund des sicherheitstechnischen Aspektes bedenklich und wegen einer möglichen negativen Beeinflussung biochemischer Prozesse in Reaktoren nicht erwünscht. Zu den Nachteilen der oben genannten Methoden kommt hinzu, dass mit ihnen die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit im großtechnischen Maßstab eines Reaktors nur sehr schwer und mit hohem technischem Aufwand möglich ist.Known methods for acquiring residence time spectra are based on chemical, biological and physical properties of tracers, such as salts. Their detection requires manual sampling at the measuring point of the reactor with subsequent analysis to determine the concentration in the laboratory, which leads in addition to the high staffing time to delays in the measurement result. Furthermore, the data density is determined by the intervals of sampling, which are usually chosen relatively long for cost reasons. For online acquisition of color and fluorescence tracers such as rodamine or uranine, in addition to optical access to the measuring point, the sufficient optical clarity of the process medium is a prerequisite that is not given in the vast majority of processes. The use of radiotracers is questionable because of the safety aspect and because of a possible negative influence biochemical processes in reactors not desirable. The disadvantages of the above-mentioned methods is that with them the detection of the flow rate on an industrial scale of a reactor is possible only with great difficulty and with great technical effort.

Mit der Anwendung von ferromagnetischen oder magnetischen Tracern und einem geeigneten elektrischen Detektionsprinzip wird die automatische ereignisabhängige Online-Erfassung des Verweilzeitspektrums und der Geschwindigkeit des Tracers ermöglicht. Beispielhafte Verfahren zur lokalen Erfassung magnetischer Tracer sind in EP 2 028 474 B1 , DE 2 029 337 oder WO 2004 104 561 A1 offengelegt. Dabei wird auf Anwendungen eingegangen, bei denen Partikelgrößen im Submillimeterbereich in eher kleinen Rohrquerschnitten unter 100 mm zur Detektion herangezogen werden. Bei der Anwendung in großtechnischen Reaktoren ist eine Detektion in Rohrquerschnitten von bis zu 1000 mm nötig. Zudem kommt es durch die großen Reaktorvolumina zu einer starken Verdünnung der Tracer. Zur Messung von Verweilzeitspektren an großtechnischen Reaktoren ist also die Erfassung von sehr geringen Tracerkonzentrationen bis hin zur Einzeldetektion von Partikeln in großen Rohrquerschnitten erforderlich. Weiterhin wird bei den genannten Verfahren auf die Anwendung in hinreichend homogenen rheologischen Prozessmedien wie Schmierölen, Kunststoffschmelzen oder Anilin eingegangen. Die Detektion in elektrisch hochleitfähigen und stark inhomogenen Medien wurde bisher nicht näher berücksichtigt.With the use of ferromagnetic or magnetic tracers and a suitable electrical detection principle, the automatic event-dependent online acquisition of the residence time spectrum and the speed of the tracer is enabled. Exemplary methods for local detection of magnetic tracers are in EP 2 028 474 B1 . DE 2 029 337 or WO 2004 104 561 A1 disclosed. It addresses applications in which particle sizes in the submillimeter range are used for detection in rather small tube cross sections of less than 100 mm. When used in large-scale reactors, a detection in pipe cross-sections of up to 1000 mm is necessary. In addition, the large reactor volumes lead to a high dilution of the tracers. For the measurement of residence time spectra on large-scale reactors is therefore the detection of very low tracer concentrations up to the single detection of particles required in large pipe cross sections. Furthermore, the processes mentioned in the application in sufficiently homogeneous rheological process media such as lubricating oils, plastic melts or aniline. The detection in electrically highly conductive and highly inhomogeneous media has not been considered in detail.

Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Mit Erfindung gelöste AufgabenTasks solved with invention

Aufgabe der Erfindung ist es eine Anordnung zur Erfassung des dreidimensionalen räumlichen Geschwindigkeitsprofils rheologischer Medien in technologischen Prozessen, speziell für großskalige Prozessbehälter, anzugeben, die die oben genannten Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und in einem weiten und vor allem sicherungsrelevanten Anwendungsbereich, insbesondere hinsichtlich der Zusammensetzung und der Eigenschaften des Prozessmediums, derer Strömungsgeschwindigkeiten und der verwendeten Anlagentechnik der Reaktoren (Prozessbehälter), verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe der Verwendung dieser Anordnung zur Erfassung des räumlichen Geschwindigkeitsprofils und zur weiteren optionalen Erfassung des Verweilzeitspektrums angegeben.The object of the invention is to provide an arrangement for detecting the three-dimensional spatial velocity profile of rheological media in technological processes, especially for large-scale process container, which avoids the above-mentioned disadvantages of known solutions and in a broad and especially security-relevant application, in particular with regard to the composition and the Properties of the process medium, the flow rates and the equipment used in the reactor (process vessel), can be used. Another object is to specify the use of this arrangement for detecting the spatial velocity profile and for further optional detection of the residence time spectrum.

Technischer LösungswegTechnical solution

Die Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 beschriebene Anordnung und der Verwendung dieser Anordnung gemäß dem Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by the arrangement described in claim 1 and the use of this arrangement according to claim 7. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Verwendung von Tracern, die dem Prozess zugefügt werden. Diese Tracer bewegen sich störungsfrei mit dem Prozessmedium. Kontinuierlich werden an den Messstellen im Medium die Tracer ereignisorientiert erfasst.The task is solved by using tracers, which are added to the process. These tracers move smoothly with the process medium. The tracers are continuously recorded in an event-oriented manner at the measuring points in the medium.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem oder mehreren Detektoreinheiten, die an einer oder mehreren Messlanzen angeordnet sind, wobei die Messlanzen beweglich angeordnet sind. Bei der Verwendung von mehreren Detektoreinheiten an einer Messlanze ist eine gleichzeitige Auswertung in einer räumlichen Koordinate möglich.The inventive arrangement consists of one or more detector units, which are arranged on one or more measuring lances, wherein the measuring lances are arranged to be movable. When using several detector units on a measuring lance a simultaneous evaluation in a spatial coordinate is possible.

Vorteilhafte WirkungAdvantageous effect

Die Verwendung einer oder mehrerer beweglichen Messlanzen ermöglicht eine verteilte Messung der lokalen Geschwindigkeitsvektoren im Prozessbehälter. Durch Fusion der sequentiell mit der Lanze erhobenen Geschwindigkeitsdaten wird das dreidimensionale Strömungsprofil des Prozessbehälters abgebildet. Der bisherige Stand der Technik ermöglicht nur die ein- bzw. zweidimensionale Messung in Rohrquerschnitten oder groß skaligen Reaktoren. Durch die Beweglichkeit der einzelnen Messlanze wird der technische Installationsaufwand im Reaktor gering gehalten. Diese Messung kann durch die Nutzung der Tracer mit einer nachgeschalteten Verweilzeitmessung am Austritt des Reaktors kombiniert werden.The use of one or more movable measuring lances enables a distributed measurement of the local velocity vectors in the process vessel. The three-dimensional flow profile of the process container is imaged by fusion of the speed data collected sequentially with the lance. The prior art allows only one- or two-dimensional measurement in pipe sections or large-scale reactors. Due to the mobility of the individual measuring lance, the technical installation effort in the reactor is kept low. This measurement can be combined by using the tracers with a downstream residence time measurement at the outlet of the reactor.

Kurze Beschreibung der ZeichnungsfigurenShort description of the drawing figures

zeigt den prinzipiellen Aufbau am Beispiel eines zylindrischen Prozessbehälters mit einem Rührwerk. shows the basic structure of the example of a cylindrical process container with a stirrer.

zeigt die prinzipielle Ausführungsvariante mit mehreren Messlanzen. shows the basic embodiment variant with multiple measuring lances.

zeigt die Ausführungsvariante mit einer Detektoreinheit und einer Messlanze. shows the embodiment with a detector unit and a measuring lance.

zeigt den Aufbau einer Detektoreinheit. shows the construction of a detector unit.

zeigt mögliche Anordnungen der Detektoreinheit an einer Messlanze. shows possible arrangements of the detector unit on a measuring lance.

stellt das Koordinatensystem für den Prozessbehälter dar. represents the coordinate system for the process container.

zeigt den prinzipiellen Aufbau bei Verwendung von flächigen Detektorelementen an einer Messlanze in Verbindung mit dem gemessenen Ergebnis. shows the basic structure when using flat detector elements on a measuring lance in conjunction with the measured result.

zeigt den prinzipiellen Aufbau bei Verwendung von Flüssigkeitstracern an flächigen Detektorelementen. shows the basic structure when using liquid tracers on flat detector elements.

Beschreibung der AusführungsartenDescription of the embodiments

Anordnungarrangement

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer oder mehreren Messlanzen 4, die in das zu untersuchende Medium im Prozessbehälter 1 eingetaucht werden. Entlang der Messlanze 4 sind mehrere Detektoreinheiten 5 ... 9 in definierten Abständen montiert.The arrangement according to the invention consists of one or more measuring lances 4 entering the medium to be examined in the process container 1 be immersed. Along the measuring lance 4 are several detector units 5 ... 9 mounted at defined intervals.

Die Messlanze 4 ist mit einem Ende an einer Verfahreinrichtung befestigt. Mit Hilfe dieser Verfahreinrichtung kann die Messlanze 4 in radialer Richtung r, in Umfangsrichtung im Reaktor Φ und/oder zusätzlich in Eintauchrichtung h entweder über einen manuellen Antrieb oder über Elektromotoren bewegt werden.The measuring lance 4 is attached at one end to a traversing device. With the help of this traversing device, the measuring lance 4 in the radial direction r, in the circumferential direction in the reactor Φ and / or additionally in the immersion direction h either by means of a manual drive or by means of electric motors.

In einer erfindungsgemäßen Anordnung bestehen die an der Messlanze angebrachten Detektoreinheiten 5 ... 9 aus mindestens einem Detektor 25, 26, 27 und sind mit einer Auswerteeinheit (Computer) verbunden. Die Verbindung zwischen Detektor bzw. Detektoreinheit und Auswerteeinheit kann mit Kabeln und/oder kabellos erfolgen, wobei im letzteren Fall noch Signale außerhalb vom Prozessbehälter auswertbar sein müssen und unter Umständen entsprechende Sicherheitsanforderungen, wie Explosionsschutz, zu beachten sind.In an arrangement according to the invention, the detector units attached to the measuring lance are made 5 ... 9 from at least one detector 25 . 26 . 27 and are connected to an evaluation unit (computer). The connection between the detector or detector unit and evaluation can be done with cables and / or wireless, in the latter case signals must still be evaluated outside of the process container and under certain circumstances appropriate safety requirements, such as explosion protection, are observed.

Die Detektoreinheit 5 ... 9 kann drehbar an der Messlanze 4 angeordnet sein. Dies ist sinnvoll, wenn weniger als drei Detektoren verwendet werden.The detector unit 5 ... 9 can rotate on the measuring lance 4 be arranged. This is useful if less than three detectors are used.

Die Messlanze 4 selbst kann zusätzlich in sich drehbar an einer Verfahreinrichtung 10 befestigt werden. In diesem Fall ändern sich die Koordinaten (r, Φ, h) der Messlanze im Bezug auf den Prozessbehälter nicht, aber die Lage der Detektoreneinheiten an der Messlanze ändert sich. Um eine optimale dreidimensionale Messung durchführen zu können, sind drei Detektoren orthogonal als eine Detektoreinheit an der Messlanze befestigt. In diesem Fall ist eine Drehung der Detektoreinheit an der Messlanze nicht notwendig.The measuring lance 4 itself can additionally rotatable on a traversing device 10 be attached. In this case, the coordinates (r, Φ, h) of the measuring probe do not change with respect to the process container, but the position of the detector units on the measuring probe changes. In order to perform an optimal three-dimensional measurement, three detectors are mounted orthogonally as a detector unit on the measuring lance. In this case, a rotation of the detector unit on the measuring lance is not necessary.

Die Verbindungskabel werden bei einer erfindungsgemäßen Anordnung an der Messlanze und der Verfahreinrichtung entlang geführt. Bei einer weiteren vorteilhaften Anordnung werden die Kabel im Inneren der Messlanze geführt, wobei das Hängenbleiben von Stoffen, die im Prozessbehälter sich bewegen, ausgeschlossen wird. Ein Verdrehen der Kabel ist durch entsprechende Steuerung der Bewegung und Führung der Kabel auszuschließen.The connection cables are guided along the measuring lance and the displacement device in an inventive arrangement along the measuring lance. In a further advantageous arrangement, the cables are guided inside the measuring lance, wherein the snagging of substances that move in the process container is excluded. A twisting of the cables is to be excluded by appropriate control of the movement and guidance of the cables.

Der einzelne Detektor selbst ist so aufgebaut, dass die lokale Strömungsgeschwindigkeit in allen Richtungskomponenten (vr, vϕ, vh) erfasst wird. An jeder Detektorposition 5 ... 9 der Lanze werden drei orthogonale Spulenanordnungen entlang der drei Raumachsen angebracht. Jede dieser Spulenanordnung wird um einen Rohrabschnitt mit einem sehr viel kleineren Durchmesser d als dem Prozessbehälter (2r) angebracht und vor dem Prozessmedium geschützt. Der Durchmesser des Rohrabschnitts bzw. des Detektors muss groß genug sein, damit sich feste Schwebstoffe nicht darin hängen bleiben oder den Detektor beschädigen.The individual detector itself is constructed so that the local flow velocity in all direction components (v r , v φ , v h ) is detected. At every detector position 5 ... 9 The lance is mounted three orthogonal coil arrangements along the three spatial axes. Each of these coil arrangements is formed around a pipe section with a much smaller diameter d than the process vessel ( 2r ) and protected from the process medium. The diameter of the pipe section or the detector must be large enough so that solid suspended matter does not get caught in it or damage the detector.

In einer weiteren Ausführungsform werden flächige Detektoreinheiten, wie der Oberflächensensoren verwendet. Dazu sind zwei orthogonal zueinander angeordnete Sensoren oder ein drehbarer Sensor zu verwenden, um den Strömungsvektor lokal vollständig zu erfassen. Bei der flächigen Anordnung werden zwei Detektoren nebeneinander angeordnet (vgl. ) oder nebeneinander und zueinander versetzt angeordnet. Sollen Flüssigkeitstracer bestimmt werden und würde sich der Flüssigkeitstracer mit dem Prozessmedium vermischen, ist es sinnvoll, den Flüssigkeitstracer in der Nähe der Detektoren zu injizieren. In diesem Fall kann die Anordnung aus einer Anregungselektrode bestehen, in deren Nähe, vorzugsweise in deren Mittelpunkt der Flüssigkeitstracer in das Prozessmedium injiziert wird. Um diese Anregungselektrode werden mehrere Sensoren in einem festen Abstand und in mit einem gleichen Winkel zu einander angeordnet.In a further embodiment, planar detector units, such as the surface sensors, are used. For this purpose, two sensors arranged orthogonally to one another or a rotatable sensor are to be used in order to detect the flow vector locally completely. In the planar arrangement, two detectors are arranged side by side (see. ) or juxtaposed and offset from one another. If liquid tracers are to be determined and if the liquid tracer is mixed with the process medium, it makes sense to inject the liquid tracer in the vicinity of the detectors. In this case, the arrangement may consist of an excitation electrode, in the vicinity of which, preferably at the center, the liquid tracer is injected into the process medium. Around this excitation electrode several sensors are arranged at a fixed distance and at an equal angle to each other.

Die Verwendung nur einer Detektoreinheit 5 ist möglich. Um damit ein Geschwindigkeitsprofil erstellen zu können muss dieser Detektoreinheit beweglich an der Lanze angebracht sein und gleichzeitig muss sich die Messlanze in zeitlich definierten Intervallen im Raum bewegen.The use of only one detector unit 5 is possible. In order to be able to create a speed profile, this detector unit must be movably attached to the lance and at the same time the measuring lance must move in space at time-defined intervals.

Verfahren method

Zur lokalen Geschwindigkeitsmessung an den Detektoren 5 ... 9 können verschiedene Tracer verwendet werden.For local speed measurement at the detectors 5 ... 9 Different tracers can be used.

Im laufenden Prozessbetrieb wird eine definierte Menge der Tracer 13 mit dem Prozessgemisch oder gemeinsam mit einzelnen Eingangsstoffen, z. B. Edukte (Substraten bei Biogasfermentern), durch den Zulauf 2 in den Prozessbehälter eingebracht. Der Zeitpunkt der Tracerzugabe wird für die Messung als zeitlicher Bezugspunkt t = 0 s definiert. Dabei ist es wichtig, dass die Tracer in der Vorlage möglichst homogen verteilt sind und diese in einer möglichst kurzen Zeit eingebracht wird, um eine impulsförmige Tracerzugabe zu erhalten. Ist dies nicht realisierbar, empfiehlt es sich die zeitliche Verlauf der Tracerzugabe zu erfasst. Dies kann entweder über einen zusätzlichen Detektor am Zulauf oder bei homogener Vermischung der Vorlage über eine definierte Zeitvorgabe der Beschickung (Pumpe oder Schneckenförderwerk) erfolgen. Anhand der individuellen Tracerfunktion kann später aus dem gemessenen Verweilzeitspektrum die normierte Impulsantwort als Summen- bzw. Konzentrationskurve bestimmt werden.In the current process mode, a defined amount of tracers 13 with the process mixture or together with individual input materials, eg. B. starting materials (substrates in Biogasfermentern), by the inlet 2 introduced into the process container. The time of tracer addition is defined for the measurement as a time reference point t = 0 s. It is important that the tracers are distributed as homogeneously as possible in the template and this is introduced in as short a time as possible in order to obtain a pulse-shaped addition of tracer. If this is not feasible, it is recommended to record the time course of the tracer addition. This can be done either via an additional detector at the inlet or with homogeneous mixing of the template over a defined time specification of the feed (pump or screw conveyor). Based on the individual tracer function, the normalized impulse response can later be determined from the measured residence time spectrum as the sum or concentration curve.

Erfindungsgemäß kommen einmal Tracer verwendet werden, die auf induktive Messverfahren ansprechen, wie aus ferromagnetischen Stoffen bestehende, enthaltende oder ummantelte Tracer. Wirbelstrombasierte induktiven Messverfahren oder kombinierten induktiven Näherungssonden bestimmen die Art des verwendeten Tracers. Die Tracer müssen eine Stokezahl kleiner 1 haben, damit diese sich nicht zu träge im Prozessmedium bewegen. Da die Durchmesser der Detektoren sehr viel kleiner als der Durchmesser des Prozessbehälters ist, können Tracer mit einer Größe kleiner als 7 mm verwendet werden. Der Durchmesser des Detektors und die Größe der Tracer sind linear proportional.According to the invention, once tracers are used which respond to inductive measuring methods, such as tracers consisting of ferromagnetic substances, containing or sheathed. Eddy current based inductive measuring methods or combined inductive proximity probes determine the type of tracer used. The tracers must have a Stoke number less than 1, so that they do not move too sluggishly in the process medium. Since the diameter of the detectors is much smaller than the diameter of the process container, tracers with a size smaller than 7 mm can be used. The diameter of the detector and the size of the tracers are linearly proportional.

Als alternative Variante zur Geschwindigkeitsmessung über Metalltracer können Flüssigtracer wie Deionat oder NaCl-Lösung verwendet werden. Diese können durch elektrische Oberflächensensoren oder flächig angeordnete Streulichtsensoren erfasst werden. Auf Grund des Verdünnungseffektes ist dieser vorteilhafter lokal in der Nähe der Detektoren zu injizieren. Eine mögliche Anordnung ist in angegeben.As an alternative variant for speed measurement via metal tracers, liquid tracers such as deionized or NaCl solutions can be used. These can be detected by electrical surface sensors or flat scattered light sensors. Due to the dilution effect, this is more advantageous to inject locally near the detectors. One possible arrangement is in specified.

Die Tracer werden mit dem umgebenden Prozessmedium im Reaktor verteilt und repräsentieren die vorherrschenden Strömungen. Bei der Passage der Tracerpartikel durch die Detektoren an der positionierten Messlanze, werden die lokalen Geschwindigkeitsvektoren (vn, vΦi, vhi mit i = 1 ... N) erfasst und zusammen mit einem Zeitstempel und den Positionsdaten Radius r, Drehwinkel Φ und Höhe h abgespeichert. Dies wird für jede zu erfassende Stützstelle im Prozessbehälter (ri, Φi, hi) wiederholt. Auf diese Weise werden N Stützstellen für das Geschwindigkeitsfeld des Reaktors erfasst. Durch dreidimensionale Interpolation zwischen den gemessenen Feldpunkten kann das Geschwindigkeitsfeld dann auch für die nicht vermessenen Räume bestimmt werden.The tracers are distributed with the surrounding process medium in the reactor and represent the prevailing flows. During the passage of the tracer particles through the detectors at the positioned measuring probe, the local velocity vectors (v n, v .phi..sub.i, v hi, with i = 1 ... N) is detected and, together with a time stamp and the position data of radius r, rotational angle Φ and Height h stored. This is repeated for each interpolation point to be detected in the process vessel (r i , Φ i , h i ). In this way N support points for the velocity field of the reactor are detected. By three-dimensional interpolation between the measured field points, the velocity field can then also be determined for the non-measured spaces.

Optionale VerweilzeitbestimmungOptional residence time determination

Am Austritt 3 des Prozessbehälters, werden die Partikel dann von einem nachgeschalteten Detektor 11 im Rohrquerschnitt erfasst. Jedem detektiertem Partikel wird ein Zeitstempel zugeordnet, wodurch ein Verweilzeitspektrum mit ereignisabhängiger Zeitauflösung gebildet wird. Dadurch wird die Datendichte des Verweilzeitspektrums automatisch an zeitliche Veränderungen der Tracerkonzentration angepasst.At the exit 3 of the process container, the particles are then from a downstream detector 11 detected in the pipe cross-section. Each detected particle is assigned a time stamp, whereby a dwell time spectrum with event-dependent time resolution is formed. As a result, the data density of the residence time spectrum is automatically adapted to changes over time in the tracer concentration.

Zur Erfassung der Verweilzeit der metallbasierten Tracer wird ein Verweilzeitdetektor 11 am Rohrquerschnitt des Reaktoraustritts 3, der meist als Tauchrohr mit horizontalem Überlauf realisiert ist, verwendet. Der Verweilzeitdetektor 11 besteht aus einer Spulenanordnung, die vor allem für große Rohrquerschnitte > 100 mm bis 1000 mm verwendet werden kann. Die den Austritt 3 passierenden Tracer werden von der Spulenanordnung erfasst und das resultierende Messsignal in Echtzeit ausgewertet. Hierbei wird jedes Tracerpartikel inklusiver eventuell parallel passierender Tracer mit einem individuellen Zeitstempel berücksichtigt. Das Verweilzeitspektrum kann damit direkt automatisiert erfasst werden, wodurch aufwendige Laboranalysen entfallen. Durch die Erfassung jedes Tracers am Austritt wird die Datendichte des Verweilzeitspektrums gegenüber herkömmlichen Methoden zur Verweilzeiterfassung erhöht. Schwankungen des Füllstandes im Rohr haben auf Grund der niedrigen Frequenz des Trägersignales einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Messsignal. Die Größe des Abstandes bestimmt sich durch die Art und Größe der verwendeten Tracer.To record the residence time of the metal-based tracer is a residence time detector 11 at the pipe cross-section of the reactor outlet 3 , which is mostly realized as a dip tube with horizontal overflow used. The residence time detector 11 consists of a coil arrangement, which can be used especially for large pipe cross sections> 100 mm to 1000 mm. The exit 3 passing tracers are detected by the coil assembly and evaluated the resulting measurement signal in real time. In this case, each tracer particle including possibly parallel tracers is taken into account with an individual time stamp. The residence time spectrum can thus be recorded directly automated, eliminating the need for laborious laboratory analysis. Detecting each tracer at the exit increases the data density of the residence time spectrum over conventional residence time detection methods. Fluctuations in the level in the pipe have a negligible influence on the measuring signal due to the low frequency of the carrier signal. The size of the distance is determined by the type and size of the tracer used.

Wenn die auf ferromagnetischen Stoffen basierende Tracer den Detektor 11 passiert haben, können diese durch einen elektromagnetischen Filter 12 vom Prozessmedium getrennt und zurück gewonnen werden.When the ferromagnetic-based tracer is the detector 11 These can happen through an electromagnetic filter 12 separated from the process medium and recovered.

Erzeugte Vorteile oder Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik: Generated advantages or improvements over the prior art:

Ein Hauptvorteil ist der geringe Instrumentierungs- und Installationsaufwand bei Verwendung beweglicher Messlanzen gegenüber einer Vielzahl fest im Prozessbehälter vorhandenen Messgeräte und die Erfassung eines räumlichen Strömungsprofiles. Die lokale Geschwindigkeit kann bei fester Positionierung einer Messlanze ermittelt werden.A major advantage is the low instrumentation and installation effort when using moving measuring lances compared to a variety of existing in the process vessel measuring instruments and the detection of a spatial flow profile. The local speed can be determined with fixed positioning of a measuring lance.

Ein weiterer Vorteil ist die mögliche online-Erfassung des Verweilzeitspektrums ohne notwendige Probenentnahme am Ausgang des Prozessbehälters und anschließender Laboranalyse. Die Datendichte des Verweilzeitspektrums ist ereignisorientiert, und damit können präzisere Korrelationen zu Verweilzeitmodellen als bei den auf Probennahme basierten Messmethoden mit festen und meist langen Messintervallen erzielt werden.Another advantage is the possible online recording of the residence time spectrum without the need for sampling at the outlet of the process vessel and subsequent laboratory analysis. The data density of the residence time spectrum is event-oriented, and thus more precise correlations to retention time models than with the sampling methods based on fixed and usually long measurement intervals can be achieved.

Die Verwendung von Tracern mit unterschiedlicher Partikelgröße ermöglicht eine getrennte Bestimmung.The use of tracers with different particle sizes allows a separate determination.

Die Ermittlung mehrerer gleichzeitig den Detektor passierender Partikel durch entsprechende Signalanalyse (multiple Schwellwerte und/oder lokale Maxima) ist möglich.The determination of several particles passing through the detector at the same time by corresponding signal analysis (multiple thresholds and / or local maxima) is possible.

Bei der Verwendung von diskreten Tracern können diese am Ausgang aus dem Prozessmedium gefiltert und zurück gewonnen werden. Die diskreten Metallpartikel sind chemisch inert und unterliegen keinem Verdünnungseffekt wie andere Tracer. Daher können sie auch einzeln zum Verweilzeitspektrum beitragen. Das Trägersignal ist niederfrequent, vorzugsweise mit Frequenzen unter 10 kHz, damit die Messung nicht durch Inhomogenitäten in den Prozessmedien und Füllstandsschwankungen im Detektorquerschnitt gestört wird.When discrete tracers are used, they can be filtered at the output from the process medium and recovered. The discrete metal particles are chemically inert and have no dilution effect like other tracers. Therefore, they can also contribute individually to the residence time spectrum. The carrier signal is low-frequency, preferably with frequencies below 10 kHz, so that the measurement is not disturbed by inhomogeneities in the process media and level fluctuations in the detector cross-section.

Vorteilhafte weitere Ausführungsformen:Advantageous further embodiments:

Durch Modifikation der Messlanzentechnologie, ist auch eine stationäre Erfassung der lokalen Geschwindigkeit durch fest installierte Lanzen möglich. Dies ist besonders bei der Messung nahe den Aktionsradien von Rührwerken oder in potentiellen Totzonen/Kurzschlussströmungen denkbar.By modifying the measuring lance technology, a stationary recording of the local speed by means of permanently installed lances is also possible. This is particularly conceivable when measuring near the action radii of agitators or in potential dead zones / short-circuit currents.

Die Ausgestaltung der lokalen Geschwindigkeitsmessung kann alternativ zur Metalldetektion auch über Flüssigtracer und elektrische Oberflächen- oder Streulichtsensoren erfolgen Eine Abwandlung des Gittersensors ist der Oberflächenleitfähigkeitssensor, der in Verbindung mit einem lokal injizierten Flüssigtracer (Deionat) für eine lokale Geschwindigkeitsmessung geeignet wäre. Gleichermaßen können optische Streulichtsensoren lokal eingesetzt werden. Liste der Bezugszeichen 1 Reaktorbehälter 2 Zulauf mit Vorlage und Zulauf am Behälterboden 3 Ablauf/Austritt 4 Messlanze mit Detektoreinheiten 5, 6, 7, 8, 9 lokale Detektoreinheiten 10 Verfahreinheit mit Gestänge 11 Verweilzeitdetektor am Austritt 12 Filter für Tracer 13 Tracer 15, 16, 17 Messlanze mit Detektoreinheiten 20 Rühreinheit 25, 26, 27 Detektoren für die drei Raumachsen 28 Halterung für die Detektoren an der Messlanze (4) Si mit i = 1 ... 10 Detektoren auf der Flächendetektoreinheit Ii mit i = 1 ... 3 Injektionsdüsen Ai mit i = 1 ... 3 Anregungselektroden Ei mit i = 1 ... 8 Empfangselektroden The design of the local speed measurement can be done alternatively to the metal detection via liquid tracers and electrical surface or scattered light sensors. A modification of the grating sensor is the surface conductivity sensor, which would be suitable in connection with a locally injected liquid tracer (deionized) for a local speed measurement. Similarly, optical scattered light sensors can be used locally. List of reference numbers 1 reactor vessel 2 Inlet with feed and inlet at the bottom of the container 3 Sequence / outlet 4 Measuring lance with detector units 5 . 6 . 7 . 8th . 9 local detector units 10 Track with linkage 11 Dwell detector at the exit 12 Filter for tracers 13 tracer 15 . 16 . 17 Measuring lance with detector units 20 stirring unit 25 . 26 . 27 Detectors for the three spatial axes 28 Holder for the detectors on the measuring lance (4) S i with i = 1 ... 10 Detectors on the surface detector unit I i with i = 1 ... 3 injection nozzle A i with i = 1 ... 3 excitation electrodes E i with i = 1 ... 8 receiving electrodes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Anordnung zur Bestimmung des räumlichen Geschwindigkeitsprofils rheologischer Medien, die sich in einem Prozessbehälter befinden, dadurch gekennzeichnet, dass a. in den Prozessbehälter 1 mindestens eine Messlanze 4 mit mindestens einer lokalen Detektoreinheit 5, die mit einer externen Auswerteeinrichtung verbunden sind, eingebracht ist und b. diese Messlanze(n) 4 im dreidimensionalen Raum des Prozessbehälters bewegt werden können.Arrangement for determining the spatial velocity profile of rheological media, which are located in a process vessel, characterized in that a. in the process container 1 at least one measuring lance 4 with at least one local detector unit 5 , which are connected to an external evaluation, is introduced and b. this measuring lance (s) 4 can be moved in the three-dimensional space of the process container. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlanze 4 zusätzlich beweglich um ihre eigene Achse ausgeführt ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring lance 4 additionally movable around its own axis. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung einer Messlanze 4 auf Verfahreinheiten 10 manuell oder mit Hilfe einer Steuerung erfolgt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the movement of a measuring lance 4 on traversing units 10 done manually or with the help of a controller. Lokale Detektoreinheit 5 zur Verwendung in der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit den lokalen Geschwindigkeitsvektor erfassen kann, indem diese a. aus mindestens drei angeordneten Einzeldetektoren, wobei diese vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind, oder b. einem Detektor, der in drei Raumachsen beweglich angeordnet ist, oder c. aus mindestens zwei angeordneten Einzeldetektoren aufgebaut ist, die vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind, und die beiden Einzeldetektoren beweglich im Raum angeordnet sind.Local detector unit 5 for use in the arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the detector unit can detect the local velocity vector by a. from at least three arranged individual detectors, which are preferably arranged orthogonal to each other, or b. a detector movably arranged in three spatial axes, or c. is constructed of at least two arranged individual detectors, which are preferably arranged orthogonal to each other, and the two individual detectors are arranged movably in space. Lokaler Detektoreinheit 5 zur Verwendung in der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit aus einer flächigen Einheit besteht, auf der im zweidimensionalen Raum mehrere Detektoren in mindestens zwei Spalten nebeneinander oder nebeneinander und teilweise zueinander versetzt angeordnet sind.Local detector unit 5 for use in the arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the detector unit consists of a flat unit, on the two-dimensional space a plurality of detectors in at least two columns next to each other or side by side and partially offset from one another. Lokaler Detektoreinheit 5 zur Verwendung in der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit aus einer flächigen Oberfläche aufgebracht sind, auf der um eine Anregungselektrode mehrere Empfangselektroden angeordnet sind, und in der Nahe der Anregungselektrode, vorzugsweise in deren Mittelpunkt, der Tracer in das Prozessmedium injiziert wird.Local detector unit 5 for use in the arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the detector unit are applied from a flat surface, on which a plurality of receiving electrodes are arranged around an excitation electrode, and in the vicinity of the excitation electrode, preferably in the center, the tracer injected into the process medium. Verfahren zur Erfassung räumlicher Geschwindigkeitsprofile unter Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und lokaler Detektoren nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass a. es werden Tracer zu einem festen Zeitpunkt t0 oder innerhalb eines Zeitintervalls zum Prozessmedium zu gegeben, b. die Tracer bewegen sich in dem Prozessmedium und werden von den im Prozessmedium befindlichen Detektoren erkannt und die Position der Detektoren wird im Prozessmedium wird mitgespeichert, c. da die Detektoren mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, wird das Signal an diese gesendet und dann ausgewertet.Method for detecting spatial velocity profiles using the arrangement according to one of claims 1 to 3 and local detectors according to one of claims 4 or 6, characterized in that a. tracers are added to the process medium at a fixed time t 0 or within a time interval, b. the tracers move in the process medium and are detected by the detectors in the process medium and the position of the detectors is stored in the process medium, c. Since the detectors are connected to an evaluation unit, the signal is sent to them and then evaluated. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlanze 4 zu einem anderen Punkt auf der Verfahreinheit 10 zum Zeitpunkt tφv bewegt wird, und die Messung fortgesetzt wird.A method according to claim 7, characterized in that the measuring lance 4 to another point on the track 10 is moved at the time t φv , and the measurement is continued. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Messlanze 4 zum Zeitpunkt th in der Höhe verändert wird und die Messung fortgesetzt wird.A method according to claim 7, characterized in that the arrangement of the measuring lance 4 is changed in height at the time t h and the measurement is continued. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlanze 4 zum Zeitpunkt tM um ihre Längsachse gedreht wird, und die Messung fortgesetzt wird.A method according to claim 7, characterized in that the measuring lance 4 at time t M is rotated about its longitudinal axis, and the measurement is continued. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbar geladerte Detektoreinheit 5 ... 9 zum Zeitpunkt tΦ an der Messlanze 4 gedreht wird, und die Messung fortgesetzt wird.A method according to claim 7, characterized in that the rotatably loaded detector unit 5 ... 9 at the time t Φ at the measuring lance 4 is rotated, and the measurement is continued. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder eine oder alle Detektoren i der Detektoreinheit einzeln für sich im Raum gedreht werden und die Messung fortgesetzt wird.A method according to claim 5, characterized in that one or all or all detectors i of the detector unit are rotated individually in space and the measurement is continued. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Messlanze ein Tracer, vorzugsweise ein Flüssigkeitstracer, in das Prozessmedium injiziert wird.A method according to claim 7, characterized in that in the vicinity of the measuring lance a tracer, preferably a liquid tracer, is injected into the process medium. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei im Anschluss an die Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils am Ausgang des Prozessbehälters das Verweilzeitspektrum mit den Tracern zur Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils ermittelt werden kann, indem die Tracer beim Passieren des Ausgangs gezählt werden. Method according to one of claims 7 to 13, wherein subsequent to the determination of the velocity profile at the output of the process container, the dwell time spectrum can be determined with the tracers for determining the velocity profile by the tracers are counted when passing the exit.
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