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
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Abstract
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
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
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
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
Beschreibung der AusführungsartenDescription of the embodiments
Anordnungarrangement
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer oder mehreren Messlanzen
Die Messlanze
In einer erfindungsgemäßen Anordnung bestehen die an der Messlanze angebrachten Detektoreinheiten
Die Detektoreinheit
Die Messlanze
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
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.
Die Verwendung nur einer Detektoreinheit
Verfahren method
Zur lokalen Geschwindigkeitsmessung an den Detektoren
Im laufenden Prozessbetrieb wird eine definierte Menge der Tracer
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
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
Zur Erfassung der Verweilzeit der metallbasierten Tracer wird ein Verweilzeitdetektor
Wenn die auf ferromagnetischen Stoffen basierende Tracer den Detektor
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20121117 |