DE102014118649B3

DE102014118649B3 - Anordnung und Verfahren zur Dispersionsmessung sowie Mehrphasenapparat mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102014118649B3
Application number: DE102014118649.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hampel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Dispersionsmessung sowie einen Mehrphasenapparat mit einer solchen Anordnung, wobei die Anordnung zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase beim Durchlaufen eines Strömungsweges innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase vorgesehen ist und zum Durchführen folgender Schritte ausgebildet ist: Zuführen eines Stoffstromes der ersten Phase in die zweite Phase an einer Zuführposition zur Ausbildung eines Gemischs mit der ersten Phase und der zweiten Phase, wobei der Stoffstrom der ersten Phase mit einem vorgegebenen Zuführstrom-Zeitverlauf moduliert wird; Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Messsignals, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an einer stromabwärts der Zuführposition angeordneten Messposition repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf; und Charakterisieren der Dispersion der ersten Phase basierend auf dem Messsignal-Zeitverlauf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Charakterisieren der Dispersion einer ersten Phase in einer zweiten Phase, insbesondere zur Messung entsprechender Dispersphasentransportparameter. Zudem betrifft die Erfindung einen zum Verarbeiten eines Phasengemischs vorgesehenen Mehrphasenapparat mit einer solchen Anordnung.
In vielen Bereichen, z.B. zum Beschreiben von Transport- und Vermischungsvorgängen in mehrphasigen Systemen, ist die Kenntnis des Dispersionsverhaltens einer in einer kontinuierlichen Phase dispergierten weiteren Phase relevant. So werden z.B. in der Prozessindustrie viele Operationen, wie z.B. Reaktion und Stofftrennung, in Mehrphasenapparaten durchgeführt. Bei deren Auslegung sind die in den Apparaten ablaufenden Strömungsprozesse, auch als Hydrodynamik bezeichnet, modellhaft zu berücksichtigen.
Ein grundlegendes Modell zur Beschreibung von Transportvorgängen und Vermischungsvorgängen, z.B. in Mehrphasenapparaten, ist das axiale Dispersionsmodell. Es geht als Abstraktion davon aus, dass der zu verarbeitende fluide Stoffstrom einen Strömungskanal mit einer gleichförmigen mittleren Geschwindigkeit u durchläuft. Bei einem Kanal der Länge L ergibt sich demgemäß eine mittlere Verweilzeit des Stoffes in dem Kanal von t _V = L/u. Durch die Strömungscharakteristik (z.B. Rückströmungen) im Kanal werden jedoch einzelne Fluidelemente des Stoffstroms auf ihrem Weg verlangsamt oder beschleunigt, so dass ihre Verweilzeit von der mittleren Verweilzeit abweicht. Dieser Prozess wird als Dispersion bezeichnet, wobei er im Folgenden – zur besseren Unterscheidbarkeit von „Dispersion“ im Sinne der Ausbildung eines heterogenen Gemenges – auch als Verweilzeit-Dispersion bezeichnet wird. Er äußert sich in einer breiten Verweilzeitverteilung.
Das axiale Dispersionsmodell kann z.B. zur Charakterisierung von Transportvorgängen bei einphasigen Strömungen verwendet werden. Würde man zu genau einem vorgegebenen Zeitpunkt alle Fluidelemente des Stoffstromes am Eingang des Strömungskanals geeignet markieren und deren Ankunftsverteilung an unterschiedlichen Positionen entlang des Strömungsweges (und z.B. am Ausgang des Strömungskanals) messen, so würde die in der 1 dargestellte Funktion c(t) die zeitliche Häufigkeitsverteilung beschreiben, welche die relative Häufigkeit von markierten Fluidelementen an einer axialen Position z des Strömungskanals zur Zeit t beschreibt (wobei der Eingang bzw. Anfang des Strömungskanals bei z = 0 liegt und die Strömung entlang der positiven z-Richtung erfolgt). Das zeitliche Verbreitern der am Eingang des Strömungskanals (d.h. bei z = 0) scharfen Häufigkeitsverteilung wird durch den Dispersionskoeffizienten E beschrieben.
Es ist bekannt, die Transportparameter (also die mittlere Geschwindigkeit u und den Dispersionskoeffizienten E) mittels Tracermethoden zu bestimmen. Dazu wird ein Fluidvolumen am Eingang des Strömungskanals oder Prozessapparates geeignet mit einem Tracer markiert. Durch Konzentrationsmessung des Tracerstoffes an unterschiedlichen axialen Positionen des Strömungskanals können dann die in der 1 gezeigte Häufigkeitsverteilung c(t) und daraus die gesuchten Parameter u und E ermittelt werden. Üblicherweise werden als Tracer radioaktive oder fluoreszieren Stoffe eingesetzt, so dass die Tracerkonzentration mittels Messung der Emissionsstärke bzw. Stärke des Signals bei angeregter Fluoreszenz direkt am oder im Strömungskanal bzw. Prozessapparat oder auch über Probenahme bestimmt werden kann. Für die Messung der Gasphasendispersion werden üblicherweise radioaktive Gase verwendet, die dem Eingangsgasstrom zugegeben werden. Die Quantifizierung der Tracerstoffe erfolgt dann mittels geeigneter Strahlungsdetektoren. Alternativ lässt sich dem Gasstrom ein Fremdgas beimischen, welches über Probenahme und Gasanalytik in seiner Konzentration vermessen werden kann.
Derartige tracerbasierte Verfahren haben jedoch allesamt den Nachteil, dass mit dem Tracerstoff ein Fremdstoff in das System eingebracht werden muss. Dies erfordert zum einen eine oft erhebliche technische Intervention in das Prozesssystem, weil zusätzliche Zuleitungen, Dosierstellen, Einspeisemodule oder Probenahmetechniken erforderlich sind. Oft ist es aus prozesstechnischen Gründen absolut unmöglich, einen Fremdstoff in das System einzutragen, weil dieser in irgendeiner Form den Prozess bzw. den Prozessablauf unzulässig beeinflusst.
Das axiale Dispersionsmodell kann zudem zum Charakterisieren mehrphasiger Strömungen verwendet werden, z.B. zum Beschreiben von Vermischungsvorgängen in Mehrphasensystemen. Für den Fall einer Strömung einer ersten Phase (z.B. Gasblasen) innerhalb einer zweiten Phase (z.B. einer Flüssigkeit) wird in 1 durch c die Konzentration der ersten Phase in der zweiten Phase beschrieben, wobei aufgrund der Dispersion die in 1 veranschaulichte Verteilung c(t) die Konzentrationsverteilung der ersten Phase an unterschiedlichen Positionen z entlang des Strömungskanals darstellt. Bei der Charakterisierung der Dispersion der ersten Phase beim Durchlaufen eines Strömungsweges innerhalb der zweiten Phase bezeichnet u die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der ersten Phase und E den Dispersionskoeffizienten der ersten Phase. Im Falle des Vorliegens einer dispersen ersten Phase innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase stellen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit u und der Dispersionskoeffizient E die Dispersphasen-Transportparameter dar.
Auch bei der Ermittlung der Dispersphasen-Transportparameter einer in einer kontinuierlichen Phase dispergierten Dispersphase würde die Verwendung von Tracerstoffen die oben erläuterten Nachteile mit sich bringen.
Die AT 376 043 B beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Regeln der Volumenanteile miteinander nicht mischbarer Flüssigkeiten in einer gerührten oder pulsierten Dispersion mittels Gegenstromextraktionskolonnen, wobei in einer Kolonne eine erste Flüssigkeit mittels Rührens oder Pulsation in einer als kontinuierliche Phase vorliegenden zweiten Flüssigkeit dispergiert wird, eine vom Volumenanteil der dispergierten Flüssigkeit abhängige Messgröße erfasst wird, und mittels Änderns der Rühr- oder Pulsationsgeschwindigkeit der Volumenanteil der dispergierten Flüssigkeit auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt wird.
Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase in einer kontinuierlichen zweiten Phase bereitgestellt, mittels derer auf einfache Art und Weise ohne Verwendung von Tracern ein zuverlässiges Erfassen der Dispersion ermöglicht ist. Zudem wird ein Mehrphasenapparat, d.h. ein zum Verarbeiten eines Gemischs mit mindestens einer ersten Phase und einer zweiten Phase als Bestandteilen vorgesehener Apparat, mit einer derartigen Anordnung bereitgestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase beim Durchlaufen eines Strömungsweges (z.B. in Form eines Strömungskanals) innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase bereitgestellt. Die erste Phase durchläuft den Strömungsweg in einer vorgegebenen Strömungsrichtung, wobei sich im Folgenden die Angaben „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ auf diese Strömungsrichtung beziehen.
Die disperse erste Phase durchläuft innerhalb der kontinuierlichen zweiten Phase den Strömungsweg, wobei vorgesehen sein kann, dass die erste Phase relativ zu der zweiten Phase strömt oder dass das Gemisch mit der ersten und der zweiten Phase als Bestandteilen in seiner Gesamtheit strömt. Demgemäß kann also z.B. eine Konfiguration derart vorgesehen sein, dass die disperse erste Phase innerhalb der kontinuierlichen zweiten Phase durch dieselbe hindurch strömt, wobei die erste Phase strömt und die zweite Phase stationär ist und somit nicht strömt. Als ein anderes Beispiel kann eine Konfiguration derart vorgesehen sein, dass sowohl die erste als auch die zweite Phase strömen, wobei die erste Phase dieselbe Strömungsgeschwindigkeit wie die zweite Phase oder eine andere Strömungsgeschwindigkeit als die zweite Phase aufweisen kann.
Die Anordnung weist eine Zuführeinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass von ihr an einer Zuführposition ein Stoffstrom der ersten Phase in die zweite Phase zugeführt bzw. eingeleitet werden kann. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Anordnung eine Aufnahme (z.B. einen Behälter oder eine Strömungsführung) zum Aufnehmen eines Volumens der zweiten Phase aufweist, und dass die Zuführeinrichtung eine in die Aufnahme mündende Zuführung zum Einbringen der ersten Phase in die Aufnahme und somit auch in die zweite Phase aufweist. Der Strömungsweg kann z.B. von bzw. in der Aufnahme ausgebildet sein.
Indem die erste Phase der zweiten Phase zugeführt wird, kann das Gemisch mit der ersten und der zweiten Phase als Bestandteilen ausgebildet werden. Die erste Phase kann z.B. eine gasförmige, flüssige oder feste Phase sein. Die zweite Phase kann z.B. eine fluide, d.h. gasförmige oder flüssige, Phase sein. Die Stoffe bzw. Materialien der ersten und der zweiten Phase sind derart, dass das Gemisch eine Dispersion darstellt, wobei die erste Phase dispergiert in der zweiten Phase als kontinuierlicher Phase vorliegt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Gemisch ausschließlich aus der ersten und der zweiten Phase besteht (d.h. keine weiteren Bestandteile aufweist). Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Gemisch neben der ersten und der zweiten Phase weitere Bestandteile bzw. Phasen aufweist. So kann das Gemisch z.B. eine Dreiphasenströmung sein. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Phase denselben Aggregatzustand aufweist wie die zweite Phase. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Phase einen anderen Aggregatzustand aufweist als die zweite Phase. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die erste Phase eine gasförmige Phase ist und die zweite Phase eine flüssige Phase ist.
Die Zuführeinrichtung ist derart ausgebildet, dass von ihr (bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Anordnung) der der zweiten Phase zugeführte Stoffstrom der ersten Phase mit einer vorgegebenen zeitlichen Modulation bzw. Variation beaufschlagt wird. Mittels der Zuführeinrichtung wird somit der zugeführte Stoffstrom der ersten Phase mit einem vorgegebenen Zuführstrom-Zeitverlauf ausgebildet.
Die Zuführeinrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass von ihr der der zweiten Phase zuzuführende Stoffstrom der ersten Phase wellenförmig moduliert wird, wobei der Stoffstrom der ersten Phase insbesondere zeitlich periodisch, bevorzugt harmonisch (z.B. sinusförmig), moduliert werden kann. Die Zuführeinrichtung kann somit z.B. zum Modulieren des Stoffstromes der ersten Phase derart ausgebildet sein, dass der Zuführstrom-Zeitverlauf wellenförmig ist, insbesondere periodisch, z.B. harmonisch. Der der zweiten Phase zuzuführende Stoffstrom der ersten Phase wird auch als Zuführstrom bezeichnet.
Die Anordnung weist zudem mindestens eine Messeinrichtung auf, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihr ein zeitlicher Verlauf eines Messsignals, das den an einer stromabwärts der Zuführposition angeordneten Messposition vorliegenden Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf erfassbar ist.
Der Begriff „Gehalt“ kann insbesondere eine absolute oder relative Mengenangabe bezeichnen. Als absolute Mengenangabe können z.B. die Masse, das Volumen oder die Stoffmenge fungieren. Als relative Mengenangabe kann z.B. die Konzentration bzw. der Anteil (z.B. bezogen auf die Masse, das Volumen oder die Stoffmenge) fungieren. Die erfindungsgemäße Anordnung kann somit insbesondere zur Messung von Dispersphasen-Transportparametern, z.B. in Prozessapparaten oder Fluidtransportsystemen, mittels einer Konzentrationsmodulationsmethode vorgesehen sein.
Des Weiteren weist die Anordnung eine Auswerteeinrichtung auf, die mit der Messeinrichtung verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass von ihr basierend auf dem mittels der Messeinrichtung erfassten Messsignal-Zeitverlauf die Dispersion der ersten Phase ermittelbar (z.B. berechenbar) ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln (z.B. Berechnen) eines oder mehrerer Dispersphasen-Transportparameter (z.B. der mittleren Strömungsgeschwindigkeit u und/oder des Dispersionskoeffizienten E der ersten Phase beim Durchlaufen des Strömungsweges) ausgebildet ist.
Der an der Zuführposition gemäß dem Zuführstrom-Zeitverlauf vorgegebene zeitliche Verlauf des Gehalts der ersten Phase verändert sich beim Durchströmen des Strömungsweges aufgrund der Verweilzeit-Dispersion der ersten Phase, sodass der an der Messposition erfasste Messsignal-Zeitverlauf eine andere zeitliche Charakteristik aufweist als der Zuführstrom-Zeitverlauf. Der Messsignal-Zeitverlauf enthält somit Informationen über die beim Durchlaufen des Strömungsweges auftretende Verweilzeit-Dispersion der ersten Phase, sodass er zur Ermittlung derselben herangezogen werden kann.
Indem durch die Erfindung die Dispersion der ersten Phase mittels Auswertens des aufgrund der Dispersion variierten modulierten Zeitverlaufs des Gehalts der ersten Phase erfasst werden kann, kann insbesondere zur Bestimmung der Dispersion der ersten Phase auf die Verwendung von Tracerstoffen verzichtet werden. Somit können die Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Verwendung eines Tracerstoffs realisiert werden.
Diesbezüglich bilden in Abgrenzung zur Erfindung Tracerstoffe, die zum Erfassen der Dispersion einer strömenden Fluidphase beim Durchlaufen eines Strömungsweges vorgesehen sind, insbesondere keine zu dieser Fluidphase separate Phase (denn andernfalls wären die Tracerstoffe nicht dazu geeignet, das Strömungsverhalten der zu charakterisierenden Phase widerzugeben, sie wären mithin nicht als Tracerstoffe geeignet).
Des Weiteren kann der gemäß der Erfindung vorliegende Anteil der ersten Phase an dem Gemisch (wesentlich) höher sein als der Tracergehalt bei herkömmlichen tracerbasierten Verfahren. Diesbezüglich kann z.B. vorgesehen sein, dass der Gehalt der ersten Phase an dem Gemisch mindestens 5 %, bevorzugt mindestens 10 %, des Gehalts der zweiten Phase an dem Gemisch beträgt. Alternativ kann z.B. vorgesehen sein, dass der Gehalt der ersten Phase an dem Gemisch mindestens 5 %, bevorzugt mindestens 10 %, beträgt. So kann z.B. vorgesehen sein, dass für industrielle Blasensäulen der in Form der Gasphase vorliegende Dispersphasengehalt zwischen 5% und 20% beträgt. Ganz allgemein kann der Gehalt der dispergierten Phase jedoch einen Wert von nahe Null bis zu der physikalischen Grenze, an der die Dispersion durch Koaleszenz zusammenbricht, aufweisen. Die Gehaltsangaben können z.B. den Anteil der jeweiligen Phase bezogen auf die Größen Masse, Volumen oder Stoffmenge angeben.
Das Gemisch mit der ersten und der zweiten Phase kann z.B. ein zur Prozessierung mittels eines Mehrphasenapparates vorgesehenes Gemisch sein, wobei mittels der erfindungsgemäßen Anordnung die Dispersion der ersten Phase während des Durchlaufens eines Strömungsweges innerhalb des Mehrphasenapparats ermittelt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird dementsprechend ein Mehrphasenapparat bereitgestellt, der zum Verarbeiten bzw. Prozessieren (z.B. Umsetzen, Vermischen, Entmischen, Transportieren oder zur Reaktion bringen) eines solchen Gemischs mit einer dispersen ersten Phase und einer kontinuierlichen zweiten Phase als Bestandteilen derart ausgebildet ist, dass die erste Phase in dem Mehrphasenapparat einen vorgegebenen Strömungsweg (z.B. Strömungskanal) innerhalb der zweiten Phase durchläuft. Der Mehrphasenapparat weist zum Ausbilden des Gemischs und Ermitteln der Dispersion der ersten Phase beim Durchlaufen des Strömungsweges in der zweiten Phase die erfindungsgemäße Anordnung auf, wobei die Anordnung z.B. zumindest teilweise integral mit dem Mehrphasenapparat ausgebildet sein kann. So kann z.B. die Aufnahme, mittels derer der Strömungsweg ausgebildet ist, Bestandteil des Mehrphasenapparats sein.
Demgemäß fungieren die erste Phase und die zweite Phase als mittels des Mehrphasenapparates zu prozessierende Prozessstoffe (z.B. Ausgangsstoffe), wobei die Dispersion des in Form der ersten Phase vorliegenden Prozessstoffes ohne Verwendung eines Tracerstoffes oder anderer Fremdstoffe ermittelt werden kann.
Der Mehrphasenapparat kann insbesondere zum verfahrenstechnischen Prozessieren des Gemischs ausgebildet und vorgesehen sein, kann also insbesondere ein verfahrenstechnischer Apparat sein. Der Mehrphasenapparat kann z.B. ein Prozessapparat zum (z.B. modifizierenden) Verarbeiten des Gemischs oder ein Fluidtransportapparat bzw. Fluidtransportsystem zum Transportieren des Gemischs sein.
Bei Mehrphasenapparaten ist der zu prozessierende Stoffstrom ein fluides Gemisch mit unterschiedlichen Phasen, die gegeneinander Phasengrenzen ausbilden. Dies ist z.B. bei einer Gas-Flüssigkeits-Strömung (z.B. in einem Blasensäulenreaktionsapparat), einer Gas-Feststoff-Strömung (z.B. in einem Wirbelschichtreaktor), einer Flüssigkeits-Feststoff-Strömung (z.B. in einem Bioreaktor mit Feststoffanteil) oder einer Dreiphasenströmung (z.B. in einer Suspensionsblasensäule) der Fall. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf solche Apparate. Sie wird vorliegend allgemeingültig für den Fall beschrieben, dass im Strömungskanal bzw. Strömungsweg eine kontinuierliche und eine darin dispergierte Phase transportiert werden. Ein illustratives Beispiel ist die Einspeisung von Gas (als erster Phase) in eine Flüssigkeitssäule (als zweiter Phase), etwa bei einem Blasensäulenreaktor. In diesem Fall sind die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit und die Dispersion der Gasphase im Blasensäulenapparat von Interesse. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auf andere Strömungsarten mit mindestens einer Dispersphase übertragbar ist.
Der Mehrphasenapparat kann derart ausgebildet sein, dass der in die zweite Phase einzuleitende Stoffstrom der ersten Phase einen prozesstechnisch vorgegebenen Nominalwert bzw. Sollwert aufweist. Diesbezüglich kann die Anordnung zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase in dem Mehrphasenapparat derart ausgebildet sein, dass die (maximale) Abweichung des modulierten Zuführstromes der ersten Phase von dem Nominalwert klein ist gegenüber dem Nominalwert. Bei einem wellenförmigen (z.B. harmonischen) Zuführstrom-Zeitverlauf kann z.B. vorgesehen sein, dass der Zuführstrom um den Nominalwert herum variiert wird, wobei die Amplitude der Modulation kleiner ist als 5 %, bevorzugt kleiner als 1 %, des prozesstechnisch vorgegebenen Nominalwertes. Dadurch kann die Beeinflussung des verfahrenstechnischen Ablaufs durch die Modulation gering gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung eines Referenz-Zeitverlaufs ausgebildet, wobei der Referenz-Zeitverlauf einen zeitlichen Verlauf des an einer Referenzposition vorliegenden Gehalts der ersten Phase in dem Gemisch repräsentiert. Die Referenzposition ist in dem Strömungsweg angeordnet und von der Messposition verschieden, befindet sich also stromaufwärts oder stromabwärts der Messposition in dem Strömungsweg.
Der Messsignal-Zeitverlauf und der Referenz-Zeitverlauf spiegeln den zeitlichen Verlauf des Gehalts der ersten Phase an unterschiedlichen Positionen des von der ersten Phase durchlaufenen Strömungsweges wider. Die zeitlichen Charakteristiken des Messsignal-Zeitverlaufs und des Referenz-Zeitverlaufs unterscheiden sich aufgrund der mit dem Durchlaufen der Strömungsstrecke zwischen der Messposition und der Referenzposition einhergehenden Verweilzeit-Dispersion der ersten Phase. Der Unterschied der zeitlichen Charakteristiken dieser beiden Zeitverläufe spiegelt somit die Verweilzeit-Dispersion der ersten Phase wider, sodass unter Einbeziehung sowohl des Messsignal-Zeitverlaufs als auch des Referenz-Zeitverlaufs die Verweilzeit-Dispersion der ersten Phase ermittelbar ist. Die Auswerteeinheit kann z.B. zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase mittels Vergleichens des Messsignal-Zeitverlaufs mit dem Referenz-Zeitverlauf ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Referenzposition durch die Zuführposition gegeben und der Referenz-Zeitverlauf durch den Zuführstrom-Zeitverlauf gegeben. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung also zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung des Messsignal-Zeitverlaufs und des Zuführstrom-Zeitverlaufs ausgebildet, z.B. mittels Vergleichens des stromabwärts der Zuführposition erfassten Messsignal-Zeitverlaufs mit dem an der Zuführposition vorliegenden Zuführstrom-Zeitverlauf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich dazu die Messeinrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr für mindestens eine weitere Messposition (zur besseren Unterscheidbarkeit von der zuvor eingeführten Messposition auch als „Referenz-Messposition“ bezeichnet) ein zeitlicher Verlauf eines Messsignals, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an der Referenz-Messposition repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf (auch als „Referenzsignal-Zeitverlauf“ bezeichnet) erfassbar ist. Die Referenz-Messposition ist stromabwärts der Zuführposition angeordnet, und zwar stromaufwärts oder stromabwärts der Messposition. Demgemäß kann mittels der Messeinrichtung zusätzlich zu dem Messsignal-Zeitverlauf, der einen zeitlichen Verlauf des an der Messposition vorliegenden Gehalts der ersten Phase in dem Gemisch repräsentiert, ein Referenzsignal-Zeitverlauf, der einen zeitlichen Verlauf des an der Referenz-Messposition vorliegenden Gehalts der ersten Phase in dem Gemisch repräsentiert, erfasst werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist somit die Referenzposition durch die Referenz-Messposition gegeben und der Referenz-Zeitverlauf durch den Referenzsignal-Zeitverlauf gegeben, sodass die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung des Messsignal-Zeitverlaufs und des Referenzsignal-Zeitverlaufs ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Messsignal-Zeitverlauf und der Referenzsignal-Zeitverlauf zeitgleich oder zeitversetzt erfasst werden. Insbesondere bei Vorliegen stationärer (d.h. zeitlich unveränderlicher) Strömungsverhältnisse müssen der Messsignal-Zeitverlauf und der Referenzsignal-Zeitverlauf nicht zeitgleich erfasst werden, sondern können zeitversetzt erfasst werden. Die Messeinrichtung kann demgemäß zum zeitgleichen oder zeitversetzten Erfassen des Messsignal-Zeitverlaufs und des Referenzsignal-Zeitverlaufs ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Anordnung derart ausgebildet, dass die mindestens eine Messeinrichtung entlang des Strömungsweges bewegbar ist. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung mittels einer Traversiervorrichtung der Anordnung entlang des Strömungsweges verfahrbar ist.
Indem die Messeinrichtung entlang des Strömungsweges bewegbar ist, kann die Messposition der Messeinrichtung entlang des Strömungsweges bewegt werden, sodass z.B. mittels der Messeinrichtung in einem ersten Zeitintervall an einer ersten Messposition ein Messsignal-Zeitverlauf erfasst werden kann, anschließend die Messeinrichtung entlang des Strömungsweges versetzt werden kann und in einem zweiten Zeitintervall an einer als Referenz-Messposition fungierenden zweiten Messposition ein Referenzsignal-Zeitverlauf erfasst werden kann. Der Messsignal-Zeitverlauf repräsentiert einen zeitlichen Verlauf des Gehalts der ersten Phase an der ersten Messposition, der Referenzsignal-Zeitverlauf repräsentiert einen zeitlichen Verlauf des Gehalts der ersten Phase an der (als Referenz-Messposition fungierenden) zweiten Messposition. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Messeinrichtung somit insbesondere zum zeitversetzten Erfassen des Messsignal-Zeitverlaufs und des Referenzsignal-Zeitverlaufs ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Messeinrichtung mehrere (d.h. mindestens zwei) Messeinheiten auf, die an unterschiedlichen Längspositionen bzw. axialen Positionen entlang des Strömungsweges angeordnet sind. Jede der Messeinheiten ist zum Erfassen eines Messsignals ausgebildet, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an der Position der jeweiligen Messeinheit repräsentiert, wobei die Messeinrichtung ferner zum Erfassen der zeitlichen Verläufe dieser Messsignale ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform weist die mindestens eine Messeinrichtung somit mindestens eine erste Messeinheit, die an der Messposition angeordnet ist und zum Erfassen des Messsignal-Zeitverlaufs ausgebildet ist, und eine zweite Messeinheit, die an der Referenz-Messposition angeordnet ist und zum Erfassen des Referenzsignal-Zeitverlaufs ausgebildet ist, auf. Demgemäß können der Messsignal-Zeitverlauf und der Referenzsignal-Zeitverlauf sowohl zeitgleich als auch zeitversetzt erfasst werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Anordnung mehrere (d.h. mindestens zwei) Messeinrichtungen aufweist, wobei jede dieser Messeinrichtungen wie vorstehend erläutert ausgebildet sein kann.
Vorstehend wurde von der Referenzposition, dem Referenz-Zeitverlauf, der Referenz-Messposition und dem Referenzsignal-Zeitverlauf in der Einzahl gesprochen. Es können jedoch mehrere derartige Referenz-Zeitverläufe vorgesehen sein, wobei jeder der Referenz-Zeitverläufe einen zeitlichen Verlauf des an einer von mehreren Referenzpositionen vorliegenden Gehalts der ersten Phase in dem Gemisch repräsentiert. Demgemäß kann die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Referenz-Zeitverläufe ausgebildet sein.
Analog dazu können mehrere unterschiedliche Referenz-Messpositionen vorgesehen sein, wobei jede derartige Referenz-Messposition stromabwärts der Zuführposition sowie stromaufwärts oder stromabwärts der Messposition angeordnet ist. Die Messeinrichtung kann dementsprechend zum Erfassen mehrerer Referenzsignal-Zeitverläufe ausgebildet sein, wobei jeder der Referenzsignal-Zeitverläufe einen zeitlichen Verlauf eines Messsignals repräsentiert, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an einer der Referenz-Messpositionen repräsentiert. Demgemäß kann auch die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Referenzsignal-Zeitverläufe ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist die mindestens eine Messeinrichtung mindestens eine Bestrahlungseinrichtung auf, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihr das Gemisch (an einer jeweiligen Messposition) mit einer Strahlung derart bestrahlt werden kann, dass die Strahlung von dem Gemisch geschwächt wird (z.B. durch Absorption, Streuung und/oder Reflexion der Strahlung durch das Gemisch bzw. dessen Bestandteile). Die Strahlung kann z.B. elektromagnetische Strahlung sein, z.B. in Form von Licht, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung.
Das Gemisch weist die erste Phase und die zweite Phase als Bestandteile auf, wobei diese beiden Phasen unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Daher wird die Strahlung von der ersten und der zweiten Phase unterschiedlich stark geschwächt, sodass mit variierendem Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch auch die durch das Gemisch hervorgerufene Schwächung der Strahlung variiert. Insbesondere ist die Strahlung also derart gewählt, dass sie von der ersten und der zweiten Phase unterschiedlich stark geschwächt wird. Somit kann mittels Erfassens der Schwächung der Strahlung auch der Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch erfasst werden.
Dementsprechend weist die Anordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform mindestens eine Detektoreinrichtung auf, die zum Erfassen einer Intensität ausgebildet ist, die die Schwächung der Strahlung durch das Gemisch repräsentiert.
Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Detektoreinrichtung zum (unmittelbaren) Erfassen der Intensität der von dem Gemisch geschwächten Strahlung ausgebildet ist. Demgemäß kann vorgesehen sein, dass das Gemisch unter Schwächung von der Strahlung durchstrahlt wird und die derart geschwächte Strahlung von der Detektoreinrichtung erfasst wird.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Detektoreinrichtung zum mittelbaren Erfassen der von dem Gemisch verursachten Schwächung der Strahlung ausgebildet ist, z.B. mittels Erfassens der Intensität von an dem Gemisch gestreuten oder reflektierten Anteilen der Strahlung.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Messeinrichtung zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensität als Messsignal-Zeitverlauf ausgebildet, d.h. vorliegend fungiert der zeitliche Verlauf der von der Detektoreinrichtung erfassten Strahlungsintensität als Messsignal-Zeitverlauf oder als Referenzsignal-Zeitverlauf.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung mehrere derartiger Kombinationen aus Bestrahlungseinrichtung und Detektoreinrichtung aufweist, z.B. kann jede der vorstehend erwähnten Messeinheiten eine derartige Kombination aufweisen. Somit kann insbesondere eine erste derartige Messeinheit mit einer ersten Bestrahlungseinrichtung und einer ersten Detektoreinrichtung zum Erfassen eines Messsignal-Zeitverlaufs an einer Messposition vorgesehen sein, wobei zudem eine zweite derartige Messeinheit mit einer zweiten Bestrahlungseinrichtung und einer zweiten Detektoreinrichtung zum Erfassen eines Referenzsignal-Zeitverlaufs an einer Referenz-Messposition vorgesehen sein kann.
Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zeichnet sich dadurch aus, dass der ohnehin dem Prozess zuzugebende Dispersstoffstrom in seinem Konzentrationsverlauf am Eingang der Anordnung bzw. des Mehrphasenapparates selbst geringfügig moduliert wird, wobei diese Modulation z.B. mithilfe eines nichtinvasiven Messsystems basierend auf Durchstrahlung des Prozessapparates mit einer Strahlung (z.B. Röntgen- bzw. Gammastrahlung) an vorgegebenen axialen Positionen erfasst werden kann. Mittels einer derartigen Strahlungsmessung können selbst kleinste Modulationen sicher erfasst werden. Eine Nutzung irgendwelcher Fremdstoffe als Tracer ist nicht erforderlich.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase beim Durchlaufen eines Strömungsweges innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase bereitgestellt. Das Verfahren entspricht der vorstehend mit Bezug auf die Anordnung beschriebenen Funktionsweise, sodass im Folgenden lediglich knapp auf die entsprechenden Verfahrensschritte eingegangen wird und im Übrigen diesbezüglich hiermit auf die entsprechenden Erläuterungen hinsichtlich der Anordnung verwiesen wir, die für das Verfahren analog gelten.
Gemäß dem Verfahren erfolgt in einem ersten Schritt ein Zuführen eines Stoffstromes der ersten Phase in die zweite Phase an einer Zuführposition zur Ausbildung eines Gemischs mit der ersten Phase und der zweiten Phase als Bestandteilen, wobei der in die zweite Phase eintretende Stoffstrom der ersten Phase mit einem vorgegebenen Zuführstrom-Zeitverlauf moduliert wird. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Messsignals, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an einer stromabwärts der Zuführposition angeordneten Messposition repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf. In einem weiteren Schritt erfolgt das Ermitteln der Dispersion der ersten Phase in der zweiten Phase basierend auf dem Messsignal-Zeitverlauf, wobei z.B. vorgesehen sein kann, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit u und/oder den Dispersionskoeffizienten E der ersten Phase zu ermitteln. Mögliche Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich entsprechend den vorstehend mit Bezug auf die Anordnung beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden wird eine Variante zur Ermittlung der Dispersphasen-Transportparameter der ersten Phase näher erläutert, wobei die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Realisierung dieser Variante ausgebildet sein können.
Die mathematische Beschreibung des axialen Dispersionsmodells geht von der Konvektions-Diffusions-Gleichung c_t = Ec_zz – uc_z (1) aus, wobei der Strömungsweg beginnend bei z = 0 entlang der positiven z-Richtung verläuft und z somit eine Position entlang des Strömungsweges bezeichnet (auch als „axiale Position“ bezeichnet). Ferner bezeichnet t die Zeit und c den Gehalt (z.B. angegeben als Konzentration) der ersten Phase in dem Gemisch an einer axialen Position z. Des Weiteren bezeichnet E den Dispersionskoeffizienten der ersten Phase und u die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der ersten Phase beim Durchlaufen des Strömungsweges. Die Indizes kennzeichnen die Ableitungen nach der jeweiligen Variablen.
Bei Gleichung (1) handelt es sich um eine lineare partielle Differentialgleichung, die im Zeitbereich und im Frequenzbereich gelöst werden kann. Für die der vorliegenden Variante zugrundeliegende Methodik wird die Frequenzbereichslösung verwendet.
Wie erläutert, kann mittels der Zuführeinrichtung der an der Zuführposition vorliegende Stoffstrom der ersten Phase wellenförmig, insbesondere sinusförmig moduliert werden.
Für eine derartige zeitlich sinusförmige Eingangsfunktion des Stoffstromes der ersten Phase (z.B. ausgedrückt in Form der Eingangsfunktion der Stoffkonzentration der ersten Phase) ergibt sich ein entlang des Strömungsweges (auch als Achse bezeichnet) propagierender, zeitlich sinusförmiger Konzentrationsverlauf der ersten Phase, der an jeder Längsposition bzw. in jedem axialen Punkt des Strömungsweges durch eine bestimmte Phasenverschiebung und Amplitudendämpfung charakterisiert ist. Die zeitliche Charakteristik dieses Konzentrationsverlaufs ergibt sich aus der analytischen Lösung von Gleichung (1) zu
Die mittlere Transportgeschwindigkeit u für gegebene technische Apparate ist zumeist einfach durch Messung des in den Strömungskanal eingespeisten Massestroms m . über Durchflussmessstellen bestimmbar. Das heißt, hat der Strömungskanal den Querschnitt A und ändert sich die Dichte des Stoffstroms nicht, so ergibt sich die mittlere Transportgeschwindigkeit zu u = m ./(ρA). Da das Dispersionsmodell ein grundlegendes Modellierungswerkzeug für die Auslegung von Apparaten in der Prozessindustrie ist, besteht eine Aufgabe in der Beschaffung des Dispersionskoeffizienten E für eine konkrete Konfiguration des Strömungsweges bzw. Apparats. Dies muss zumeist durch Experimente bewerkstelligt werden.
Wird der in die zweite Phase eintretende Stoffstrom ε der ersten Phase sinusförmig mit einer Amplitude ∆ε moduliert (z.B. um seinen prozesstechnisch vorgegebenen Nominalwert ε herum), so weist auch der Gehalt bzw. die Konzentration der ersten Phase an der Zuführposition einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf auf, der z.B. mit c(z = 0, t) = c(z = 0) + ∆c(z = 0)sin(ωt) (3) beschrieben werden kann. Dabei bezeichnen c den mittleren Gehalt der ersten Phase, ∆c die Amplitude der Gehaltsmodulation und ω die Kreisfrequenz der Gehaltsmodulation. Dabei kann ∆c klein gegenüber c sein, z.B. kleiner als 1 % von c betragen. Die erste Phase wird mit einer mittleren Geschwindigkeit u im Strömungsweg bzw. Mehrphasenapparat transportiert.
Aufgrund der Modulation des Stoffstromes der ersten Phase an der Zuführposition ergibt sich eine sinusförmige zeitliche Schwankung des Gasanteils an jeder Längsposition z des Strömungsweges, die mit c(z, t) = c(z) + ∆c(z)sin(ωt + φ(z)) (4) beschrieben werden kann, wobei φ die Phasenverschiebung bezeichnet.
Wird nun an einer axialen Position z des Strömungsweges das Gemisch mittels der Bestrahlungseinrichtung durchstrahlt und die Intensität der dadurch geschwächten Strahlung mittels der Detektoreinrichtung erfasst, so findet sich diese Konzentrationsschwankung in dem erfassten Intensitätssignal wieder, wobei das Intensitätssignal z.B. mittels I(z, t) = I_Lexp[c(z, t)μ_LL], (5) beschrieben werden kann, wobei I_L die Signalintensität für den Fall beschreibt, dass die Konzentration der ersten Phase Null ist (in diesem Referenzfall wird die Strahlung durch das Konstruktionsmaterial und die übrigen Bestandteile des Gemischs geschwächt), μ_L die Differenz zwischen dem linearen Schwächungskoeffizienten des Gemischs ohne die erste Phase (z.B. dem Schwächungskoeffizienten der zweiten Phase) und dem linearen Schwächungskoeffizienten der ersten Phase ist, und L die von der Strahlung im Gemisch zurückgelegte Weglänge bezeichnet.
Somit kann (z.B. mittels entsprechender Ausbildung der Auswerteeinheit) die Gehaltsverteilung der ersten Phase mittels
bestimmt werden. Daraus wiederum lässt sich, z.B. mittels der Auswerteeinrichtung, über eine diskrete Fourier-Transformation
die zugehörige Frequenzbereichsfunktion c(z, ω) bestimmen.
Die sich aus Gleichung (2) ergebende Funktion c(z, t) kann einer analogen Fouriertransformation unterzogen werden, wobei deren Ergebnis c(z, ω, u, E) die Dispersphasen-Transportparameter u und E als freie Parameter aufweist. Mittels Variation dieser freien Parameter und Vergleichs der resultierenden Frequenzbereichsfunktion c(z, ω, u, E) mit der Frequenzbereichsfunktion c(z, ω) gemäß Gleichung (7) können (z.B. mittels eines Optimierungsverfahrens) die Parameter u und E ermittelt werden.
Demgemäß kann die Auswerteeinheit derart ausgebildet sein, dass von ihr aus dem erfassten Messsignal-Zeitverlauf ein Gehalt-Zeitverlauf ermittelt wird, der den zeitlichen Verlauf des Gehalts der ersten Phase in dem Gemisch beschreibt, aus dem Gehalts-Zeitverlauf mittels einer Fouriertransformation eine Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird, und diese Frequenzbereichsfunktion als Vergleichsfunktion für ein Optimierungsverfahren zur Ermittlung der Parameter u und E verwendet wird.
Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet sein, dass von ihr aus dem Messsignal-Zeitverlauf mittels Fouriertransformation eine erste Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird, aus dem Referenz-Zeitverlauf (insbesondere dem Zuführstrom-Zeitverlauf) mittels Fouriertransformation eine zweite Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird, und mittels Vergleichens der ersten Frequenzbereichsfunktion mit der zweiten Frequenzbereichsfunktion (z.B. mittels Angleichens der zweiten Frequenzbereichsfunktion an die erste Frequenzbereichsfunktion mittels eines mathematischen Optimierungsverfahrens) die Dispersion der ersten Phase (insbesondere deren Dispersionsparameter E und mittlere Transportgeschwindigkeit u) ermittelt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
1 einen Mehrphasenapparat mit einem Strömungskanal zur Erläuterung des Dispersionseffekts;
2 einen Mehrphasenapparat mit einer Dispersionsermittlungs-Anordnung gemäß einer Ausführungsform; und
3 einen Mehrphasenapparat mit einer Dispersionsermittlungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt einen Mehrphasenapparat 1 zum Veranschaulichen des Dispersionseffekts unter Verbreiterung der Verweilzeitverteilung. Der Mehrphasenapparat 1 weist eine Zuführeinrichtung 3 zum Zuführen einer ersten Phase 5 auf, wobei die Zuführeinrichtung 3 eine Zuführleitung 7 und einen Stoffstromregler 9 (z.B. in Form eines einstellbaren Ventils) zum Einstellen des Stoffstromes der ersten Phase 5 aufweist.
Der Mehrphasenapparat 1 weist zudem eine Aufnahme 11 auf, in der eine zweite Phase 13 aufgenommen ist. Die Zuführleitung 7 mündet an einer Zuführposition in die Aufnahme 11, sodass mittels der Zuführeinrichtung 3 ein Stoffstrom der ersten Phase 5 in die zweite Phase 13 eingebracht wird. Als Beispiel ist vorliegend die erste Phase 5 eine gasförmige Phase, wohingegen die zweite Phase 13 eine flüssige Phase ist. Demgemäß ist vorliegend die Zuführleitung 7 eine Gaszuführungsleitung und der Stoffstromregler 9 ein Gasstromregler. In der Aufnahme 11 liegt die erste Phase 5 in dispergierter Form (nämlich in Form von Gasblasen) in der zweiten Phase 13 vor.
Von der Aufnahme 11 ist ein Strömungskanal bzw. Strömungsweg gebildet, wobei der Strömungsweg an der Zuführposition bei z = 0 beginnt und in positiver z-Richtung verläuft. Die erste Phase 5 wird an der Zuführposition bei z = 0 in die zweite Phase 13 eingebracht. Die in Form der Gasblasen vorliegende erste Phase 5 strömt anschließend innerhalb der flüssigen zweiten Phase 13 entlang des Strömungsweges durch die Aufnahme 11 hindurch, wobei vorliegend als Beispiel die flüssige zweite Phase 13 nicht strömt.
Wird mittels der Zuführeinrichtung 3 die zweite Phase 13 an der Zuführposition z = 0 mit einem vorgegebenen, zeitlich scharf definierten Konzentrationsprofil c(t) der ersten Phase 5 beaufschlagt, strömt das derart in die Aufnahme 11 eingebrachte Material der ersten Phase 5 in positiver z-Richtung als Strömungsrichtung durch die Aufnahme 11. Die Dispersion der ersten Phase 5 beim Durchlaufen des Strömungsweges resultiert darin, dass das Konzentrationsprofil c(t) der ersten Phase 5 mit zunehmender Entfernung von der Zuführposition z = 0 zunehmend verschmiert bzw. verbreitert wird, wie in 1 exemplarisch für die Positionen z₀ = 0, z₁, z₂ veranschaulicht.
2 zeigt einen Mehrphasenapparat 1 mit einer Dispersionsermittlungs-Anordnung 15 gemäß einer Ausführungsform. Zusätzlich zu den mit Bezug auf 1 erläuterten Elementen weist der Mehrphasenapparat 1 gemäß 2 einen Modulationssignalgeber 17 als Element der Zuführeinrichtung 3, eine Messeinrichtung 19, und eine Auswerteeinrichtung 21 auf. Die Anordnung 15 weist die Zuführeinrichtung 3, die Messeinrichtung 19 und die Auswerteeinrichtung 21 auf.
Der Modulationssignalgeber 17 ist mit dem Stromregler 9 verbunden und zum Ansteuern des Stromreglers 9 ausgebildet. Von dem Modulationssignalgeber 17 wird die Führungsgröße des Stoffstromreglers 9 derart vorgegeben, dass der in die Aufnahme 11 eintretende Stoffstrom (z.B. Volumenstrom) der ersten Phase 5 sinusförmig moduliert wird, wie in 2 anhand des Konzentrationsverlaufs c(t) für die Zuführposition z = 0 veranschaulicht. Der an der Zuführposition z = 0 in die Aufnahme 11 eintretende Stoffstrom der ersten Phase 5 wird auch als Zuführstrom bezeichnet, dessen zeitlicher Verlauf (repräsentiert durch c(z = 0, t)) wird auch als Zuführstrom-Zeitverlauf bezeichnet. Die gasförmige erste Phase 5 wird mit einer mittleren Geschwindigkeit u in dem Mehrphasenapparat 1 transportiert.
Der in die zweite Phase einzuleitende Stoffstrom der ersten Phase 5 weist einen prozesstechnisch vorgegebenen Nominalwert auf, wobei der Stoffstrom mittels der Zuführeinrichtung 3 sinusförmig mit einer vorgegebenen Amplitude um diesen Nominalwert herum variiert wird; wobei die Amplitude kleiner ist als der Nominalwert. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Modulationsamplitude kleiner als 1% des Nominalwertes ist.
Die Messeinrichtung 19 weist eine Bestrahlungseinrichtung 23 und eine Detektoreinrichtung 25 auf.
Die Bestrahlungseinrichtung 23 ist zum Bestrahlen des Gemischs mit der ersten 5 und der zweiten 13 Phase als Bestandteilen mit einer Strahlung 27 derart ausgebildet, dass das Gemisch an einer Messposition 29 von der Strahlung 27 durchstrahlt wird. Beim Durchlaufen des Gemischs wird die Strahlung 27 in Abhängigkeit von dem an der Messposition vorliegenden Gehalt bzw. Konzentration der ersten Phase 5 geschwächt. Die Bestrahlungseinrichtung 23 ist z.B. zum Bestrahlen des Gemischs mit Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung ausgebildet.
Die Detektoreinrichtung 25 ist, gegenüber der Bestrahlungseinrichtung 23, an derselben axialen Position 29 angeordnet wie die Bestrahlungseinrichtung 23. Die Detektoreinrichtung 25 ist zum Erfassen der Intensität I der (von dem Gemisch) geschwächten Strahlung 27 ausgebildet. Die Strahlung 27 ist derart gewählt, dass sie von der ersten Phase 5 und der zweiten Phase 13 unterschiedlich stark geschwächt wird. Daher ist die Intensität I der geschwächten Strahlung 27 ein Maß für den Gehalt bzw. die Konzentration der ersten Phase 5 in dem Gemisch an der Messposition 29.
Die Auswerteeinrichtung 21 ist mit der Zuführeinrichtung 3 und der Messeinrichtung 19 verbunden und zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs I(t) der von der Detektoreinrichtung 25 erfassten Intensität I als Messsignal-Zeitverlauf ausgebildet. Die Auswerteeinrichtung 21 ist zum Ermitteln der Dispersion, insbesondere zum Ermitteln der Dispersphasen-Transportparameter u und E der ersten Phase 5 ausgebildet.
Als Beispiel ist die Auswerteeinrichtung 21 zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase unter Einbeziehung eines Referenz-Zeitverlaufs ausgebildet, wobei der Referenz-Zeitverlauf als Beispiel durch den Zuführstrom-Zeitverlauf c(z = 0, t) gegeben ist.
Aufgrund der sinusförmigen Modulation des Eingangsstroms bzw. Zuführstroms der ersten Phase propagiert, wie vorstehend erläutert, eine Gasgehaltwelle den Apparat bzw. den Strömungsweg und führt zu einer positionsabhängigen sinusförmigen Schwankung des Gehalts der ersten Phase gemäß Gleichung (4). Diese Schwankung spiegelt sich in dem von der Detektoreinrichtung 25 erfassten Intensitätssignal wider, wie auch in 2 anhand der Intensitätsverläufe I(t) für unterschiedliche axiale Positionen z entlang des Strömungsweges gezeigt.
Die Auswerteeinrichtung 21 ist als Beispiel zum Auswerten dieses Intensitätssignals gemäß den Gleichungen (5) bis (7) ausgebildet. Dementsprechend wird mittels der Auswerteeinrichtung 21 aus dem Intensitätssignal I(z, t) ein Konzentrationssignal c(z, t) generiert, aus welchem wiederum mittels Fouriertransformation ein erstes Frequenzbereichssignal c(z, ω) generiert wird.
Die Auswerteeinrichtung 21 ist ferner derart ausgebildet, dass von ihr aus der Funktion c(z, t, u, E) gemäß Gleichung (2) mittels einer analogen Fouriertransformation ein zweites Frequenzbereichssignal c(z, ω, u, E) generiert wird und mittels Vergleichs des ersten Frequenzbereichssignals mit dem zweiten Frequenzbereichssignal unter Verwendung eines mathematischen Optimierungsverfahrens die Dispersphasen-Transportparameter u und E der ersten Phase ermittelt werden.
3 zeigt einen Mehrphasenapparat 1 mit einer Dispersionsermittlungs-Anordnung 15 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Gemäß 3 ist die Messeinrichtung 19 mit der Bestrahlungseinrichtung 23 und der Detektoreinrichtung 25 mittels einer Traversiervorrichtung 31 entlang des Strömungsweges bzw. der Aufnahme 11 bewegbar angeordnet. Dadurch kann z.B. das Strahlungsintensitätssignal I(t) nacheinander an unterschiedlichen axialen Positionen bzw. unterschiedlichen Längspositionen entlang des Strömungsweges erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Mehrphasenapparat
3: Zuführeinrichtung
5: disperse erste Phase / gasförmige Phase
7: Zuführleitung / Gaszuführleitung
9: Stoffstromregler / Gasstromregler
11: Aufnahme / Strömungskanal
13: kontinuierliche zweite Phase / flüssige Phase
15: Anordnung zur Ermittlung der Dispersion
17: Modulationssignalgeber
19: Messeinrichtung
21: Auswerteeinrichtung
23: Bestrahlungseinrichtung
25: Detektoreinrichtung
27: Strahlung
29: Messposition
31: Traversiervorrichtung
u: mittlere Strömungsgeschwindigkeit (der ersten Phase)
E: Dispersionskoeffizient (der ersten Phase)

Claims

Anordnung (15) zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase (5) beim Durchlaufen eines Strömungsweges innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase (13), aufweisend: – eine Zuführeinrichtung (3) zum Zuführen eines Stoffstromes der ersten Phase (5) in die zweite Phase (13) an einer Zuführposition (z = 0) zum Ausbilden eines Gemischs mit der ersten Phase und der zweiten Phase als Bestandteilen, wobei die Zuführeinrichtung zum Modulieren des in die zweite Phase eintretenden Stoffstromes der ersten Phase mit einem vorgegebenen Zuführstrom-Zeitverlauf (c(z = 0, t)) ausgebildet ist, – mindestens eine Messeinrichtung (19), die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihr ein zeitlicher Verlauf eines Messsignals (I), das den Gehalt der ersten Phase (5) in dem Gemisch an einer stromabwärts der Zuführposition (z = 0) angeordneten Messposition (29) repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf (I(t)) erfassbar ist, und – eine Auswerteeinrichtung (21), die zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase (5) basierend auf dem Messsignal-Zeitverlauf (I(t)) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung (21) zum Ermitteln der Dispersion der ersten Phase (5) unter Einbeziehung eines Referenz-Zeitverlaufs (c(z = 0, t)) ausgebildet ist, wobei der Referenz-Zeitverlauf den zeitlichen Verlauf des an einer Referenzposition (z = 0) vorliegenden Gehalts der ersten Phase (5) in dem Gemisch repräsentiert.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Referenz-Zeitverlauf durch den Zuführstrom-Zeitverlauf (c(z = 0, t)) gegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei – die mindestens eine Messeinrichtung (19) ferner derart ausgebildet ist, dass von ihr ein zeitlicher Verlauf eines Messsignals, das den Gehalt der ersten Phase (5) in dem Gemisch an mindestens einer stromabwärts der Zuführposition (z = 0) angeordneten Referenz-Messposition repräsentiert, als Referenzsignal-Zeitverlauf erfassbar ist, und – der Referenz-Zeitverlauf durch den mindestens einen Referenzsignal-Zeitverlauf gegeben ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Messeinrichtung (19) aufweist: – mindestens eine Bestrahlungseinrichtung (23) zum Bestrahlen des Gemischs mit einer Strahlung (27) unter Schwächung der Strahlung durch das Gemisch, und – mindestens eine Detektoreinrichtung (25) zum Erfassen einer Intensität (I), die die Schwächung der Strahlung durch das Gemisch repräsentiert, wobei – die Messeinrichtung (19) zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs (I(t)) der von der Detektoreinrichtung (25) erfassten Intensität (I) als Messsignal-Zeitverlauf ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Messeinrichtung mindestens eine erste Messeinheit und eine zweite Messeinheit aufweist, die an unterschiedlichen Positionen entlang des Strömungsweges angeordnet sind, wobei jede der Messeinheiten zum Erfassen eines Messsignals ausgebildet ist, das den Gehalt der ersten Phase in dem Gemisch an der Position der jeweiligen Messeinheit repräsentiert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zuführstrom-Zeitverlauf (c(z = 0, t)) wellenförmig ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Messeinrichtung (19) entlang des Strömungsweges bewegbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Auswerteeinrichtung (21) derart ausgebildet ist, dass von ihr aus dem Messsignal-Zeitverlauf mittels Fouriertransformation eine erste Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird, aus dem Referenz-Zeitverlauf mittels Fouriertransformation eine zweite Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird, und die Dispersion der ersten Phase (5) mittels Vergleichens der ersten Frequenzbereichsfunktion mit der zweiten Frequenzbereichsfunktion ermittelt wird.
Mehrphasenapparat (1) zum Prozessieren eines Gemischs mit einer dispersen ersten Phase (5) und einer kontinuierlichen zweiten Phase (13) als Bestandteilen, aufweisend eine Anordnung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Ermitteln der Dispersion einer dispersen ersten Phase (5) beim Durchlaufen eines Strömungsweges innerhalb einer kontinuierlichen zweiten Phase (13), aufweisend folgende Schritte: – Zuführen eines Stoffstromes der ersten Phase (5) in die zweite Phase (13) an einer Zuführposition (z = 0) zum Ausbilden eines Gemischs mit der ersten Phase und der zweiten Phase als Bestandteilen, wobei der in die zweite Phase eintretende Stoffstrom der ersten Phase mit einem vorgegebenen Zuführstrom-Zeitverlauf (c(z = 0, t)) moduliert wird, – Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines Messsignals (I), das den Gehalt der ersten Phase (5) in dem Gemisch an einer stromabwärts der Zuführposition (z = 0) angeordneten Messposition (29) repräsentiert, als Messsignal-Zeitverlauf (I(t)), und – Ermitteln der Dispersion der ersten Phase (5) basierend auf dem Messsignal-Zeitverlauf (I(t)).