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Die Erfindung betrifft einen Phasenscheider zur Trennung von nicht mischbaren Flüssigkeiten, wie zum Beispiel zur Abtrennung von Wasser aus Rohölen im Rahmen der Erdölanalytik.
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Bei der Qualitätskontrolle von Rohölchargen muss der vorhandene Wassergehalt entfernt werden, wozu üblicherweise die zu prüfende Rohölcharge im Rahmen eines Destillationsprozesses erhitzt wird und die entstehenden Dämpfe an einem gekühlten Kondensator abgekühlt und das Kondensat in einem Behältnis aufgefangen werden. In dem Kondensat setzt sich das Wasser aufgrund seiner hohen Dichte unterhalb der übrigen flüssigen Fraktionen ab. Über einen bodenseitigen Auslauf des Behältnisses kann zunächst das Wasser getrennt abgeführt werden. Nachdem das Wasser aus dem Behältnis abgeführt worden ist, kann ein weiterer Auslauf geöffnet werden und die weiteren Fraktionen auf diese Weise in die zu prüfende Rohölcharge zurückgeführt werden, um anschließend die gewünschten Qualitätskontrollen durchzuführen, die nun ohne Beeinträchtigung durch den entfernten Wassergehalt erfolgen können. Das Öffnen und Schließen der verwendeten Ausläufe für das Wasser und die weiteren Chargen erfolgt üblicherweise von Hand unter Sichtkontrolle einer Bedienperson und ist insoweit aufwendig sowie anfällig für Fehler. Ein zu frühes Schließen des Wasserauslaufs führt einen Restgehalt an Wasser zurück in die zu prüfende Rohölcharge, wohingegen ein zu spätes Schließen des Wasserauslaufs Teilmengen der sonstigen Fraktionen über den Wasserablauf unwiederbringlich verliert, was in beiden Fällen zu Verfälschungen des Messergebnisses an der Rohölcharge führt.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Phasenscheider der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der bei einfachem Aufbau eine automatisierte und hochgenaue Phasentrennung durchführt, sodass beispielsweise ein Wassergehalt aus einer kondensierten Rohölcharge mit höchster Genauigkeit automatisch abgeführt werden kann.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung eines Phasenscheiders gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin auch ein Verfahren zur Trennung von nicht mischbaren Flüssigkeiten unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Phasenscheiders, wie es im Patentanspruch 6 angegeben ist.
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Der erfindungsgemäße Phasenscheider zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Ablauf und dem Zulauf vorgesehen ist, über den diese miteinander kommunizieren und dieser Verbindungsabschnitt eine den zweiten Ablauf bildende Abzweigöffnung aufweist. Der Verbindungsabschnitt ist mit einem Phasensensor zur Detektion der Phasengrenze der nicht mischbaren Flüssigkeiten ausgerüstet, wobei dessen Schaltschwelle am in Ausströmrichtung betrachtet hinteren Scheitelpunkt der Abzweigöffnung positioniert ist. Weiterhin ist der Phasensensor so ausgestaltet, dass beim Auslösen der Schaltschwelle das Ventil im ersten Ablauf schließbar ist.
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Durch diese Ausgestaltung ermöglicht der erfindungsgemäße Phasenscheider eine vollautomatische und hochgenaue Trennung von nicht mischbaren Flüssigkeiten an deren Phasengrenze.
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Dazu wird zunächst der erste Ablauf geöffnet, sodass die zu trennende Flüssigkeit über den Zulauf in Ausströmrichtung in den Verbindungsabschnitt und von dort in den ersten Ablauf übertritt. Da es sich um nicht mischbaren Flüssigkeiten handelt, wird insoweit bei Anschluss des Zulaufs an einen Behälter zunächst die sich benachbart zu der Auslauföffnung des Behälters absetzende Flüssigkeit über den ersten Ablauf abfließen. Hierbei kann es sich beispielsweise um die eingangs erwähnte Wasserfraktion eines Rohöldestillats handeln, welches sich nach Kondensierung in einem auffangen Behälter zu unterst absetzt.
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Wenn diese Fraktion, beispielsweise Wasserfraktion, vollständig aus dem Behälter ab geflossen ist, folgt aufgrund der fehlenden Mischbarkeit an einer scharfen Phasengrenze die weitere und von der Wasserfraktion zu trennende nächste Fraktion nach.
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Sobald der mit seiner Schaltschwelle im Bereich des in Ausströmrichtung betrachtet hinteren Scheitelpunkts der Abzweigöffnung positionierte Phasensensor diese Phasengrenze beim Durchlauf durch den Verbindungsabschnitt registriert, gibt der Phasensensor ein entsprechendes Meßsignal an eine Steuerungseinrichtung ab, die unmittelbar den schlagartigen Verschluss des ersten Ablaufs durch Schließen des zugeordneten Ventils bewirkt. Dies hat zur Folge, dass die Phasengrenze exakt auf Höhe des in Ausströmrichtung betrachtet hinteren Scheitelpunkts der Abzweigöffnung zum Liegen kommt, sodass vor dem Austrittsquerschnitt der Abzweigöffnung ausschließlich die der Phasengrenze nachfolgende nächste Fraktion ansteht.
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Nun kann das dem zweiten Ablauf zugeordnete Ventil geöffnet werden, sodass die nachströmenden weiteren Fraktionen oberhalb der Phasengrenze aus dem Verbindungsabschnitt in den zweiten Ablauf abgeführt werden, von wo sie beispielsweise zurück in eine zu prüfende Charge geleitet werden können, ohne dass die zuvor abgetrennte Fraktion, beispielsweise Wasser in den zweiten Ablauf gelangen kann.
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Nachdem auf diese Weise die gesamten verbliebenen Fraktionen über den zweiten Ablauf abgeführt worden sind, kann das zugehörige Ventil erneut geschlossen werden und das dem ersten Ablauf zugeordnete Ventil nochmals geöffnet werden. Daraufhin kann das zwischen diesem Ventil und dem hinteren Scheitelpunkt der Abzweigöffnung verbliebene Restvolumen an abzutrennender Flüssigkeit noch aus dem erfindungsgemäßen Phasenscheider über den ersten Ablauf abgeführt werden, sodass eine vollständige Phasentrennung durchgeführt wird.
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Anschließend ist der erfindungsgemäße Phasenscheider für die nächste Phasentrennung bereit.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung erstreckt sich der Verbindungsabschnitt im Wesentlichen vertikal und die Abzweigöffnung führt im Wesentlichen rechtwinklig aus dem Verbindungsabschnitt heraus, wodurch Toträume vermieden werden und der erfindungsgemäße Phasenscheider beispielsweise unterhalb eines Behälters angeordnet werden kann, um die Entleerung desselben und die Durchleitung der Flüssigkeiten unter Schwerkrafteinfluss durchzuführen. Der in Ausströmrichtung betrachtet hintere Scheitelpunkt der Abzweigöffnung bildet in diesem Fall zugleich den unteren Scheitelpunkt der Abzweigöffnung.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Zulauf, der Verbindungsabschnitt und der erste Ablauf einander geradlinig in Ausströmrichtung fortsetzen und der zweite Ablauf rechtwinklig an die Abzweigöffnung anschließt.
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Das Ventil des zweiten Ablaufs ist bevorzugt im Bereich der Abzweigöffnung angeordnet, um unerwünschten Flüssigkeitsansammlungen der über den ersten Ablauf ausgeleiteten Fraktion vorzubeugen.
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Der Phasensensor unterliegt keinen generellen Beschränkungen, solange er in der Lage ist, die Phasengrenze zwischen aufeinanderfolgenden Flüssigkeitsfraktionen exakt und in kürzester Zeit zu detektieren. Nach einem Vorschlag der Erfindung ist der Phasensensor jedoch als kapazitiver Sensor ausgebildet und der Verbindungsabschnitt ist zumindest bereichsweise, nämlich in dem Bereich, in dem der Phasensensor angeordnet ist, aus einem für die Funktion des Phasensensors geeigneten Material hergestellt. Insbesondere kann der Phasenscheider aus miteinander verbundenen oder integral aneinander angeformten Rohrabschnitten aus Glas oder einem geeigneten Kunststoff hergestellt sein, welches elektrisch nicht leitfähig ist, um die Funktion des kapazitiven Sensors zu ermöglichen.
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Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei in der Seitenansicht einen Phasenscheider 1 gemäß der Erfindung, der in der dargestellten Ausrichtung, bei der die Achse L1 vertikal verläuft, beispielsweise unterhalb eines Behälters angeordnet und mit diesem verbunden sein kann, in welchem sich Kondensat einer auf Qualitätsanforderungen zu prüfenden Rohölcharge ansammelt. Dieses Kondensat weist einen gewissen Wasseranteil auf, welche mit den übrigen Fraktionen nicht mischbar ist und von diesen vor Durchführung der Qualitätsprüfungen abzutrennen ist.
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Dazu weist der Phasenscheider 1 einen dem Behälter zugewandten und mit diesem über eine nicht dargestellte Verbindungsleitung verbindbaren Zulauf 10 und einen hieran anschließenden Verbindungsabschnitt 11 auf, an den sich ein mittels eines Ventils 3 öffen- und schließbarer erster Ablauf 12 weiter unterhalb anschließt. Der Einlauf 10, der Verbindungsabschnitt 11 und der erste Auslauf 12 weisen die gemeinsame Mittelachse L1 auf, die sich vertikal erstreckt und die sich bei geöffnetem Ventil 3 einstellende Ausströmrichtung ist mit Pfeil A vertikal von oben nach unten dargestellt.
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Darüber hinaus weist der Verbindungsabschnitt 11 etwa auf halber Länge eine Abzweigöffnung 110 mit einer etwa rechtwinklig zur Achse L1 verlaufenden Mittelachse L2 auf, die in einen zweiten Ablauf 13 übergeht und diesen gemeinsam bildet.
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Der erste und zweite Ablauf 12, 13 sind als Anschlussstutzen für aufsteckbare und hier nicht dargestellte Schlauchleitungen ausgeführt.
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Weiterhin erkennt man innerhalb des zweiten Ablaufs 13 ein als Nadelventil mit Nadel 51 ausgeführtes Ventil 5, dessen Nadel 51 entlang der Achse L2 verschiebbar ist, um die Abzweigöffnung 110 und damit den zweiten Ablauf 13 zu verschließen bzw. zu öffnen. Im hier nicht dargestellten verschlossenen Zustand des zweiten Ablaufs liegt die Nadel 51 in einer in der Darstellung gemäß 1 weiter nach links vorgeschobenen Position unmittelbar im Bereich der Abzweigöffnung 110, sodass sich dort keine Flüssigkeit ansammeln kann.
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Die Öffnung bzw. der Verschluss der ersten und zweiten Abläufe 12, 13 mittels der bereits erwähnten zugeordneten Ventile 3, 5 wird über entsprechende Aktoren 30, 50 bewirkt, die beispielsweise pneumatisch betätigt werden und von einer nicht dargestellten Steuerungseinrichtung gesteuert werden.
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Der Einlauf 10, der Verbindungsabschnitt 11 sowie der den zweiten Auslauf 13 bildende Rohrabschnitt können integral aus einem geeigneten Glas oder ähnlichem Material, z. B. Kunststoff hergestellt sein.
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Darüber hinaus ist der Abzweigöffnung 110 gegenüberliegend mittels Befestigungsschellen 20 ein Phasensensor 2 in Form eines kapazitiven Sensors am Verbindungsabschnitt 11 befestigt, dessen Schaltschwelle exakt dem in Ausströmrichtung A betrachtet hinteren bzw. unteren Scheitelpunkt 111 der Abzweigöffnung 110 gegenüberliegt.
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Zur Trennung einer unterhalb weiterer Fraktionen abgesetzten ersten Fraktion, beispielsweise Wasser wird das Ventil 3 geöffnet, sodass zunächst die abgesetzte erste Fraktion aus dem Behälter über den Einlauf 10 in Ausströmrichtung A in den Verbindungsabschnitt 11 eintritt und von dort über den geöffneten ersten Ablauf 12 aus dem Phasenscheider 1 abgeführt wird.
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Sobald diese Phase bzw. erste Fraktion vollständig aus dem Behälter abgelaufen ist, folgt die nächste Fraktion unter Einschluss einer scharf begrenzten Phasengrenze dem ablaufenden Ende der ersten Fraktion nach und wird von dem die Phasengrenze detektierenden Phasensensor 2 beim Durchlauf durch den Verbindungsabschnitt 11 erfasst bzw. detektiert. Der Phasensensor 2 gibt in diesem Moment ein entsprechendes Meßsignal an die nicht dargestellte Steuerungseinrichtung ab, welche unmittelbar den Aktor 30 zum Schließen des Ventils 3 betätigt.
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Aufgrund der zuvor erläuterten Positionierung der Schaltschwelle des Phasensensors 2 exakt gegenüberliegend dem hinteren Scheitelpunkt 111 der Abzweigöffnung 110 bewirkt dieses Schließen des Ventils 3, dass die Phasengrenze zwischen den Flüssigkeitsfraktionen exakt auf Höhe des in Ausströmrichtung A betrachtet hinteren Scheitelpunkt 111 zum Liegen kommt, was in der 1 durch die strichlierte Linie 4 angedeutet ist. Unterhalb dieser Linie 4 verbleibt ein Restvolumen an der ersten Fraktion bis zum verschlossenen Ventil 3.
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Nun kann das Ventil 5 durch entsprechende Betätigung des Aktors 50 mittels der Steuerungseinrichtung geöffnet werden, woraufhin die oberhalb der Phasengrenze an Linie 4 nachfolgenden weiteren Fraktionen aus dem oberen Bereich des Verbindungsabschnitt des 11 und über den Einlass 10 aus dem Behälter nachfolgend oberhalb der Phasengrenze über den Verbindungsabschnitt 11 in den zweiten Ablauf 13 abgeführt werden und von dort zur weiteren Verwendung abgeleitet werden. Nachdem auf diese Weise die nachfolgenden Fraktionen vollständig über den zweiten Ablauf 13 abgelaufen sind, kann das Ventil 5 erneut geschlossen werden und die Steuerungseinrichtung veranlasst die nochmalige Öffnung des Ventils 3, sodass das oberhalb des Ventils 3 noch stehende Restvolumen an erster Flüssigkeit bis zur Linie 4 über den geöffneten ersten Ablauf 12 abgeführt werden kann.
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Insoweit gestattet der vorangehend erläuterte Phasenscheider 1 durch Einsatz eines einzigen Phasensensors 2 eine vollautomatische und hochgenaue Phasentrennung auf zwei unterschiedliche Abläufe 12, 13. Die Geschwindigkeit der Phasentrennung und die Genauigkeit derselben werden bei Einsatz eines solchen Phasenscheiders 1 maximiert.
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Es versteht sich, dass der vorangehend erläuterte Phasenscheider 1 nicht auf die Trennung zweier Phasen beschränkt ist, sondern durch entsprechend kaskadierte Anordnung mehrerer derartiger Phasenscheider 1 kann die Anzahl der zu trennenden Phasen nahezu beliebig erhöht werden.
