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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in Gasen, insbesondere in Luft oder Druckgas, die mit Kohlenwasserstoff-haltigen Fluiden, beispielsweise aus einem Kompressor, kontaminiert sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in einem derartigen Gas.
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Solche Messgeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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So beschreibt beispielsweise die
WO 2010/094750 A1 ein Messgerät zur Erfassung eines Kohlenwasserstoffanteils in Gasen, das eine Sensoreinheit und eine Referenzgaseinheit zur Aufbereitung eines Teilgasstroms aufweist. Zur Aufbereitung wird der Kohlenwasserstoff-haltige Teilgasstrom mittels eines Oxidationskatalysators vollständig in Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Hierzu muss der Oxidationskatalysator auf Temperaturen von größer 150 °C aufgeheizt werden. Aufgrund der kompakten Bauweise solcher Messgeräte müssen daher aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um die zum Teil sehr empfindliche Messtechnik zu schützen. Zudem sind Steuerungselemente zur Erhaltung des Temperaturniveaus notwendig.
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Bei einem anderen aus dem Stand der Technik bekannten System wird der Kohlenwasserstoffanteil mittels eines Aktivkohlefilters aus einem Gasstrom entfernt. Solche Referenzgaseinheiten arbeiten in der Regel sehr zuverlässig, weisen jedoch den Nachteil auf, dass bei vollständiger Sättigung des Filtermaterials ein Durchbruch droht, so dass eine weitere Verwendung erschwert wird.
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Daneben sind weitere Verfahren zur Aufbereitung eines Gasstroms bekannt. Beispielsweise werden in der
US 2014/0243572 A1 dreistufige, in der
US 2016/0279561 zweistufige und in der
US 2004/0159233 A1 einstufige Verfahren oder Vorrichtungen zur Behandlung eines Gasstroms unter Einsatz von selektiv permeablen Membranen beschrieben. Dabei eignet das erstgenannte Verfahren insbesondere zur Aufbereitung von Roh-Methan, das zweitgenannte Verfahren zur Aufbereitung eines Flowback-Fluids bzw. -Gases, welches nach der Stimulation einer subterranen Formation mit Kohlenstoffdioxid aus einem Bohrloch austritt und das drittgenannte Verfahren zur Aufbereitung von Kohlenwasserstoff-haltigen Gemischen aus der petrochemischen Industrie, der Erdölraffination oder dergleichen. Die Bestimmung der Kohlenwasserstoffkonzentration in einem Gas ist nicht offenbart.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Messgerät bereitzustellen. Insbesondere hat sich die Erfindung zum Ziel gemacht, ein Messgerät bereitzustellen, das eine höhere Messgenauigkeit und eine längere Lebensdauer aufweist, als aus dem Stand der Technik bekannte Messgeräte.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Das Messgerät zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in Gasen, insbesondere in Luft oder Druckgas umfasst eine Sensoreinheit zur Bestimmung der Kohlenwasserstoffkonzentration in einem Gasstrom und eine Referenzgaseinheit zur Aufbereitung eines Teilgasstroms des zu analysierenden Gasstroms.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Referenzgaseinheit eine erste Membraneinheit mit einer Kohlenwasserstoff-selektiven Membran umfasst, die den Teilgasstrom in eine Kohlenwasserstoff-angereicherte und eine Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase auftrennt.
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Durch den Einsatz einer Membran kann der Einbau von Heizelementen zur Erzeugung der notwendigen Reaktionstemperatur für die stattfindende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe in die Reaktionsprodukte entfallen, so dass der Aufbau insgesamt stark vereinfacht werden kann. Zudem wirkt sich das niedrige Temperaturniveau positiv auf die Lebensdauer und die Messgenauigkeit der elektronischen Komponenten des erfindungsgemäßen Messgeräts aus.
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Das erfindungsgemäße Messgerät kann vorzugsweise mit einem ölfrei verdichtenden Kompressor zur Herstellung von Druckluft oder Druckgas verwendet werden, denkbar ist aber auch die Verwendung mit einem ölgeschmierten Kompressor, wenn diesem ein entsprechender Katalysator nachgeschaltet ist. Für Wartungsarbeiten ist vorzugsweise ein Bypass vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Messgerät ist geeignet für Messungen von Gasströmen mit einer Konzentration von bis zu maximal 2500 µg/m3 Kohlenwasserstoffen und entspricht demnach Klasse 3 nach ISO 8573-1.
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Sofern der dem Messgerät zugeführte zu analysierende Gasstrom eine geringe Feuchtigkeit aufweist, vorzugweise mit einer relativen Feuchte von kleiner 40 %, wird ein sogenanntes Nullgas erhalten. Als Nullgas im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Gasstrom verstanden, welcher frei von Kohlenwasserstoffen ist und eine vernachlässigbare relative Feuchte aufweist.
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Sofern der Feuchtigkeitsgehalt nicht mehr als vernachlässigbar angesehen werden kann, ist der erhaltene aufbereitete Teilgasstrom lediglich als ein Referenzgas anzusehen. Ein Referenzgas im Sinne der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Gasstrom, das frei von Kohlenwasserstoffen ist.
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Es hat sich gezeigt, dass ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt, insbesondere ein relativer Feuchtigkeitsgehalt von größer 40 %, einen negativen Effekt auf die Signalstärke haben kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der hohe Feuchtigkeitsgehalt stark schwankt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die Referenzgaseinheit daher weiterhin eine zweite Membraneinheit mit einer Wasser-selektiven Membran auf, die die Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase in eine Wasser-angereicherte und eine Wasser-abgereicherte Phase auftrennt.
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Es wird somit ein im Wesentlichen Kohlenwasserstoff-und Wasser-freier Teilgasstrom, ein Nullgas erhalten, der zur Bestimmung des Kohlenwasserstoffanteils in dem zu analysierenden Messgas genutzt wird. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Geräten kann das Nullgas mittels des erfindungsgemäßen Messgeräts selbst hergestellt werden und muss somit nicht von außen, beispielsweise über einen zusätzlichen Nullgasanschluss, dem Messgerät zugeführt werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Wasser-selektiven Membran um eine Trocknungsmembran, durch die die Wassermoleküle hindurchdiffundieren können und das Entfernen von Wasserdampf aus Gasströmen ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist die Kohlenwasserstoff-angereicherte Phase der zweiten Membraneinheit permeatseitig zuführbar. Somit kann das aus der ersten Membraneinheit erhaltene Retentat, bevor es verworfen wird, sinnvoll als Spülfluid genutzt werden. Hierdurch wird das Messgerät nochmals in seinem gesamten Design optimiert.
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Vorzugsweise sind beide Membranen als Hohlfasermembranen ausgebildet und ausgewählt aus der Gruppe der asymetrischen Composit-Hohlfasermembranen mit Polyethersulfon als Trägermaterial und einer innenliegenden Selektionsbeschichtung. Die Selektionsbeschichtung kann vorzugsweise eine Wasser-selektive und/oder eine Kohlenwasserstoff-selektive Beschichtung sein.
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Der Einsatz einer Polyethersulfonmembran in der ersten Membraneinheit hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Aufgrund der Hydrophilie der Polyethersulfonmembran adsorbieren die im Gasstrom vorliegenden Kohlenwasserstoffmoleküle nicht an den Wandungen sondern verlassen die Hohlfasermembran als Retentat. Ein Fouling der Membran findet daher praktisch nicht statt. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Lebensdauer der Membran.
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Vorzugsweise weist die Referenzgaseinheit weiterhin eine zwischen der ersten und zweiten Membraneinheit angeordnete Gasexpansionseinheit auf, die den Druck des Retentats auf Umgebungsdruck reduziert.
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Vorzugsweise weist das Messgerät vor und/hinter der Referenzgaseinheit einen Druckminderer zur Regulierung des Drucks auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in einem Gas, insbesondere in Luft oder Druckgas, wobei zur Bestimmung der Kohlenwasserstoffkonzentration in einem Gasstrom mittels einer Sensoreinheit dieser zunächst in einen ersten und zweiten Teilgasstrom aufgetrennt wird, der zweite Teilgasstrom einer Referenzgaseinheit zur Aufbereitung zugeführt und mittels einer ersten Membraneinheit aufweisend eine Kohlenwasserstoff-selektive Membran in eine Kohlenwasserstoff-angereicherte und eine Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase aufgetrennt wird, und der erste Teilgasstrom und die Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase alternierend der Sensoreinheit zugeführt werden.
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Das Messgerät führt also erfindungsgemäß den zu messenden Gasstrom alternierend, beispielsweise mittels Magnetventilen, direkt oder über die Referenzgaseinheit zum Sensor. Der Messwert wird auf diese Weise als Signaldifferenz zwischen dem Messgas und dem erzeugten Referenzgas oder dem Nullgas ermittelt.
Das Messprinzip des Photoionisationsdetektors (PID) basiert auf der Ionisation der Gasmoleküle durch UV-Strahlung und der Erfassung des dabei entstehenden Ionenstroms. Die Stärke des Ionenstroms ist der Konzentration der ionisierten Moleküle direkt proportional. Das elektrische Signal ist somit messbar, kann elektronisch verstärkt und als Konzentration der gemessenen Substanzen ausgegeben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase zunächst einer zweiten Membraneinheit aufweisend eine Wasser-selektive Membran zugeführt und in eine Wasser-angereicherte und eine Wasser-abgereicherte Phase aufgetrennt und die Wasser-abgereicherte Phase als Nullgas der Sensoreinheit zugeführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Kohlenwasserstoff-angereicherte Phase der zweiten Membraneinheit permeatseitig als Spülfluid zugeführt.
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Vorzugsweise wird die Kohlenwasserstoff-angereicherte Phase zunächst expandiert, so dass das Spülfluid bei Umgebungsdruck der zweiten Membraneinheit permeatseitig zugeführt werden kann.
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Vorzugsweise wird die Aufbereitung bei einem Druck von 0,1 - 1,6 MPa, mehr bevorzugt 0,2 - 1,25 MPa, noch mehr bevorzugt 0,3 - 1 MPa durchgeführt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen erläutert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 ein Schaltbild der Fluidströme eines erfindungsgemäßen Messgeräts, und
- 2 einen schematischen Aufbau einer Referenzgaseinheit.
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1 zeigt ein Schaltbild der Fluidströme eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in Gasen, insbesondere in Luft oder Druckgas, das mit Kohlenwasserstoff-haltigen Fluiden, beispielsweise aus einem Kompressor, kontaminiert sind. Das Messgerät 1 weist eine Sensoreinheit 10 und eine mit der Sensoreinheit 10 verbundene Referenzgaseinheit 30 auf. Ferner umfasst das Messgerät 1 zudem eine Auswerteinheit (nicht dargestellt), die mit einer Bedienoberfläche, beispielsweise als Touchscreen ausgeführt, versehen ist.
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Die Sensoreinheit 10 weist einen Messgasanschluss 22 sowie einen Kalibriergasanschluss 24 auf. Über den Messgasanschluss 22 wird das zu messende Gas und über den Kalibriergasanschluss 24 das Kalibriergas dem Messgerät 1 zugeführt. Ein Kalibriergas bezeichnet ein Gas, das zur Kalibrierung des Messgerätes genutzt wird und eine definierte Menge von Kohlenwasserstoffen enthält. Ferner umfasst die Sensoreinheit 10 einen Sensor 21, der beispielsweise als Photoionisationsdetektor (PID) ausgeführt ist. Die verschiedenen Gasströme werden über Leitungen 28 geführt und über Ventile 26 geschaltet bzw. geregelt. Die Ventile 26 sind vorzugsweise als Magnetventile ausgeführt. Ferner umfasst die Sensoreinheit 10 ein Überwachungselement 29, das beispielsweise dann einen Alarm auslöst, wenn der Betriebsdruck im Messgerät 1 zu hoch wird. Über eine Reihe an Fließwiderständen 27, beispielsweise Drosseln oder Druckminderer, wird ein konstanter Druck und ein konstanter Volumenstrom im Messgerät 1 gewährleistet.
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Wie in 1 dargestellt, kann das zu untersuchende Messgas, beispielsweise mit Öldampf kontaminierte Luft oder Druckgas über den Messgasanschluss 22 zu der Referenzgaseinheit 30 und von dort aufbereitet als ein Nullgas zum Sensor 21 geführt werden. Weiterhin ist es aber auch möglich, das Messgas im Wechsel mit dem Nullgas oder direkt zum Sensor 21 zu leiten. Zudem ist es möglich, das Kalibriergas gemeinsam oder im Wechsel mit dem Messgas oder dem Nullgas dem Sensor 21 zuzuführen.
Die Referenzgaseinheit 30 ist über Leitungen 28 mit der Sensoreinheit 10 verbunden und weist eine erste Membraneinheit 31 und eine zweite Membraneinheit 32 auf. Ferner weist die Referenzgaseinheit 30 einen einen Fluidausgang 34 auf.
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In 2 ist der Aufbau der Referenzgaseinheit 30 näher dargestellt. Ein von dem Messgas abgetrennter Teilgasstrom gelangt zunächst über eine Leitung 28 in die erste Membraneinheit 31 und durchströmt diese. Die erste Membraneinheit 31 weist eine Kohlenwasserstoff-selektive Membran 35 auf, die vorzugsweise als Hohlfasermembran ausgeführt ist. Mittels der Membran 35 wird der Teilgasstrom in eine Kohlenwasserstoff-angereicherte (Retentat) und eine Kohlenwasserstoff-abgereicherte (Permeat) Phase aufgetrennt. Das Retentat verlässt die erste Membraneinheit 31 über einen Austritt 38 und kann ggf. als ein Spülfluid der zweiten Membraneinheit 32 permeatseitig zugeführt werden. Das Permeat, das durch die Membran 35 diffundiert, wird über einen Austritt 39 ausgeführt. Sofern die Kohlenwasserstoff-abgereicherte (Permeat) Phase einen tolerierbaren Feuchtigkeitsgehalt aufweist, kann sie direkt als sog. Nullgas dem Sensor 21 zugeführt werden. Anderenfalls wird das Permeat der zweiten Membraneinheit 32 zugeführt, die eine Wasser-selektive Membran 36 aufweist, die ebenfalls vorzugsweise als Hohlfasermembran ausgeführt ist.
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Hierbei wird die Kohlenwasserstoff-abgereicherte Phase sodann in eine Wasser-angereicherte (Permeat) und eine Wasser-abgereicherte (Retentat) Phase aufgetrennt. Das Retentat verlässt die zweite Membraneinheit 32 über einen Austritt 38' und wird als Nullgas dem Sensor 21 zugeführt. Das Permeat wird mit der Kohlenwasserstoff-angereicherten Phase (Retentat von 31) ausgespült und über einen Anschluss 34 verworfen. Hierzu wird das Retentat zunächst auf Umgebungsdruck über einen Gasexpansionseinheit 37 reduziert und der zweiten Membraneinheit 32 permeatseitig zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 10
- Sensoreinheit
- 21
- Sensor
- 22
- Messgasanschluss
- 24
- Kalibriergasanschluss
- 26
- Ventile
- 27
- Fließwiderstände
- 28
- Leitungen
- 29
- Überwachungselement
- 30
- Referenzgaseinheit
- 31
- erste Membraneinheit
- 32
- zweite Membraneinheit
- 34
- Anschluss
- 35
- Kohlenwasserstoff-selektive Membran
- 36
- Wasser-selektive Membran
- 37
- Gasexpansionseinheit
- 38
- Austritt erste Membraneinheit
- 38'
- Austritt zweite Membraneinheit
- 39
- Austritt
