DE102021114726B3 - Verfahren und Apparatur zur sensorischen Messung eines Parameters eines Prozessfluids - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung strömenden Prozessfluids, das wenigstens eine organische Phase, eine wässrige Phase und gegebenenfalls eine Phase mit dispergierten Metallpartikeln enthält,wobei eine Separationszelle (2) bereitgestellt wird, die an einem Ende eine Aufnahmeöffnung zum Anschluss an die Kreislaufleitung, am gegenüberliegenden Ende zwei vertikal auf Abstand zueinander liegende Ausgabeöffnungen (6, 8) zur Verbindung mit Leitungen zum Anschluss an die Kreislaufleitung und einen in einem Messbereich angeordneten, für das Prozessfluid durchlässigen Messkäfig, der einen Sensor zur Messung des wenigstens einen Parameters enthält und der an einer Innenwand der Separationszelle in einer vertikalen Höhe zwischen den beiden Ausgabeöffnungen angebracht ist, aufweist,wobei die Separationszelle mit der Kreislaufleitung verbunden wird, so dass das Prozessfluid mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit in die Separationszelle fließt,wobei die Separationszelle dazu eingerichtet ist, das Prozessfluid durch Schwerkraftwirkung in die organische Phase, vertikal darunter die wässrige Phase und darunter gegebenenfalls die Phase mit Metallpartikeln zu separieren, wozu die Querschnittsfläche der Separationszelle gegenüber der der Aufnahmeöffnung zur Strömungsberuhigung vergrößert ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Separationszelle auf eine zweite Strömungsgeschwindigkeit reduziert ist und während der zum Passieren der Länge der Separationszelle bis zum Messbereich benötigten Zeit durch Schwerkraft die vertikale Separation der genannten Phasen erfolgt,wobei der Messkäfig in der Separationszelle vertikal auf einer Höhe angebracht ist, in der die zu messende Phase des Prozessfluids den Messkäfig passiert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zur kontinuierlichen sensorischen Messung wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung strömenden, inhomogenen Prozessfluids, das wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase, eine wässrige Phase und gegebenenfalls dispergierte Metallpartikel enthält und ein entsprechendes Verfahren zur kontinuierlichen sensorischen Messung wenigstens eines Parameters eines umlaufenden Prozessfluids.
• DE 20 2020 103 461 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Öl-Qualitätsüberwachung. Das Öl durchströmt ein Getriebegehäuse, an dessen tiefsten Punkt ein Reservoir angeschlossen ist, wobei das Reservoir gegenüber dem vom Öl durchströmten Getriebegehäuse strömungsberuhigt ist. Im Laufe der Zeit sammeln sich schwerere Bestandteile, wie eine wässrige Phase, in dem Reservoir an und können von Sensoren in dem Reservoir erfasst werden.
• EP 0 675 359 A1 beschreibt ein Öl-Analysegerät. Eine Pumpe zieht eine Probe des zu analysierenden Öls in das Analysegerät, wo es spektrometrischen und anderweitigen Analysen unterzogen wird.
• DE 10 2016 215 942 A1 beschreibt eine Turbomaschine, die von einem Prozessfluid durchströmt wird. An die Turbomaschine ist eine Entnahme angeschlossen, durch die eine Menge des die Turbomaschine durchströmenden Prozessfluids entnommen werden kann. Die Entnahme ist so mit einem Regelorgan ausgebildet, dass der Querschnitt der Entnahme vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
• Zu den oben genannten Prozessfluiden gehören Kühlschmierstoffe und Schneid- und Schleiföle, die bei der Bearbeitung von Metall und Glas eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung von Metallkomponenten durch Drehen, Schleifen, Bohren, Fräsen, Honen oder Räumen kommen oft Kühlschmierstoffe zum Einsatz, die über eine Kreislaufleitung zu dem Bearbeitungsort in der Bearbeitungsmaschine und dann im Kreislauf gefördert werden, wobei der Kreislauf auch Beruhigungs- und Kühlzonen sowie Filtrationsanlagen aufweisen kann. Derartige Kühlschmierstoffe weisen wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase und eine wässrige Phase auf. Bei der abtragenden Bearbeitung von Metallkomponenten können auch kleine Metallpartikel in den Kühlschmierstoff gelangen. Wenn auch noch eine Fraktion von abgeriebenen Metallpartikeln in dem Prozessfluid dispergiert ist, wird diese Fraktion der Metallpartikel in der vorliegenden Beschreibung auch als Phase bezeichnet, so dass das Prozessfluid eine organische, ölige Phase, eine wässrige und gegebenenfalls eine Phase aus dispergierten Metallpartikeln enthält.
• Um gleichbleibende Bearbeitungsbedingungen aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, über den Bearbeitungszeitraum Parameter des Kühlschmierstoffs, wie etwa Brechungsindex, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit oder Temperatur sensorisch zu erfassen. Zu diesem Zweck waren bisher in der Kreislaufleitung Entnahmestellen vorgesehen, an denen in bestimmten Zeitabständen definierte Probenvolumen des Kühlschmierstoffs entnommen und in eine Analysevorrichtung eingebracht und dort sensorisch analysiert wurden. Dazu waren an den Entnahmestellen Ventile vorgesehen, durch die manuell gesteuert oder automatisch gesteuert in bestimmten Zeitabständen Probenvolumina zur Analyse entnommen wurden. Eine mobile Analysevorrichtung zur sensorischen Analyse solcher Proben eines Prozessfluids ist in EP 3 588 084 A1 beschrieben.
• Nachteilig an der bisherigen sensorischen Überwachung von Parametern von Prozessfluiden ist, dass dafür Entnahmevorrichtungen mit stellbaren Ventilen benötigt werden, die bei einem Defekt des stellbaren Ventils eine fortgesetzte sensorische Überwachung des Prozessfluids bis zur Behebung des Defekts unmöglich machen. Weiterhin ist nachteilig, dass die Parameter nur in bestimmten Zeitabständen erfasst werden, nämlich nach der jeweiligen Probenentnahme und Überführung der Probe in die Analysevorrichtung.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit der wenigstens ein Parameter eines Prozessfluids, das in einer Kreislaufleitung zirkuliert, kontinuierlich und ohne Entnahmevorrichtung durch Sensoren analysiert werden kann, sowie eine entsprechende Apparatur zur kontinuierlichen sensorischen Messung wenigstens eines Parameters eines umlaufenden Prozessfluids anzugeben.
• Zur Lösung dieser Aufgabe dienen das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die Apparatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Vorteilhafte Ausführungsform sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum kontinuierlichen sensorischen Messen wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung zirkulierenden, inhomogenen Prozessfluids, das wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase, und eine wässrige Phase enthält. Prozessfluid aus der Kreislaufleitung wird in eine strömungsberuhigte Zone geleitet, in der die Phasen des Prozessfluids durch Schwerkraftwirkung separiert werden und in der in der gewünschten Phase des Prozessfluids Messungen durchgeführt werden, wonach das Prozessfluid wieder in die Kreislaufleitung eingeleitet wird, um die Zirkulation des Prozessfluids fortzusetzen. Die strömungsberuhigte Zone wird in Form einer Separationszelle bereitgestellt, die an einem Ende eine Aufnahmeöffnung zum Anschluss an die Kreislaufleitung, am gegenüberliegenden Ende zwei vertikal auf Abstand zueinander liegende Ausgabeöffnungen zur Verbindung mit Leitungen zum Anschluss an die Kreislaufleitung und einen in einem Messbereich angeordneten, für flüssige Phasen des Prozessfluids durchlässigen Messkäfig aufweist, der einen oder mehrere Sensoren zur Messung des wenigstens einen Parameters enthält und der an einer Innenwand der Separationszelle nahe an deren Ende mit den Ausgabeöffnungen in einer vertikalen Höhe zwischen den beiden Ausgabenöffnungen angebracht ist. Die Separationszelle wird mit der Kreislaufleitung verbunden, so dass das Prozessfluid mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit aus der Kreislaufleitung in die Aufnahmeöffnung der Separationszelle fließt. Die Separationszelle ist durch Bewirken einer Strömungsberuhigung dazu eingerichtet, das Prozessfluid durch Schwerkraftwirkung in die organische Phase(n) und vertikal darunter die wässrige Phase zu separieren. Zu diesem Zweck ist die Querschnittsfläche der Separationszelle zur Strömungsberuhigung gegenüber der Querschnittsfläche der Aufnahmeöffnung vergrößert, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids in der Separationszelle auf eine zweite Strömungsgeschwindigkeit reduziert ist und so dass während der zum Passieren der Länge der Separationszelle bis zum Messbereich benötigten Zeit durch die Schwerkraft die vertikale Separation der genannten Phasen erfolgt. Der Messkäfig ist in der Separationszelle vertikal bei einer Höhe angebracht, in der die zu messende Phase des Prozessfluids den Messkäfig passiert.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, kontinuierlich einen Parameter eines zirkulierenden Prozessfluids zu messen, ohne dabei die Zirkulation des Prozessfluids in der Kreislaufleitung zu stören. Weiterhin werden keine verstellbaren Komponenten benötigt, sondern wird eine passive strömungsberuhigte Zone in Form einer Separationskammer im Kreislauf des Prozessfluids verwendet, um darin durch Schwerkraft eine Separation der Phasen des Prozessfluids zu bewirken und eine Messung an der gewünschten Phase des Prozessfluids durchzuführen. Aufgrund des Fehlens von verstellbaren Komponenten, wie etwa Ventilen zur Probenentnahme, ist das Verfahren betriebssicher und robust anwendbar.
• Das Verfahren kann auch für Prozessfluide angewendet werden, die neben einer organischen und einer wässrigen Phase noch eine Phase mit dispergieren Metallpartikeln enthalten. In diesem Fall ist die Separationszelle dazu eingerichtet, dass Prozessfluid während des Passierens der Länge der Separationszelle von der Aufnahmeöffnung bis zum Messbereich durch Schwerkraftwirkung in die genannten Phasen zu separieren, so dass im Messbereich die wässrige Phase vertikal unterhalb der organischen Phase und die Phase mit dispergierten Metallpartikeln vertikal unter der wässrigen Phase liegt.
• Eine erfindungsgemäße Apparatur zur kontinuierlichen sensorischen Messung wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung strömenden, inhomogenen Prozessfluids, das wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase und eine wässrige Phase enthält, weist eine von dem Prozessfluid durchströmte Separationszelle auf. Die Separationszelle hat eine Aufnahmeöffnung zum Anschluss an die Kreislaufleitung an einem Ende der Separationszelle, so dass bei angeschlossener Kreislaufleitung das Prozessfluid in die Aufnahmeöffnung und dadurch in die Separationszelle strömen kann. Ferner hat die Separationszelle zwei vertikal auf Abstand zueinander liegende Öffnungen am gegenüberliegenden Ende der Separationszelle, die zur Verbindung und mit Leitungen zum Anschluss an die Kreislaufleitung ausgestaltet sind. Schließlich ist in der Separationszelle in einem Messbereich ein für flüssige Phasen des Prozessfluids durchlässiger Messkäfig montiert, der einen oder mehrere Sensoren zur Messung des wenigstens einen Parameter enthält und der an einer Innenwand der Separationszelle nahe an deren Ende mit den Ausnahmeöffnungen in einer vertikalen Höhe zwischen den beiden Ausgabeöffnungen angebracht ist. Die Separationszelle ist als strömungsberuhigte Zone dazu eingerichtet, das Prozessfluid durch Schwerkraftwirkung in die organische Phase und vertikal darunter die wässrige Phase zu separieren, wozu die Querschnittsfläche der Separationszelle gegenüber der Querschnittsfläche der Aufnahmeöffnung vergrößert ist, um die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids in der Separationszelle gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit in der Kreislaufleitung zu reduzieren und um während des Passierens der Länge der Separationszelle bis zum Messbereich durch die Schwerkraft die vertikale Separation der genannten Phasen zu bewirken. Der Messkäfig ist in der Separationszelle vertikal auf einer Höhe angebracht, in der die zu messende Phase des Prozessfluids den Messkäfig passiert.
• Die Apparatur kann auch zur Messung eines Prozessfluids eingerichtet sein, dass neben einer organischen Phase und einer wässrigen Phase noch eine Phase mit dispergieren Metallpartikeln enthält, indem die Separationszelle dazu eingerichtet ist, dass Prozessfluid während des Passierens der Länge der Separationszelle von der Aufnahmeöffnung bis zum Messbereich durch Schwerkraftwirkung in die genannten Phasen zu separieren, so dass im Messbereich die wässrige Phase vertikal unterhalb der organischen Phase und die Phase mit dispergierten Metallpartikeln vertikal unter der wässrigen Phase liegt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Separationszelle eine erste, kürzere vertikale Seitenwand, eine zweite, längere vertikale Seitenwand und dazwischen oben wenigstens eine schräg ansteigend verlaufende Deckenwand und unten wenigstens eine schräg abfallend verlaufende Bodenwand sowie zwei gegenüberliegende Endwände, wobei die Aufnahmeöffnung in vertikaler Richtung mittig an einer der Endwände und an der gegenüberliegenden Endwand eine Ausgabeöffnung in einem vertikal unten liegenden Endbereich dieser Endwand und die zweite Ausgabeöffnung in einen vertikal oben liegenden Endbereich dieser Endwand angeordnet ist, wobei der Messkäfig an der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand angebracht ist. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass die organische Phase gegenüber der wässrigen Phase nicht nur in vertikaler Richtung von dem Messkäfig ferngehalten wird, sondern auch in einer zur Fließrichtung in der Separationszelle und zur vertikalen Richtung senkrechten horizontalen Querrichtung von dem Messkäfig ferngehalten wird, da die durch Schwerkraftwirkung aufsteigende organische Phase an der schräg ansteigenden oberen Deckenwand von der kürzeren vertikalen Seitenwand, an der der Messkäfig montiert ist, weggeführt wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Separationszelle im Querschnitt trapezförmig, indem die erste, kürzere parallele Seitenwand in vertikaler Richtung mittig zu der zweiten, längeren vertikalen Seitenwand angeordnet ist und indem die untere Bodenwand von der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand schräg nach unten abfallend zu der zweiten, längeren vertikalen Seitenwand verläuft und eine obere Deckenwand von der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand schräg nach oben ansteigend zu der zweiten, längeren vertikalen Seitenwand verläuft.
• In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Aufnahmeöffnung, die den gleichen Durchmesser wie die angeschlossene Kreislaufleitung hat, zum Querschnitt der Separationszelle im Bereich von 0,02 bis 0,03. Das bewirkt, dass das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit in der Aufnahmeöffnung zu der Strömungsgeschwindigkeit in der Separationszelle im Bereich zwischen 33 und 50 liegt, d.h. die Separationszelle realisiert eine strömungsberuhigte Zone, in der die Strömungsgeschwindigkeit um das 33-fache bis 50-fache geringer ist als die Strömungsgeschwindigkeit in der Kreislaufleitung, die in die Aufnahmeöffnung übergeht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Messkäfig an der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand der Separationszelle angebracht und diese erste, kürzere vertikale Seitenwand weist im Bereich des angebrachten Messkäfigs eine Öffnung auf, die durch eine abnehmbare Platte geschlossen ist, so dass nach Abnahme der Platte durch die Öffnung das Innere des Messkäfigs zugänglich ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Innere des Messkäfigs durch Lochblechplatten und ein Stahlsieb mit einer Maschenweite im Bereich von 0,05 bis 0,25 mm von dem umgebenden Volumen der Separationszelle getrennt. Dadurch werden größere Feststoffpartikel, von den Sensoren im Messkäfig ferngehalten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform kann im Messkäfig als Sensor eine pH-Elektrode, ein Leitfähigkeitssensor und/oder ein Temperatursensor angebracht sein.
• Ferner ist die abnehmbare Platte in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Fenster versehen, so dass ein optischer Sensor, z.B. ein Refraktometer, davor positionierbar ist, um die zu messende Phase zu analysieren, insbesondere den Brechungsindex zu messen.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen erläutert, in denen:
• 1 eine perspektivische Ansicht einer Separationszelle einer erfindungsgemäßen Apparatur zeigt,
• 2 die Separationszelle aus 1 mit entfernter Frontplatte zeigt,
• 3 der Ansicht der Separationszelle aus 2 entspricht, wobei im Inneren der Separationszelle ein Messkäfig gezeigt ist,
• 4 eine Draufsicht auf die Separationszelle der 1 - 3 auf die Seitenwand mit der Frontpatte zeigt,
• 5 eine Draufsicht auf die Separationszelle aus den 1 - 4 auf eine der beiden Endwände zeigt und
• 6 eine Draufsicht auf die Separationszelle aus 1 - 5 auf die der Endwand aus 5 gegenüberliegende Endwand zeigt.
• Die in den 1 - 6 gezeigte Separationszelle 2 hat ein längliches, im Querschnitt trapezförmiges Gehäuse, wobei auf die Funktion dieser Trapezform weiter unten zurückgekommen wird. Die Separationszelle 2 hat an einer Endwand 14 (6) einen Stutzen mit einer Aufnahmeöffnung 4 und an der gegenüberliegenden Endwand 15 Stutzen mit Ausgabeöffnungen 6 und 8. Die Aufnahmeöffnung 4 und die Ausgabeöffnungen 6, 8 sind mit einer Kreislaufleitung verbunden, in der ein Prozessfluid zirkuliert. Die Separationszelle 2 kann dazu direkt in die Kreislaufleitung integriert sein, so dass der gesamte Prozessfluidstrom die Separationszelle passiert. Alternativ kann die Separationszelle eine Nebenstromleitung angeschlossen, die nur von einem Teil des zirkulierenden Prozessfluids durchflossen wird.
• Näher am Ausgabeende der Endwand 15 liegend befindet sich im Inneren der Separationszelle 2 ein Messbereich, in dem ein Messkäfig 22 (3) im Inneren der Separationszelle angeordnet ist. Der Messkäfig liegt an der Innenwand der Seitenwand 10 an und ist durch eine Öffnung 18 (3) zugänglich, wenn eine abnehmbare Platte 20 (1) von der Seitenwand 10 abmontiert und entfernt ist.
• Die Länge der Separationszelle 2 und die Entfernung des Messbereichs mit dem Messkäfig 22 von der Aufnahmeöffnung 4 bis zum Messbereich ist so bemessen, dass die beim Übergang von der Aufnahmeöffnung 4 in die Separationszelle 2 sprunghafte Querschnittserweiterung eine so starke Reduktion der Fließgeschwindigkeit gegenüber der Fließgeschwindigkeit durch die Aufnahmeöffnung 4 bewirkt, dass in dem Zeitraum, bis das Prozessfluid die Strecke von der Aufnahmeöffnung 4 bis zum Messbereich mit dem Messkäfig 22 erreicht, durch Schwerkraftwirkung eine Separation der öligen Phase, die in der Separationszelle nach oben wandert, von der wässrigen Phase, die unter der öligen Phase bleibt und gegebenenfalls von einer Phase mit dispergierten Metallpartikeln bewirkt wird, die am weitesten nach unten in der Separationszelle 2 absinkt. Die physikalische Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten v₂ (Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Separationszelle 2 und v₁ (Strömungsgeschwindigkeit in der Kreislaufleitung und in der Aufnahmeöffnung 4) von den Leitungsquerschnitten A1 (Querschnitt der Aufnahmeöffnung 4) und A2 (Innenquerschnitt der Separationszelle 2) lautet wie folgt: $$\frac{v_2}{v_1}=\frac{A_1}{A_2}$$

  
• In einem Ausführungsbeispiel wurden folgende Dimensionen verwendet: A₁ = 1590 mm² und A₂ = 60000 mm². Damit ergibt sich eine substantielle Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit in der Separationszelle 2 auf $${\text{v}}_2={\text{v}}_1\times \mathrm{0,027.}$$

  
• In diesem Fall ist also von einer Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit v₂ in der Separationszelle 2 auf knapp 3% der Ursprungsgeschwindigkeit in der Kreislaufleitung und der Aufnahmeöffnung 4 der Separationszelle 2 auszugehen. Bei typischen Strömungsgeschwindigkeiten des Prozessfluids in der Kreislaufleitung von etwa 1 m/s ergibt sich eine resultierende Geschwindigkeit von 3 cm/s in der Separationszelle 2. In Abhängigkeit von der Länge L der Separationszelle 2 bis zum Messbereich ergibt sich eine Aufenthaltsdauer des Fluids in der Separationszelle 2 von $$t=\frac{L}{v_2}$$

  

  wobei L die Entfernung von der Aufnahmeöffnung 4 der Separationszelle 2 bis zum Messbereich des Messkäfigs 22 ist.
• Im Folgenden wird ein Anwendungsfall betrachtet, bei dem das Prozessfluid aus einem mengenmäßig kleinerem Anteil einer öligen Phase mit der Dichte ρ₁ und einem größeren Anteil einer wässrigen Phase mit der Dichte ρ₂ besteht. Es wird in der Regel angestrebt, dass der Messbereich in der abgetrennten wässrigen Phase liegt. Die Höhe des oberen Randes des Messbereichs sei mit H bezeichnet. Die folgende Beziehung gibt an, welche Strecke bis zum Messbereich in der Separationszelle 2 benötigt wird, damit das bei Eintritt in die Separationszelle 2 vorhandene Gemisch aus öliger und wässriger Phase sich auf dem Weg mit der Länge L bis zum Messbereich soweit aufgetrennt hat, dass der Messbereich vollständig in der abgetrennten wässrigen Phase liegt und die ölige Phase darüber liegt: $$\frac{H}{L^2}=\frac{g}{2}\times {\left(\raisebox{1ex}{$A_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$A_1$}\right.\right)}^2\frac{1}{v_1^2}\times \frac{\left({\rho }_2-{\rho }_1\right)}{{\rho }_1}$$

  
• Darin ist g die Erdbeschleunigung, A₁ wiederum der Querschnitt der Aufnahmeöffnung 4, A₂ der Innenquerschnitt der Separationszelle 2, v₁ die erste Fließgeschwindigkeit des Prozessfluids vor Eintritt in die Separationszelle 2, v₂ die zweite, reduzierte Fließgeschwindigkeit in der Separationszelle 2.
• Für die idealisierte, überschlägige Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:
• • Die Durchflussgeschwindigkeit in der Seperationszelle ist klein gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit in der Kreislaufleitung und in der Aufnahmeöffnung 4 der Separationszelle 2, so dass der physikalische Vorgang des statischen Auftriebes angenommen werden kann.
• • Die Strömung wird als laminar angenommen.
• • Der Einfluss von Emulgatoren wird vernachlässigt.
• • Eine Phase 2 liegt zu einem deutlich kleineren Massenanteil in einer anderen Phase 1 mit entsprechend deutlich höheren Massenanteil vor.
• • Die Phase mit kleinerem Massenanteil ist mit gleicher Tröpfchengröße verteilt.
• • Zum Zeitpunkt des Eintrittes in die Seperationszelle herrscht auf die Tröpfchen kein Impuls in vertikaler Richtung

ρ₁ sei die Dichte von Phase 1,
ρ₂ sei die Dichte von Phase 2,
v₁ sei die Geschwindigkeit des Stoffgemisches in der Kreislaufleitung im Zulauf, diese wird durch die Querschnittserweiterung beim Übergang in die Separationszelle 2 auf v₂ reduziert,
A₁ sei die Querschnittsfläche der Rohrleitung des Zulaufes,
A₂ sei die Querschnittsfläche der Seperationszelle, $$Auftriebsbeschleunigunga=g\frac{{\rho }_1-{\rho }_2}{{\rho }_2}$$

$$ReduzierteGeschwindigkeit{v}_2=v_1\frac{A_1}{A_2}$$

$$VertikaleStreckeeinerbeschleunigtenBewegungs=\frac{a}{2}{t}^2{v}_{0}t+s_0$$

• Mit den für die konstruierte Seperationszelle und den Umgebungsbedingungen typischen Werten von:
• • A₁= 1135 mm²
• • A₂ = 60000 mm²
• • V₁=2m/s
• • ρ₁= 1 kg/cm³
• • ρ₂ = 0,87 kg/cm³
• • g=9,81 m/s²
ergibt sich eine Auftriebsbeschleunigung $$\text{a}=\mathrm{1,47}\text{ m}/{\text{s}}^2$$

sowie eine reduzierte Geschwindigkeit, in horizontaler Richtung, innerhalb der Seperationszelle von 0,038 m/s bzw. 38 mm/s $${\text{v}}_2=38\text{mm}/\text{s}$$

Bei einer benötigten Höhe der Phase 1 von 0,3 m $$\mathrm{0,3}m=\frac{\mathrm{1,47}\raisebox{1ex}{$m$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s^2$}\right.}{2}{t}^2$$

$$t=\mathrm{0,64}s$$

In horizontaler Richtung hat sich das Fluid derweil $$l=\mathrm{0,038}\raisebox{1ex}{$m$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.\times \mathrm{0,64}s$$

$$l=\mathrm{0,024}m$$

um 1 = 24 mm bewegt. Das zeigt, dass prinzipiell eine Beruhigungszone mit einer Länge von 24 mm bereits einen merklichen Separationseffekt haben kann. Jedoch ergeben Laborversuche, dass die angenommenen statischen Bedingungen nicht vollständig für die Beschreibung Länge ausreichen, da die Annahmen unvollständig und nicht vollständig zutreffend sind, da Effekte wie Reibung bei der Bewegung der Flüssigkeitsphasen gegeneinander und gegenüber den Leitungen sowie Turbulenz bei der abrupten Querschnittserweiterung beim Übergang in die Separationszelle 2 nicht vernachlässigbar sind.
• In der Praxis zeigt sich, dass ein Sicherheitspuffer zur Berücksichtigung der nicht berücksichtigten Effekte einen sicheren Betrieb des Systems gewährleistet. Im Falle des beschriebenen Systems wurde eine Beruhigungszone konstruktiv mit einer Länge (horizontale Strecke von der Aufnahmeöffnung 4 bis zum Messbereich) von 230 mm ausgelegt.
• In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Separationszelle 2 im Querschnitt in einer senkrecht zur Fließrichtung stehenden Ebene Trapezform, so dass die vertikale Ausdehnung von einer vertikal kürzeren Seitenwand 10 zu der gegenüberliegenden, vertikal längeren Seitenwand 11 hin zunimmt. Die vertikal kürzere Seitenwand 10 hat eine Öffnung 18, die durch eine abnehmbare Platte 20 verschließbar ist. Hinter der Öffnung 18 ist an der Innenwand der Seitenwand 10 ein Messkäfig 22 (siehe 3) angebracht. Der Messkäfig 22 wird durch Seitenwände aus Lochblechplatten umschlossen und kann zusätzlich durch ein Stahlsieb umschlossen sein. Die Maschenweite des Stahlsiebs kann im Bereich von 0,05 bis 0,25 mm liegen.
• Die abnehmbare Platte 20 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei Stutzen versehen, in denen Sensoren so montierbar sind, dass sie in Kontakt mit Prozessfluid im Messkäfig sind. Solche Sensoren können beispielsweise eine pH-Elektrode, ein Leitfähigkeitssensor oder ein Temperatursensor sein. Zusätzlich zu den beiden Stutzen ist die abnehmbare Platte 20 mit einem Sichtfenster versehen. Im Bereich des Sichtfensters der Platte 20 kann ein Refraktometer angebracht werden, mit dem der Brechungsindex der wässrigen Phase des Prozessfluids bestimmt werden kann.
• Die im Querschnitt zur Strömungsrichtung senkrecht zur Durchflussrichtung gegebene Trapezform der Separationszelle 2 hat folgenden vorteilhaften Effekt. Die Separation der öligen Phase von der wässrigen Phase erfolgt in diesem Fall nicht nur in vertikaler Richtung (in Schwerkraftrichtung), sondern auch noch in einer Richtung, die senkrecht zur vertikalen Richtung und zur Durchflussrichtung durch die Separationszelle 2 steht. In der Ansicht von 5 bedeutet dies, dass die ölige Phase zur oberen Wand 12 hin wandert und dann an dieser entlang zum höchsten Bereich unter der oberen Wand 12 wandert, der im Spitzenbereich an der oberen Ecke liegt, die durch die obere Wand 12 und die vertikal längere Seitenwand 11 gebildet wird. Auf diese Weise wird die ölige Phase nicht nur in vertikaler Richtung von dem Messkäfig 22, der an der gegenüberliegenden vertikal kürzeren Seitenwand 10 befestigt ist, ferngehalten, sondern auch in einer zwischen den Seitenwänden 10 und 11 verlaufenden horizontalen Querrichtung.

Claims (11)

1. Verfahren zum kontinuierlichen sensorischen Messen wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung strömenden, inhomogenen Prozessfluids, das wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase, und eine wässrige Phase enthält, wobei bei dem Verfahren eine Separationszelle (2) bereitgestellt wird, die an einem Ende eine Aufnahmeöffnung (4) zum Anschluss an die Kreislaufleitung, am gegenüberliegenden Ende zwei vertikal auf Abstand zueinander liegende Ausgabeöffnungen (6, 8) zur Verbindung mit Leitungen zum Anschluss an die Kreislaufleitung und einen in einem Messbereich angeordneten, für flüssige Phasen des Prozessfluids durchlässigen Messkäfig (22), der einen oder mehrere Sensoren zur Messung des wenigstens einen Parameters enthält und der an einer Innenwand der Separationszelle (2) nahe an deren Ende mit den Ausgabeöffnungen (6, 8) in einer vertikalen Höhe zwischen den beiden Ausgabeöffnungen (6, 8) angebracht ist, aufweist, wobei die Separationszelle (2) mit der Kreislaufleitung verbunden wird, so dass das Prozessfluid mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit durch die Aufnahmeöffnung (4) in die Separationszelle (2) fließt, wobei die Separationszelle (2) ferner dazu eingerichtet ist, das Prozessfluid durch Schwerkraftwirkung in die organische Phase und vertikal darunter die wässrige Phase zu separieren, wozu die Querschnittsfläche der Separationszelle (2) gegenüber der Querschnittsfläche der Aufnahmeöffnung (4) zur Strömungsberuhigung vergrößert ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids in der Separationszelle (2) auf eine zweite Strömungsgeschwindigkeit reduziert ist und während der zum Passieren der Länge der Separationszelle (2) bis zum Messbereich benötigten Zeit durch die Schwerkraft die vertikale Separation der genannten Phasen erfolgt, wobei der Messkäfig (22) in der Separationszelle (2) vertikal auf einer Höhe angebracht ist, in der die zu messende Phase des Prozessfluids den Messkäfig (22) passiert.
2. Verfahren zum kontinuierlichen sensorischen Messen nach Anspruch 1, wobei das Prozessfluid über die organische und die wässrige Phase hinaus eine Phase mit dispergiertem Metallpartikeln enthält, wobei die Separationszelle (2) ferner dazu eingerichtet ist, das Prozessfluid beim Passieren der Länge der Separationszelle (2) bis zum Messbereich durch Schwerkraftwirkung zu separieren, so dass die wässrige Phase vertikal unterhalb der organischen Phase und die Phase mit dispergierten Metallpartikeln vertikal unter der wässrigen Phase liegt.
3. Apparatur zur kontinuierlichen sensorischen Messung wenigstens eines Parameters einer flüssigen Phase eines in einer Kreislaufleitung strömenden, inhomogenen Prozessfluids, das wenigstens eine organische, insbesondere ölige Phase und eine wässrige Phase enthält, wobei die Apparatur eine Separationszelle (2) aufweist, die eine Aufnahmeöffnung (4) zum Anschluss an die Kreislaufleitung an einem Ende, so dass bei angeschlossener Kreislaufleitung das Prozessfluid in die Aufnahmeöffnung (4) strömen kann, zwei vertikal auf Abstand zueinander liegende Ausgabeöffnungen (6, 8) am gegenüberliegenden Ende der Separationszelle (2), die zur Verbindung mit Leitungen zum Anschluss an die Kreislaufleitung ausgestaltet sind, und einen in einem Messbereich angeordneten, für flüssige Phasen des Prozessfluids durchlässigen Messkäfig (22), der einen oder mehrere Sensoren zur Messung des wenigstens einen Parameters enthält und an einer Innenwand der Separationszelle (2) nahe an deren Ende mit den Ausgabeöffnungen (6, 8) in einer vertikalen Höhe zwischen den beiden Ausgabeöffnungen (6, 8) angebracht ist, umfasst, wobei die Separationszelle (2) dazu eingerichtet ist, das Prozessfluid durch Schwerkraftwirkung in die organische Phase und vertikal darunter die wässrige Phase zu separieren, wozu die Querschnittsfläche der Separationszelle (2) gegenüber der Querschnittsfläche der Aufnahmeöffnung (4) vergrößert ist, um die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids in der Separationszelle (2) zu reduzieren und während des Passierens der Länge der Separationszelle (2) bis zum Messbereich durch die Schwerkraft die vertikale Separation der genannten Phasen zu bewirken, und wobei der Messkäfig (22) in der Separationszelle (2) vertikal auf einer Höhe angebracht ist, in der die zu messenden Phase des Prozessfluids den Messkäfig (22) passiert.
4. Apparatur nach Anspruch 3, die zur sensorischen Messung eines Prozessfluids eingerichtet ist, das neben einer organischen Phase und einer wässrigen Phase eine Phase mit dispergierten Metallpartikeln enthält, indem die Separationszelle (2) ferner dazu eingerichtet ist, das Prozessfluid beim Passieren der Länge der Separationszelle (2) bis zum Messbereich durch Schwerkraftwirkung zu separieren, so dass die wässrige Phase vertikal unterhalb der organischen Phase und die Phase mit dispergierten Metallpartikeln vertikal unter der wässrigen Phase liegt.
5. Apparatur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Separationszelle (2) eine erste, kürzere vertikale Seitenwand (10), eine zweite, längere vertikale Seitenwand (11) und dazwischen oben wenigstens eine schräg ansteigend verlaufende Deckenwand (12) und unten wenigstens eine schräg abfallend verlaufende Bodenwand (13) sowie zwei gegenüberliegende Endwände (14, 15) hat, wobei die Aufnahmeöffnung (4) in vertikaler Richtung mittig an einer der Endwände und an der gegenüberliegenden Endwand (15) eine Ausgabeöffnung (6) in einem vertikal am niedrigsten liegenden Endbereich dieser Endwand und die zweite Ausgabeöffnung (8) in einem vertikal am höchsten liegenden Endbereich dieser Endwand (15) angeordnet ist, wobei der Messkäfig (22) an der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand angebracht ist.
6. Apparatur nach Anspruch 5, wobei die Separationszelle (2) im Querschnitt trapezförmig ist, wobei die erste, kürzere vertikale Seitenwand (10) vertikal mittig zu der gegenüberliegenden zweiten, längeren vertikalen Seitenwand angeordnet ist und wobei die untere Bodenwand (13) von der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand (10) schräg nach unten abfallend zu der zweiten, längeren vertikalen Seitenwand (11) verläuft und eine obere Deckenwand (12) von der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand (10) schräg nach oben ansteigend zu der zweiten, längeren vertikalen Seitenwand (11) verläuft.
7. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der an die Aufnahmeöffnung (4) angeschlossenen Kreislaufleitung zur Querschnittsfläche der Separationszelle (2) im Bereich von 0,02 bis 0,03 liegt.
8. Apparatur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Messkäfig (22) an der ersten, kürzeren vertikalen Seitenwand (10) der Separationszelle (2) angebracht ist und diese Seitenwand (10) im Bereich des angebrachten Messkäfigs (22) eine Öffnung (18) aufweist, die durch eine abnehmbare Platte (20) geschlossen ist, so dass nach Abnahme der Platte durch die Öffnung (18) das Innere des Messkäfigs (22) dahinter zugänglich ist.
9. Apparatur nach Anspruch 8, wobei das Innere des Messkäfigs (22) durch Lochblechplatten und ein Stahlsieb mit einer Maschenweite im Bereich von 0,05 bis 0,25 mm von dem umgebenden Volumen der Separationszelle (2) getrennt ist.
10. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, wobei im Messkäfig (22) als Sensor eine pH-Elektrode, ein Leitfähigkeitssensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet sind.
11. Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei die abnehmbare Platte (20) mit einem Fenster versehen ist, vor dem ein optischer Sensor zur Messung eines optischen Parameters anbringbar ist.

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