DE69209904T2 - Nichtinvasiver Durchflussmesser für den flüssigen Bestandteil einer zweiphasigen Strömung, auf Basis der Schallübertragung von festen oder flüssigen Medien - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Massendurchflusses der Flüssigkeitsströmung in einer Zweiphasen-Gas/Flüssigkeits-Injektionsdüse.
• Zweiphasendüsen sind für eine Vielfalt von Anwendungen wichtig, insbesondere für die Injektion von zerstäubtem Einsatzmaterial in chemischen oder Erdölverarbeitungsverfahren. In vielen solchen Verfahren resultieren Betriebsfähigkeit oder Selektivitätsverbesserungen, wenn eine zerstäubte Kohlenwasserstoffflüssigkeit in einer geregelten und abgemessenen Weise in eine Reaktionszone gesprüht wird, insbesondere wenn in dem Verfahren ein Katalysator verwendet wird. Ein Beispiel ist das Verfahren des katalytischen Wirbelschichtcrackens (FCC) von höher siedenden Erdölfraktionen. Typischerweise wird ein hoher Zerstäubungsgrad des Einsatzmaterials erreicht, indem das flüssige Einsatzmaterial mit einem Gas gemischt wird und die Mischung aus einer Injektionsdüse in den Prozeß injiziert wird, die so konstruiert ist, daß sie fein dispergierte Tröpfchen erzeugt. Beim katalytischen Cracken wird üblicherweise Wasserdampf als Zerstäubungsgas verwendet, aber es kann jedes mit dem Verfahren verträgliche Gas verwendet werden.
• Dem Erfordernis, die Verteilung der in ein Prozeßgefäß gesprühten zerstäubten Flüssigkeit zu steuern und zu messen, wird normalerweise durch Verwendung mehrfacher Beschickung oder Düsen entsprochen. Das Aufrechterhalten der passenden Mischung von Flüssigkeit zu Gas zur Zerstäubung und die Sicherstellung, daß jede Düse einen bestimmten Flüssigkeits- oder Massendurchfluß hat, ermöglicht potentielle Betriebsvorteile der Anlage. Eine übliche Arbeitsweise ist, in jeder Düse den gleiche Flüssigkeitsdurchfluß aufrechtzuerhalten. Die meisten Einrichtungen, die mehrere Injektionsdüsen aufweisen, haben üblicherweise Absperrventile oder Drosselblenden in den Flüssigkeits und Gasleitungen zu einer einzelnen Düse, aber diese bestimmen nicht allein den Flüssigkeitsdurchfluß. Wenn Düsen aus einem gemeinsamen Verteiler gespeist werden, ist daher nicht sichergestellt, daß der Flüssigkeitsdurchfluß durch jede Düse hindurch optimiert ist, da nur der Nettoflüssigkeitsdurchfluß zu dem gesamten Verteiler leicht gemessen werden kann. Tatsächlich haben Messungen der verschiedenen Durchflüsse aus dem Verteiler zu den Düsen üblicherweise deutliche Abweichungen von gleichem Flüssigkeitsdurchfluß zu jeder Düse gezeigt. Im Gegensatz dazu wird der Gasdurchfluß zu einer Düse üblicherweise durch eine Drosselblende an der Gasleitung bestimmt, die eine relativ gleichförmige Gasverteilung zu den individuellen Düsen sicherstellt.
• Das Messen des Massendurchflusses einer Flüssigkeit ist nicht neu. Es gibt eine Vielfalt von Durchflußmeßgeräten, die zum Messen von Massendurchflüssen verwendet worden sind. Einige arbeiten mechanisch durch Ausnutzen der Kraft einer sich bewegenden Flüssigkeit zur Drehung eines Rades oder Biegung einer Nadel. Solche Durchflußmeßgeräte können nur den Massendurchfluß unter Einphasenbedingungen messen und sind üblicherweise auf nicht verunreinigende Flüssigkeiten beschränkt. Jene Durchflußmeßgeräte, die für in der Erdöl- und petrochemischen Industrie übliche Einphasendurchflüsse erhältlich sind, sind üblicherweise recht kostspielig. Die sehr hohen Temperaturen, die zur Verminderung der Viskosität des fließenden Materials aufrechterhalten werden, führen zu zusätzlichen Problemen. Außerdem verunreinigen und verstopfen die zu verarbeitenden Flüssigkeiten die mechanischen Komponenten solcher Durchflußmeßgeräte leicht.
• Es gibt eine Vielfalt von Durchflußmeßgeräten, die als "Verwirbelungsdurchflußmeßgeräte" bekannt sind und Verwirbelungsnachströme verwenden, die von Hindernissen ausgehen, welche im Strömungsbereich liegen, um die Geschwindigkeit der Strömung aus der Frequenz der Nachstromausbreitung zu messen. Solche Durchflußmeßgeräte sind wieder auf Einphasenströmung begrenzt. Wiederum erfordern sie das Plazieren eines Hindernisses in die Strömung und sind somit wiederum anfällig für Verunreinigung. Der Temperaturbereich der meisten Systeme ist aufgrund von grundsätzlichen Einschränkungen der Schallmeßwertwandler, die erforderlich sind, um den von dem Hindernis erzeugten Schall aufzufangen, eng.
• Es gibt eine Vielfalt von akustischen Durchflußmessern, die Ultraschall zum Messen des Durchflusses verwenden. Eine Klasse solcher Durchflußmeßgeräte verwendet einen Ultraschallmeßwertwandler/Empfänger, der an der Leitung befestigt ist, die das sich bewegende Fluid enthält, und einen Ultraschallempfänger/Meßwertwandler, der an der gleichen Leitung stromaufwärts und/oder stromabwärts vom jeweils anderen befestigt ist. Die hohe Arbeitstemperatur vieler Erdöl- und petrochemischer Verfahren sowie die geometrischen Einschränkungen in bezug auf die Befestigung der aktiven akustischen Vorrichtung machen diese Durchflußmeßgeräte teuer und schwierig anwendbar für viele Erdöl- und petrochemische Anwendungen. Die Arbeitstemperaturen überschreiten oft die Betriebsgrenzwerte vieler Einphasendurchflußmeßgeräte.
• Die Messung des flüssigen Anteils einer Gas/Flüssigkeitsmischung, die durch Zweiphasendüsen fließt, ist schwierig. Übliche Vorrichtungen zur Durchflußmessung reagieren nur empfindlich auf die Geschwindigkeit des Durchflusses oder den Druck und nicht auf den Massendurchfluß. Somit sind solche Vorrichtungen nicht in der Lage, den Flüssigkeitsdurchfluß ohne getrennte und in gleichem Maße komplexe Messungen der Dichte der Mischung zu messen. Vorrichtungen, die in der Lage sind, Einphasenflüssigkeitsdurchfluß zu messen, sind teuer und oft intrusiv (in das Verfahren eingreifend), da sie den Einbau einer Blende oder einer Sperre in die Strömung erfordern, die leicht durch den flüssigen Anteil der Mischung verunreinigt werden kann. Da bei den meisten Erdöl- und petrochemischen Anwendungen die Zweiphasenmischung auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, um eine ausreichend niedrige Viskosität zum Fließen aufrechtzuerhalten, gibt es bei Durchflußmeßvorrichtungen auch eine Temperaturbegrenzung.
• Somit messen die meisten Erdöl- und petrochemischen Einrichtungen nicht die Durchflüsse zu jeder Injektionsdüse, weil geeignete und leicht zu wartende Durchflußmeßgeräte aufgrund der Schärfe der Verfahrensbedingungen und Einschränkungen wegen der Geometrie der Leitungen teuer sind. Die Entwicklung spezieller Durchflußmeßgeräte, um diesen strengen Anforderungen zu genügen, erfordert erhebliche Kosten und unerwünschte Komplexität.
• Obwohl Erdöl- und petrochemische Verarbeitungsanlagen eine verbesserte Arbeitsweise mit spezieller Flüssigkeitsverteilung aus durch Verteiler gespeisten Injektionsdüsen zeigen können, wird üblicherweise nur der Nettoflüssigkeitsdurchfluß zu dem Verteiler gemessen oder geregelt. Ohne ein Meßschema ist die Wahrscheinlichkeit einer gewünschten Durchflußaufteilung unter Injektionsdüsen allerdings aufgrund der komplexen Beschaffenheit des die Düse verlassenden Zweiphasenfluids gering. Unsicherheiten in der Flüssigkeitsverteilung werden von der Möglichkeit begleitet, daß ein Anteil des flüssigen Einsatzmaterials verdampft sein kann.
• Die Existenz eines solchen Durchflußungleichgewichts läßt sich üblicherweise nur durch anomale Verfahrensbedingungen oder Veränderungen der Ausstoßausbeuten der Anlage über einen längeren Zeitraum erschließen. Außerdem können Injektionsdüsen teilweise verstopfen oder erodieren, was zu erheblichen Durchflußfehlverteilungen führt, die unentdeckt bleiben können, bis die Anlage zur Wartung heruntergefahren wird. Daher besteht der Bedarf nach einer Technik, die den Flüssigkeitsdurchfluß einer individuellen Düse messen und überwachen kann.
• Ein akustisches Verfahren zum Überwachen und Regeln des Mischungs- oder Strömungszustands von Zweiphasenfluids für Injektionsdüsen ist aus EP-A-0 320 280 bekannt, in dem die Signatur eines aktuellen Leistungsspektrums aus einem Schwingungssensor, der akustisch mit dem Fluid in der Düse unter unbekannten Düsenarbeitsbedingungen verbunden ist, mit der entsprechenden Signatur verglichen wird, die unter bekannten Arbeitsbedingungen gewonnen wurde.
• Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Messen des Massendurchflusses einer Flüssigkeitsströmung, die eine Zweiphasen (Gas/Flüssigkeits)-Injektionsdüse verläßt. Die vorliegende Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Messen der volumetrischen Strömung von Flüssigkeit angesehen werden, da der Durchfluß von Flüssigkeitsmasse und -volumen durch die nahezu konstante Dichte der Flüssigkeit miteinander verknüpft ist. Der Bequemlichkeit halber soll im folgenden der Begriff "Massendurchfluß" verwendet werden, um sowohl den Massendurchfluß von Flüssigkeit als auch den Volumendurchfluß von Flüssigkeit zu bezeichnen.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Messen des Massendurchflusses der Flüssigkeitsströmung in einer Zweiphasen-Flüssigkeit/Gas-Injektionsdüse geliefert, bei dem
• (a) die Leistungs-Spektraldichte aus einem Signal eines sich nahe an dieser Düse befindlichen Schwingungssensors über einen Frequenzbereich gemessen wird, der mindestens einen Spitzenwert (Peak) der Flüssigkeitsströmung einschließt, wobei die Fläche der Leistungs-Spektraldichte des Peaks bzw. der Peaks der Flüssigkeitsströmung eine monoton steigende Beziehung in bezug auf die Flüssigkeitsströmung durch diese Düse aufweist,
• (b) die Größe der Fläche der Leistungs-Spektraldichte, die den Peak bzw. die Peaks der Flüssigkeitsströmung umfaßt, bestimmt wird, und
• (c) die Masse der Flüssigkeitsströmung durch die Düse aus einer vorher bestimmten Korrelation zwischen unterschiedlichen Größen der Fläche der Leistungs-Spektraldichte, die den Peak bzw. die Peaks der Flüssigkeitsströmung umfaßt, und dem Massendurchfluß der Flüssigkeitsströmung für diese Düse bestimmt wird.
• Der Massendurchfluß des flüssigen Einsatzmaterials in individuellen Injektionseinrichtungen kann passiv und in bezug auf die Strömung in nicht eingreifender Weise vorgenommen werden, indem entweder
• (1) ein dynamischer Druckmeßwertwandler in akustischem Kontakt mit der Schallenergie in dem Fluid in dem Zylinder der Injektionsdüse oder damit verbundenen Leitungen verwendet wird; oder
• (2) Beschleunigungsmeßgeräte in Körperschallkontakt mit der Schallenergie in dem Fluid in dem Zylinder der Injektionsdüse verwendet werden.
• Der Begriff "nicht eingreifend" (nicht intrusiv) bedeutet, daß der Sensor nicht in die Strömung eindringt, obwohl er permanent eingebaut sein kann, so daß er ungefähr bündig mit der Oberfläche des Leitungsinneren liegt. Das heißt, daß der Sensor die Strömung nicht unterbricht oder stört.
• Der Flüssigkeitsdurchfluß kann in Echtzeit über einen weiten Bereich von Flüssigkeits/Gas-Zerstäubungsbedingungen in individuellen Injektionseinrichtungen oder -düsen gemessen und überwacht werden. Da das Verfahren Mengen mißt, die mit der Masse des strömenden Fluids verknüpft sind, ist es eine umfassend anwendbare Technik für viele Kategorien von Zweiphasenfluidsprühvorrichtungen. Da es nur von der Schwingung und den Resonanzen abhängt, die den Strömungssystemen und -leitungen inhärent sind, kann es rasch und leicht in einer Vielfalt von Systemen angewendet werden. Da die Ausgabe des beschriebenen Verfahrens auf elektronischem Wege erfolgt, wird sie leicht auf ein Regelungssystem übertragen und das Verfahren kann verwendet werden, um die Einsatzmaterialzerstäubung und die Einsatzmaterialströmung durch individuelle Düsen automatisch zu messen und zu regeln, welche von einem gemeinsamen Verteiler gespeist werden.
• Gemäß einer bevorzugten Weise zur Durchführung der Erfindung schließt das Verfahren die Bestimmung der Leistungsspektraldichte aus der Ausgabe eines Schwingungssensors (Beschleunigungsmeßgeräts oder dynamischen Druckmeßwertwandlers) nahe an der Düse oder in Kontakt mit dem Fluid in der Düse in einem Frequenzband ein, das Resonanzpeaks (Peaks der Flüssigkeitsströmung oder LFPS) einschließt, deren Größe stark von dem Massendurchfluß der Flüssigkeit abhängt und die zunimmt, wenn die Strömung zunimmt. Der Frequenzbereich der Leistungs-Spektraldichte kann nur einen einzigen dominanten Peak oder eine Reihe von Peaks einschließen. Messungen der Fläche des Resonanzpeaks oder eines Frequenzbands, das diese einschließt, ist proportional zu der Flüssigkeitsströmung und ist unempfindlich gegenüber der Gasströmung. Die Proportionalitätskonstante zwischen der Größe des LFPS oder eines Frequenzbands, das diese einschließt, kann bestimmt werden, bevor die Düse an der Einheit befestigt wird, oder durch eine einmalig erfolgende Kalibrierung.
• Das Leistungsspektrum des Schwingungssensors ist definiert als die Frequenzverteilung des Quadrats der Ausgabe des Schwingungssensors (die Leistungs-Spektraldichte). Die Leistungsspektraldichte hat hier die Einheiten von entweder Quadrat der Beschleunigung pro Frequenzeinheit (Hertz) oder Quadrat des Drucks pro Hertz (Hz). Das Leistungsspektrum hat die Eigenschaft, daß die Fläche der Leistungs-Spektraldichte über einen beliebigen Frequenzbereich gleich dem quadratischen Mittel der Ausgabe des Schwingungssensors ist: Die Fläche der Leistungs-Spektraldichte ist entweder die mittlere quadratische Beschleunigung oder der mittlere quadratische Druck. Das Leistungsspektrum als Auftragung der Leistungs-Spektraldichte als Funktion der Frequenz wird am einfachsten dadurch erhalten, daß die Ausgabe des Schwingungssensors in eine digitale Signalverarbeitung (Signalprozes sor) (Bruel und Kjaer 2032 oder ähnliches Bauteil) eingespeist wird. Unter diesen Bedingungen ist es oft zweckmäßig, in Figuren das RMS-Druck- oder -Beschleunigungsspektrum zu zeigen, das proportional zu der Quadratwurzel der Druck- oder Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte ist. Es ist auch oft zweckmäßig, die Quadratwurzel der Fläche des Leistungsspektrums des Schwingungssensors als RMS-Beschleunigung oder RMS-Druck über ein Frequenzband aufzutragen.
• Es ist experimentell ermittelt worden, daß die LFPS sich bei relativ niedrigen Frequenzen befinden und üblicherweise zwischen 0 und 4000 Hz und in wenigen Fällen über 6400 Hz liegen.
• Der Schwingungssensor kann entweder ein Beschleunigungsmeßgerät in Kontakt mit der Außenhaut der Injektionsdüse oder ein dynamischer Druckmeßwertwandler in akustischem Kontakt mit der Strömung in der Düse sein. Ein Vorteil des Verfahrens ist, daß es nicht von der Geometrie der Düse abhängt und gleich gut mit Düsen arbeitet, die das Mischen von Gas und Flüssigkeit durch Mischschaufeln oder Flüssigkeitsdrosselung erreichen.
• Die Erfindung wird in Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen als Beispiele näher erläutert, in denen
• Figur 1a ein Schema einer Einsatzmaterialinjektionszone einer katalytischen Wirbelschichtcrackanlage (FCC-Crackanlage) zeigt, die die Anordnung der Injektionsdüsen zeigt,
• Figur 1b den Ölverteiler zeigt, der einer individuellen Injektionsdüse Öl zuführt, wobei die Ölabsperrventile 7 dargestellt sind,
• Figur 1c die Strömungsverbindungen zu einer individuellen Injektionsdüse zeigt, wobei die Wasserdampfströmung durch eine Drosselblende (RO) 10 festgelegt wird und die Ölströmung durch ein Absperrventil 12 festgelegt wird,
• Figur 1d geeignete Anordnungen für den Druckmeßwertwandler, der in Kontakt mit dem Zweiphasenfluid in der Injektionsdüse sein soll, und geeignete Stellen für das Beschleunigungsmeßgerät (25 & 26) darstellt, das so montiert werden soll, daß es auf Schwingungsmoden der Düse empfindlich reagiert, welche durch die turbulente Zweiphasenströmung angeregt werden, die aus der Düsenspitze austritt.
• Die Figuren 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 29 und 2h illustrieren die Umwandlung einer nicht gefilterten und gefilterten zeitabhängigen Beschleunigung (eines nicht gefilterten und gefilterten zeitabhängigen Drucks) in ein Beschleunigungs- (Druck-)Leistungsspektrum oder RMS-Leistungsspektrum. Speziell wurde der Schwingungssensor in Figur 2 als Beschleunigungssensor verwendet, wobei ein dynamischer Drucksensor auch funktioniert hätte.
• Figur 2a zeigt ein typisches Beschleunigungssignal als Funktion der Zeit. Figur 2 b zeigt das Quadrat des Beschleunigungssignals aus Figur 2a. Figur 2c zeigt das Beschleunigungsleistungsspektrum des in Figur 2a gezeigten Signals. Das Beschleunigungsleistungsspektrum zeigt die Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte als Funktion der Frequenz. Das Integral der Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte über alle in dem in Figur 2a gezeigten Beschleunigungssignal enthaltenen Frequenzen entspricht dem Zeitmittel des Quadrats des in Figur 2b gezeigten Beschleunigungssignals. Figur 2d zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum, das proportional zu der Quadratwurzel der in Figur 2c gezeigten Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte ist.
• Figur 2e zeigt ein weiteres typisches Beschleunigungssignal als Funktion der Zeit. Figur 2f zeigt das Beschleunigungsleistungsspektrum des in Figur 2e gezeigten Signals. Das Beschleunigungsleistungsspektrum zeigt die Beschleunigungsleistungs- Spektraldichte als Funktion der Frequenz. Das Integral der Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte zwischen den Frequenzen F&sub1; und F&sub2;, das in Figur 2f gezeigt sind, ist definiert als die Fläche des angezeigten Peaks. Es entspricht der mittleren quadratischen Leistung des Beschleunigungszeitsignals für das Frequenzband zwischen F&sub1; und F&sub2;.
• Figur 2g zeigt das Beschleunigungssignal aus Figur 2f, das durch eine Filtereinrichtung geleitet worden ist, die das Signal für Frequenzen F in einem Durchlaßbereich F&sub1; < F < F&sub2; verstärkt und das Signal außerhalb dieses Bands stark abschwächt.
• Figur 2h zeigt das Beschleunigungsleistungsspektrum des in Figur 29 gezeigten gefilterten Signals. Das Beschleunigungsleistungsspektrum zeigt die Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte als Funktion der Frequenz. Das Integral der Beschleunigungsleistungs-Spektraldichte über alle in dem in Figur 29 gezeigten Beschleunigungssignal enthaltenen Frequenzen entspricht dem Zeitmittel des Quadrats des in Figur 29 gezeigten Beschleunigungssignals.
• Figur 3 zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum von einem Beschleunigungsmeßgerät, das an dem Rohrreinigungsstopfen (Figur 1d) (Position 25) einer Injektionsdüse eines Cat-Crackers montiert ist, die Öl und Wasserdampf in das Einsatzmaterialsteigrohr (den Riser) einer FCC-Anlage injiziert. Die Region des Spektrums für diese Düse, welche die "Flüssigkeitsströmungspeaks (LFP)" enthält (0 bis 4000 Hz), die mit zunehmendem Öldurchfluß ansteigen, und die "Gasströmungspeaks (GFP)" (4000 bis 12800 Hz), die mit zunehmendem Öldurchfluß abnehmen, sind näherungsweise dargestellt. Genaue Zuordnungen dieser Peaks und der Regionen des RMS-Beschleunigungsspektrums, in denen sie sich be finden, basieren auf Feldeichmessungen.
• Figur 4a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum (Einheiten ms&supmin;²), das von einem Beschleunigungsmeßgerät stammt, das wie in Figur 1d gezeigt (Position 26) montiert ist, für 150 gpm (Gallons pro Minute) entsprechend 568 Litern pro Minute Wasser und 370 SCFM (Volumendurchfluß in Standard-Kubikfuß pro Minute) entsprechend 10480 Litern pro Minute Luft über den Frequenzbereich von 0 bis 1600 Hz. Der Flüssigkeitsströmungspeak ist der markierte Bereich bei etwa 400 Hz.
• Figur 4b zeigt eine Auftragung der Fläche des markierten Peaks in dem RMS-Beschleunigungsspektrum, der durch den markierten Bereich der Figur 4a definiert ist, als Funktion der Luftmassenströmung für diskrete Werte von Flüssigkeit, die aus der Injektionsdüse austritt. Dieser Peak ist der in Frage kommende Flüssigkeitsströmungspeak (LFP). Die Fläche des LFP wird als ALFP bezeichnet (Einheiten: ms&supmin;²).
• Figur 4c zeigt die lineare Abhängigkeit der Fläche des 400 Hz-Peaks der Injektionsdüse (ALFP) aus Figur 4b als Funktion der Wasserströmung für Luftströmungen von 200, 250 und 300 SCFM entsprechend 5664, 7080 und 8496 Liter pro Minute.
• Figur 5a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum (27) (Einheiten: pounds per inch²), das aus einem dynamischen Druckmeßwertwandler stammt, der wie in Figur 1d gezeigt montiert ist, für 150 gpm (568 Liter/Minute) Wasser und 248 SCFM (7023 Liter/Minute) Luft über den Bereich von 0 bis 50 Hz für die gleiche Düse, deren RMS-Beschleunigungsspektrum in Figur 4a gezeigt ist.
• Figur 5b zeigt eine Auftragung der Fläche des RMS-Druckspektrums über den vollen Bereich von 50 Hz (ALFP; Einheiten: pounds per inch²) als Funktion der Luftströmung für diskrete Werte der aus der Injektionsdüse austreten Flüssigkeitsströmung, wodurch die schwache Abhängigkeit von der Luftströmung gezeigt wird.
• Figur 5c zeigt die lineare Abhängigkeit der Fläche des RMS- Druckspektrums über den vollen Bereich von 50 Hz (ALFP) von Figur 5b als Funktion der Wasserströmung für Luftströmungen von 200, 250 und 300 SCFM (5664, 7080 und 8496 Litern/Minute), wodurch die starke Abhängigkeit von der Wasserströmung gezeigt wird.
• Figur 6a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum, das von einem Beschleunigungsmeßgerät stammt, welches wie in Figur 1d gezeigt (Position 25) montiert ist, für 150 gpm Wasser und 370 SCFM (10480 Liter) Luft über den Bereich von 0 bis 6400 Hz für die gleiche Injektionsdüse, deren RMS-Beschleunigungsspektrum in Figur 4a für den Bereich von 0 bis 1600 Hz gezeigt ist.
• Figur 6b zeigt eine Auftragung der Fläche des RMS-Beschleunigungsspektrums (ALFP) über den Bereich von 0 bis 6400 Hz für die Düse, deren RMS-Beschleunigungsspektrum in Figur 6a gezeigt ist, als Funktion der Luftmassenströmung für diskrete Werte von aus der Injektionsdüse austretender Flüssigkeit.
• Figur 6c zeigt die lineare Abhängigkeit der Fläche des RMS- Beschleunigungsspektrums (ALFP) für die Injektionsdüse von Figur 6b als Funktion der Wasserströmung für Luftströmungen von 200, 250 und 300 SCFM (5664, 7080 und 8496 Litern/Minute).
• Figur 7a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum (0 bis 1000 Hz) einer Injektionsdüse mit einer anderen Konstruktionsweise als in den Figuren 3 bis 6 gezeigt für einen konstanten Luftstrom von 230 SCFM (6514 Litern/Minute) und einer Wasserströmung, die von 0 bis 240 gpm (908 Litern/Minute) variiert. Der dunklere Peak nahe 600 Hz ist der LFP.
• Figur 7b zeigt die Auftragung der Wasserströmung (gpm) von Figur 7(a) als Funktion der Höhe des schattierten Peaks in Figur 7a.
• Figur 8a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum über den Bereich von 800 bis 2500 Hz einer Injektionsdüse, die eine Mischung aus Öl und Wasserdampf in einen arbeitenden Cat-Cracker injiziert. Die Position des Beschleunigungsmeßgeräts war auf dem "Rohrreinigungs"stopfen der Injektionsdüse (Position 24 von Figur 1d). Das Öffnen des entsprechenden Absperrventils ist in Figur 8a dargestellt. Der LFP für die Injektionsdüse ist auch dargestellt.
• Figur 8b zeigt die lineare Korrelation zwischen Ölstrom und RMS-Beschleunigung, die durch die Fläche des "Ölpeaks" (ALFP) definiert ist, für die Injektionsdüse in Figur 8a.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Beschleunigungsmeßgerät oder eine andere Schwingungsmeßeinrichtung an der Außenhaut der Injektionsdüse oder einer entsprechenden Leitung in Körperschallkontakt mit der akustischen Leistung in der Fluidmischung befestigt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein dynamischer Druckmeßwertwandler in Kontakt mit der Gas/Flüssigkeitsmischung in der Düse oder einer verwandten Leitung. In beiden Fällen wird das zeitabhängige elektrische Signal aus einem dieser Sensoren verstärkt und dann entweder zur nachfolgenden Verarbeitung aufgezeichnet oder direkt zu einem Leistungsspektrum verarbeitet. Dieses Leistungsspektrum zeigt den Frequenzgehalt der Schwingungen der Düse oder die dynamischen Druckschwankungen der Flüssigkeit in der Düse. Eine allgemeine Beschreibung des elektronischen Systems, durch welches das Schwingungssignal mit dem Flüssigkeitsdurchfluß korreliert, wird nachfolgend gegeben. Zweiphaseninjektionsdüsen eines katalytischen Wirbelschichtcrackers werden mitunter zu Illustrationszwecken verwendet, aber diese Erfindung ist nicht auf jene Verwendung begrenzt.
• Figur 1a ist ein Schema der Injektionsregion einer typischen katalytischen Wirbelschichtcrackanlage (FCC-Anlage), das die Anordnung von (in diesem Beispiel) acht Injektionsdüsen 1 zeigt, die mit dem gezeigten Katalysatordurchfluß 3 in Einsatzmaterialsteigrohr 2 injizieren. Öl für die Injektionsdüsen wird aus Sammler 4 in einen gemeinsamen Verteiler 5 verteilt, wie in Figur 1b gezeigt. Wie in der Figur dargestellt, steuern individuelle Absperrventile 7 in jeder Leitung den Öldurchfluß zu der Düse 6. Wie in Figur 1c gezeigt, werden Wasserdampf 9 und Öl 11 einer individuellen Düse zugeführt, wobei der Wasserdampf zweierlei Aufgaben hat, und zwar das Öl zu zerstäuben und die Düse frei von Verstopfungen zu halten, wenn der Ölstrom abgeschaltet ist. Der Öldurchfluß wird durch die Absperrventile 12 geregelt, wie in Figur 1 c gezeigt. Die Wasserdampfströmung wird dadurch gesteuert, daß der Hochdruckwasserdampf durch eine Drosselblende (RO) 10 strömt, die typischerweise unter "blockierten Strömungs"bedingungen einen konstanten Massendurchfluß an Wasserdampf unabhängig von dem stromabwärts herrschenden Druck aufrechterhält. Die Düse ragt in die Einsatzmaterialsteigrohrwand 13, um zerstäubtes Öl 14 in dem Katalysatorstrom 15 zu dispergieren.
• Figur 1d zeigt eine einzelne Injektionsdüseninstallation detaillierter Öl 16, das durch Absperrventil 17 fließt, mischt sich mit dem von RO 19 gesteuerten Wasserdampf 18. Der Mischungspunkt 20 von Öl und Wasserdampf ist stromabwärts von sowohl dem Ölventil als auch RO angeordnet. Die Mischung wird durch den Düsenschaft 21 zu Düsenspitze 22 geschoben und tritt als Sprühnebel (Spray) 23 aus der Düsenspitze aus.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Schwingungssensor 24 auf dem Rohrreinigungsstopfen oder nahe an dem Flansch 26 angeordnet, der den Rohrreinigungsstopfen trägt, oder in beliebiger Anordnung, die aufflüssigkeitserzeugten Schall und flüssigkeitserzeugte Schwingung anspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein dynamischer Druckmeßwertwandler 27 so angeordnet, daß er sich in Kontakt mit der Strömung stromabwärts von Mischungspunkt 20 befindet. Jede Anordnung, bei der der Meßwertwandler auf Veränderungen des Durchflusses empfindlich reagiert, ist akzeptabel.
• Die Größe des zeitabhängigen elektrischen Signais von dem Beschleunigungsmeßgerät oder dem dynamischen Druckmeßwertwandler, die in den Figuren 2a und 2e illustriert sind, ist proportional zu der Schwingungsleistung der Oberfläche der Injektionsdüse (Beschleunigungsmeßgerät) und/oder dem darin befindlichen Fluid (dynamischer Druckmeßwertwandler). Quantitativ ist der Mittelwert des Quadrats dieses Signals über ein Zeitintervall proportional zu der mittleren quadratischen Leistung über dieses Zeitintervall. Dieser quantitative Wert ist ein Maß für die Schwingungsenergie, die von der turbulenten Strömung erzeugt wird, die aus der Düse austritt, wie in Figur 2b gezeigt. Nachfolgend wird mitunter auf die Ausgabe von entweder dem Beschleunigungsmeßgerät oder dem dynamischen Drucksignal als das "Schwingungssignal" Bezug genommen und auf das Quadrat der Ausgabe von entweder dem Beschleunigungsmeßgerät oder dem dynamischen Drucksignal als die "Schwingungsleistung" Bezug genommen.
• Die vorliegende Erfindung verwendet ein weiteres Maß der Schwingungsleistung - nämlich die Verteilung der Schwingungsleistung über die Frequenz. Wie wohlbekannt ist, ist die Verteilung der Schwingungsleistung durch das Leistungsspektrum des Schwingungssensors gegeben, das eine Auftragung der Leistungs- Spektraldichte als Funktion der Frequenz ist. Figur 2c zeigt das Leistungsspektrum des zeitabhängigen statistischen Signals der Figur 2a. Die Fläche der Leistungs-Spektraldichte über einen beliebigen Frequenzbereich ist proportional zu der mittleren quadratischen Schwingungsenergie des zeitabhängigen Signals in jenem Frequenzbereich (Figur 2b). Die Leistungs-Spektraldichte für ein Beschleunigungsmeßgerät (dynamischer Druckmeßwertwandler) hat die Einheiten Beschleunigung zum Quadrat pro Hertz (Druck zum Quadrat pro Hertz).
• Es ist oft zweckmäßiger, das RMS-Leistungsspektrum zu zeigen, bei dem die RMS-Spektraldichte als Funktion der Frequenz aufgetragen ist, wie in Figur 2d gezeigt. RMS bedeutet "quadratischer Mittelwert" (Root Mean Square). Die RMS-Leistungs-Spektraldichte für ein Beschleunigungsmeßgerät (einen dynamischen Druckmeßwertwandler) hat die Einheiten RMS-Beschleunigung (RMS- Druck). Mit einem konstanten Faktor ist die RMS-Beschleunigung (oder der RMS-Druck) gleich der Quadratwurzel des Leistungsspektrums für Beschleunigung oder Druck. Wie Fachleuten im Bereich der digitalen Signalverarbeitung wohlbekannt ist, ist der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Leistungsspektrum der Beschleunigung (des Drucks) und dem RMS-Beschleunigungsspektrum (RMS-Druckspektrum) die Quadratwurzel der Frequenzauf lösung des Signalprozessors.
• Die elektrische Ausgabe für sowohl Beschleunigungs- als auch Druckschwingungssensoren wird von einer Funktion der Zeit mittels eines digitalen Signalprozessors oder gleichwertiger Technik in eine Funktion der Frequenz umgewandelt. Das Leistungsspektrum zeigt die Leistung des Signals als Funktion der Frequenz und hat die einzigartige Eigenschaft, daß die Fläche der Leistungs-Spektraldichte über ein Frequenzband proportional zu der Schwingungsleistung in jenem Frequenzband ist.
• Es ist gefunden worden, daß die Schwingungsleistung in bestimmten Regionen des Leistungsspektrums verwendet werden kann, um das Volumen des Flüssigkeitsdurchflusses zu messen, der die Zweiphasendüse verläßt. In einigen Fällen verwendet das Verfahren zum Messen des Durchflusses die Leistung eines bestimmten Peaks in dem Leistungsspektrum, in anderen Fällen kann gezeigt werden, daß die Leistung eines Frequenzbands in dem Leistungsspektrum, das den Peak einschließt, auch ein Maß für den Flüssigkeitsdurchfluß sein kann. In einigen Fällen kann die Höhe des Peaks auch als Maß für den Flüssigkeitsdurchfluß verwendet werden.
• Es gibt alternative Signalverarbeitungstechniken, die gegenüber der Berechnung des gesamten Leistungsspektrums erhebliche Kosten- oder Leistungsvorteile bieten. Beispielsweise kann, wenn einmal das obige Frequenzband bestimmt worden ist, der Energiegehalt des Bands auf vielerlei Weise bestimmt werden. Digitales (oder anderweitiges) Durchlaßbandfiltern des Signals des Schwingungssensors, gefolgt von Leistungsnachweis, ist dem Messen der Fläche des Leistungsspektrums über eine gewählte Bandbreite äquivalent. Die spezielle Signalverarbeitungstechnik, mittels der der Energiegehalt der Schwingungssignale über ein Frequenzband bestimmt wird, ist nicht kritisch, solange der Frequenzbereich Peaks oder Reihen von Peaks einschließt, deren Fläche eine empfindliche Funktion der Masse der Flüssigkeit ist, die aus der Düse austritt. Es ist auch nicht kritisch, ob die notwendige Signalverarbeitung der Schwingungssignale auf der der Injektionsdüse benachbarten Plattform oder im Steuerungsraum oder zwischen beiden verteilt vorgenommen wird.
• Es ist kritisch, daß Feldeichung verwendet wird, um Peaks und damit verbundene Regionen des Leistungspektrums zu identifizieren, deren Fläche (oder mittlere quadratische Schwingungsleistung) eine starke Funktion des akustischen Schalls ist, der durch die Flüssigkeitsströmung erzeugt wird, die aus der inte ressierenden Düse austritt. Nachfolgend werden diese Peaks als Flüssigkeitsströmungspeaks (LFP) bezeichnet. In dieser Erfindung ist das Maß der Schwingungsleistung in dem Frequenzband, das die Flüssigkeitsströmungspeaks einschließt, die RMS-Beschleunigung (oder der RMS-Druck), die bzw. der durch die Quadratwurzel der Fläche der Leistungs-Spektraldichte über ein Frequenzband definiert ist, das die Flüssigkeitsströmungspeaks einschließt. Diese Fläche wird als ALFP bezeichnet und hat die Einheit der RMS-Beschleunigung (oder des RMS-Drucks). Es ist gefunden worden, daß die ALFP direkt mit dem Volumen des Flüssigkeitsdurchflusses korreliert. In vielen Fällen ist die ALFP eine lineare Funktion des Flüssigkeitsdurchflusses, es muß für erfindungsgemäße Zwecke jedoch nicht so sein. Das Einrichten eines Korrelationsfaktors zwischen der ALFP und dem Flüssigkeitsdurchfluß aus der Düse kann entweder in einer Testvorrichtung, in der Flüssigkeit direkt gemessen werden kann, oder durch Feldeichung, wie nachfolgend beschrieben, vorgenommen werden. Über den Flüssigkeitsströmungspeaks in dem Frequenzspektrum sind Gasströmungspeaks, die in erster Linie auf die Gasströmung durch die Drosselblende ansprechen. Diese Gasströmungspeaks sind erfindungsgemäß nicht relevant.
• Die Flüssigkeitsströmungspeaks (LFP) finden sich üblicherweise bei relativ niedrigen Frequenzen und es scheint, als ob sie aus longitudinalen "Orgelpfeifen"-Resonanzen kommen, die von der turbulenten Strömung, die aus der Zweiphasen-Injektionsdüse austritt, angeregt werden. Es ist zu erwarten, daß die Anregung der "Orgelpfeifen"-Resonanzen proportional zu der kinetischen Energie der aus der Düse austretenden Flüssigkeit und somit eine Funktion des Massendurchflusses ist. Allerdings ist es im Gebiet der Akustik wohlbekannt, daß die Frequenzen von Resonanzen von der Kopplung zwischen dem Fluid und der dieses umgebenden mechanischen Struktur sowie allen akustischen Wegen, die dem Fluid verfügbar sind, abhängen kann. Aus all diesen Gründen sind die LFPS für eine gegebene Düse und deren Aufbau spezifisch und müssen direkt für die arbeitende Injektionsdüse bestimmt werden.
• Figur 2e zeigt das zeitabhängige Signal von einem Schwingungssensor (Beschleunigungsmeßgerät oder dynamischer Druck). Figur 2f zeigt eine Auftragung der Leistungs-Spektraldichte eines solchen Meßwertwandlers. Der Peak zwischen den Frequenzen F&sub1; und F&sub2; soll den LFP darstellen. Die Fläche unter der Leistungs-Spektraldichtenkurve zwischen den Frequenzen F&sub1; und F&sub2; ist die ALFP. Diese Fläche entspricht der mittleren quadratischen Leistung des Schwingungssensors im Frequenzband zwischen F&sub1; und F&sub2;.
• Wenn der Flüssigkeitsströmungspeak (LFP) durch seine Abhängigkeit von der Flüssigkeitsströmung erst einmal identifiziert worden ist, kann die ALFP auf vielerlei Weise bestimmt werden. Ein Ansatz ist oben bezogen auf einen digitalen Signalprozessor beschrieben. Es gibt andere Wege, die mitunter zweckmäßig sein können. Beispielsweise kann das ursprüngliche in Figur 2e gezeigte Schwingungssignal durch einen Filter geleitet werden, der Schwingungsenergie bei Frequenzen unter F&sub1; und über F&sub2; stark abschwächt. Ein solcher Filter ist als digitaler oder analoger "Durchlaßband"filter bekannt. Wenn das oben in Figur 2e gezeigte Schwingungssignal durch einen solchen Filter geleitet wird, ist die Ausgabe ein anderes Schwingungssignal, wie in Figur 29 gezeigt. Das in Figur 29 gezeigte Signal hat nur eine endliche Leistungs-Spektraldichte zwischen F&sub1; und F&sub2;, wie in Figur 2h gezeigt. Das zeitabhängige Signal aus Figur 29 kann in einer geeigneten elektronischen Vorrichtung quadriert und gemittelt (gleichgerichtet und gefiltert) werden, um ein dc-Signal zu ergeben, das zu der ALFP proportional ist, die in Figur 2h illustriert war.
• Im allgemeinen befinden sich die LFPS oft in dem relativ engen Bereich von 0 bis 6400 Hz für Injektionsdüsen, wie sie üblicherweise in der erdölverarbeitenden und chemischen Industrie verwendet werden, entsprechend der Zweiphasenströmung in dem Strömungsherrschaftsbereich, in dem der Flüssigkeitsdurchfluß 50 bis 300 gpm (gallon/Minute) entsprechend 189 bis 1135 Liter/Minute beträgt und die Gasströmung in dem Herrschaftbereich 50 bis 450 SCFM (Massendurchfluß des Gases in Standard- Kubikfuß pro Minute) entsprechend 1416 bis 12744 Liter/Minute beträgt.
• Figur 3 zeigt das RMS-Beschleunigungs-Leistungsspektrum (Position 25 in Figur 1d) aus einem Beschleunigungsmeßgerät, das auf dem "Rohrreinigungsstopfen" einer arbeitenden Injektionsdüse montiert war. Die Flüssigkeitsströrnungspeaks (LFP), deren Amplitude mit der Ölströmung zunehmen, befanden sich in diesem Beispiel unter 2000 Hz. Die Gasströmungspeaks, deren Amplitude mit der Ölströmung abnehmen, befanden sich bei dieser Düse in einem signifikant höheren Frequenzbereich, im Fall dieser Düse lagen die Gaspeaks zwischen 4000 und 12000 Hz.
• Figur 4 illustriert das Verfahren, wenn eine Injektionsdüse im Anlagenmaßstab an einer Testvorrichtung befestigt wird, bei der der Durchfluß von Gas (Luft) und Flüssigkeit (Wasser) zu der Düse direkt bestimmt werden kann. Die akustischen Eigenschaften von Luft und Wasser entsprechen den akustischen Eigenschaften der Gase und Flüssigkeiten, die im allgemeinen in der Erdölraffinierung und der petrochemischen Industrie verwendet werden. Figur 4a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrurn des Beschleunigungsmeßgerätsignals, das in Position 26 in Figur 1d befestigt ist, über den Bereich von 0 bis 1600 Hz für eine Wasserströmung von 150 gpm (gallon/Minute) und eine Luftströmung von 370 SCFM (Standard-ft³/Min) entsprechend 10480 Liter pro Minute. Der LFP bei 400 Hz wird durch den Pfeil gezeigt und seine Fläche ist schattiert dargestellt. Die Ordinate von Figur 4b ist die Quadratwurzel der Fläche des LFP in den Einheiten m/s² (ms&supmin;²) aufgetragen als Funktion der gemessenen Luftmassenströmung (SCFM) für unterschiedliche Flüssigkeitsdurchflußmengen (gpm).
• Aus Figur 4b und deutlich gezeigt in Figur 4c folgt, daß die ALFP eine annähernd lineare Funktion der Flüssigkeitsströmung ist und relativ unabhängig von der Gasströmung in dem Strömungsbereich der Flüssigkeitsströmung über 100 gpm (379 Liter/- Minute) und der Luftströmung über 100 SCFM (2832 Liter/Minute) ist.
• Figur 5a zeigt das RMS-Druckspektrum über den Bereich von 50 Hz der Ausgabe eines dynamischen Druckmeßwertwandlers, das für die gleiche Düse wie in Figur 4a erhalten wurde, deren RMS Beschleunigungsspektrum für eine Wasserströmung von 150 gpm (568 1/Min) und Luftströmung von 270 SCFM (7646 1/Min) gezeigt ist. Die ALFP ist definiert als die Fläche des Leistungsspektrums von bis 50 Hz. Die Ordinate von Figur 5b ist die ALFP (pounds per inch²), aufgetragen als Funktion der gemessenen Luftströmung (Massendurchfluß in SCFM) bei unterschiedlichen Flüssigkeitsdurchflußmengen in gallon/Minute. Bei Luftströmungen über etwa 100 SCFM (2832 l/Min) und Flüssigkeitsströmungen zwischen 0 und 250 gpm (0 und 946 l/Min) ist der RMS-Druck über das 50 Hz Band eine annähernd lineare Funktion der Flüssigkeitsströmung, wie direkt in Figur 5c gezeigt.
• Figur 6a zeigt das RMS-Beschleunigungsspektrum des Beschleunigungsmeßgeräts über den Bereich von 0 bis 6400 Hz für die gleiche Düse, die in Figur 4 verwendet worden war, und für die gleichen Strömungsbedingungen wie in Figur 4a. Die Ordinate in Figur 6b ist die ALFP als Funktion der Luftströmung für unterschiedliche Werte der Flüssigkeitsströmung Die Kurven der Figur 6b sind denen der Figur 4b sehr ähnlich, wodurch die relative Unempfindlichkeit der ALFP gegenüber der genauen Bandbreite, die für die Fläche ausgewählt wird, gezeigt wird, so lange die Bandbreite den LFP bei 400 Hz einschließt. Figur 6b ist eine Auftragung der ALFP als Funktion des Volumens des Flüssigkeitsdurchflusses bei konstanter Luftströmung Figur 6c ist trotz der erhöhten Bandbreite Figur 4c ähnlich, weil die ALFP durch den LFP (400 Hz) und seine Harmonischen über den Bereich von 6400 Hz für den in Frage kommenden Strömungsbereich beherrscht wird.
• Es ist klar, daß die Korrelation, die die ALFP mit dem Flüssigkeitsdurchfluß verbindet, erhalten werden kann, wenn getrennte Flüssigkeitsdurchflußmessungen gemacht werden. Nachfolgende Messungen der ALFP können dann verwendet werden, um die Ölströmung aus individuellen Injektionsdüsen zu überwachen und zu messen und das Raffinerieverfahren oder petrochernische Verfahren in Hinsicht auf die Strörnungsverteilung zu optimieren. Blockierte oder teilweise blockierte Injektionsdüsen können identifiziert und korrigierende Maßnahmen ergriffen werden.
• In einer Anlagenumgebung kann der LFP identifiziert werden, indem das Ölabsperrventil (12 in Figur 1c) in Stufen von vollständig geschlossen zu vollständig geöffnet verändert wird und die sich ändernden Peaks in dem Leistungsspektrum bestimmt werden. Es gibt mehrere Wege zum Eichen der ALFP und des Flüssigkeitsausstroms aus der Düse.
• Die Korrelation zwischen der ALFP und der Flüssigkeitsströmung kann bestimmt werden, indem die Veränderung der Ölströmung zu dem Verteiler gemessen wird, wenn das Absperrventil einer speziellen Düse verändert wird, während der Druck in dem Verteiler konstant gehalten wird. Unter diesen Bedingungen bleibt der Durchfluß aus den anderen Düsen unverändert und die Veränderung des Nettodurchflusses zu dem Verteiler entspricht der Veränderung des Durchflusses zu der in Frage kommenden Düse. Nachdem der Korrelationskoeffizient für jede Düse bestimmt worden ist, kann die Annahme des unveränderten Ölflusses zu den anderen Düsen, wenn das Absperrventil an einer Düse verändert wird, getestet werden. Eine weitere Alternative ist der direkte Weg durch direkte Messung des Flüssigkeitsdurchflusses zu der in Frage kommenden Düse, indem das Öl und der Wasserdampf durch leichter handhabbare Flüssigkeiten und Gase wie Wasser und Luft ersetzt werden und die ALFP für einen Bereich von Flüssigkeits durchflußwerten gemessen wird, der den Arbeitsbedingungen der in Frage kommenden Düse entspricht. Es gibt noch einen anderen Weg zur Eichung der ALFP in Hinsicht auf den Flüssigkeitsdurchfluß, indem für die Zeitdauer der Eichung ein Durchflußmeßgerät in die Flüssigkeitsleitung eingesetzt wird. Wenn die Eichung einmal erhalten worden ist, kann die ALFP für diese Düse als Maß für den Flüssigkeitsdurchfluß verwendet werden.
• Figuren 7 und 8 illustrieren zwei alternative Wege zur Eichung des Schwingungssignals in Bezug auf den Flüssigkeits durchfluß für die gleiche Injektionsdüse, in diesem Fall eine Injektionsdüse einer FCC-Anlage. In Figur 7 wurde der Flüssigkeitsdurchfluß zu einer speziellen Düse direkt gemessen; in diesem Fall war die Flüssigkeit Wasser und das Gas war Luft. In Figur 8 wurde ein konstanter Druck zu dem Ölverteiler aufrechterhalten, der die in Frage kommende Düse speiste, und die Verände rung des gesamten Öldurchflusses zu dem Verteiler wurde direkt gemessen, wenn das die Strömung zu der Düse regelnde Ventil verändert wurde. Gleichzeitig wurde die ALFP gemessen. Das Gas war in diesem Fall Wasserdampf.
• Figur 7a zeigt eine Reihe von RMS-Beschleunigungs-Leistungsspektren für den Einsatzmaterialinjektor eines Cat-Crakkers, der mit Wasser und Luft getestet wurde. Die Konstruktionsweise der Mischkammer in dieser Düse unterscheidet sich erheblich von den in den Figuren 4 bis 6 betrachteten Düsen. Der schattierte Bereich illustriert den LFP bei 600 Hz. In Figur 7b ist gezeigt, daß die Veränderungen der Peakhöhe des LFP (die für die Daten der Figur 7a proportional zu der ALFP sind) eine lineare Funktion des Wasserdurchflusses bei konstantem Luftmassendurchfluß (230 SCFM) sind. Dies ist ein Weg, um die Korrelation zwischen der ALFP und dem aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrom zu erhalten.
• Der alternative Weg des Eichens der Korrelation zwischen dem Schwingungssignal und der aus der Düse austretenden Flüssigkeit ist nachfolgend beschrieben. Der Öldurchfluß zu der in Frage kommenden Düse wurde aus der Veränderung der Ölströmung zu dem Ölverteiler unter Bedingungen konstanten Drucks bestimmt.
• Figur 8a ist das RMS-Beschleunigungsspektrum für die Beschleunigung über den Bereich von 800 bis 2500 Hz für eine Injektionsdüse an einer arbeitenden FCC-Anlage. Der schattierte Bereich ist der LFP, der bei etwa 1650 Hz liegt. Das Beschleunigungsmeßgerät, das die Quelle des Schwingungssignals ist, ist an dem "Rohrreinigungs"stopfen der Düse (Position 25 in Figur 1d) montiert. In jedem Fall ist die Steuerungsvariable die Einstellung des Ölabsperrventils (dargestellt als % Öffnung) und der LFP ist schattiert dargestellt. Messungen der Veränderung des Verteileröldurchflusses, wenn die Injektionsdüse von jeglicher speziellen Einstellung abgeschaltet ist, ermöglichen die Bewertung des Öldurchflusses entsprechend der Einstellung des Ölabsperrventils.
• Figur 8b zeigt die lineare Korrelation, die zwischen der ALFP und dem gemessenen Flüssigkeitsdurchfluß erhalten wird. Aus dieser Korrelation kann der Flüssigkeitsdurchfluß durch die Injektionsdüsen nach jedem geeigneten Algorithmus bestimmt werden. Es können Veränderungen des Ölabsperrventils vorgenommen werden, um die Strömung in die Injektionszone der FCC-Anlage zu optimieren. Zusätzlich kann das Verhältnis von Wasserdampf zu Öl überwacht und geregelt werden, indem der Öldurchfluß gemessen wird und die Massenströmung des Wasserdarnpfs durch geeignete Veränderungen an der Wasserdampfdrosselblende (Figur 1c) gendert wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen des Massendurchflusses der Flüssigkeitsströmung in einer Zweiphasen-Flüssigkeit/Gas-Injektionsdüse, bei dem

(a) die Leistungs-Spektraldichte aus einem Signal eines sich nahe an dieser Düse befindlichen Schwingungssensors über einen Frequenzbereich gemessen wird, der mindestens einen Spitzenwert (Peak) der Flüssigkeitsströmung einschließt, wobei die Fläche der Leistungs- Spektraldichte des Peaks bzw. der Peaks der Flüssigkeitsströmung eine monoton fallende Beziehung in bezug auf die Flüssigkeitsströmung durch diese Düse aufweist,

(b) die Größe der Fläche der Leistungs-Spektraldichte, die den Peak bzw. die Peaks der Flüssigkeitsströmung umfaßt, bestimmt wird, und

(c) die Masse der Flüssigkeitsströmung durch die Düse aus einer vorher bestimmten Korrelation zwischen unterschiedlichen Größen der Fläche der Leistungs-Spektraldichte, die den Peak bzw. die Peaks der Flüssigkeitsströmung umfaßt, und dem Massendurchfluß der Flüssigkeitsströmung für diese Düse bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schwingungssensor ein Beschleunigungsrneßgerät ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schwingungssensor ein Druckmeßwertwandler in Kontakt mit dem Fluid in der Düse ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem sich der Frequenzbereich des Leistungsspektrurns von 0 bis 6 400 Hz erstreckt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fläche in den Stufen (b) und (c) nur den Peak bzw. die Peaks der Flüssigkeitsströmung einschließt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fläche in den Stufen (b) und (c) nur den dominanten Peak der Flüssigkeitsströmung einschließt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein bandpaßgefilterter Anteil des Signals von dem Sensor verwendet wird, um die Fläche des Peaks bzw. der Peaks der Flüssigkeitsströmung direkt zu bestimmen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verarbeitung des Schwingungssignals mit einer tragbaren Anlage vorgenommen wird, die jeder Düse benachbart ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Bestimmungen unter Verwendung der Quadratwurzel der Fläche durchgeführt werden, so daß die monoton fallende Beziehung ungefähr eine gerade Linie ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Höhe (Quadratmittel; RMS-Peak) des Peaks bzw. der Peaks der Flüssigkeitsströmung verwendet.