EP1763659A1 - Temperaturprofilmessung in reaktoren mit faser-bragg-gittern - Google Patents

Temperaturprofilmessung in reaktoren mit faser-bragg-gittern

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EP1763659A1
EP1763659A1 EP05750976A EP05750976A EP1763659A1 EP 1763659 A1 EP1763659 A1 EP 1763659A1 EP 05750976 A EP05750976 A EP 05750976A EP 05750976 A EP05750976 A EP 05750976A EP 1763659 A1 EP1763659 A1 EP 1763659A1
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EP
European Patent Office
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temperature
reactors
glass fiber
fiber
temperature profile
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05750976A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Borchers
Stephan Laue
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1763659A1 publication Critical patent/EP1763659A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring temperature or temperature profile in equipment and production facilities of the chemical and pharmaceutical industry - in the present context, further referred to as reactors - using fiber Bragg gratings as sensors, and the corresponding apparatus and devices Production plants themselves.
  • PT100 or thermocouples are used for temperature measurement in chemical-pharmaceutical plants (see, for example, P. Profos and T. Pfeifer, Handbuch der vonn Messtechnik, Oldenbourg, 2002, H.-R. Tränkler, E. Obermeier (ed.), Sensortechnik - Handbook for Practice and Science, Springer Verlag, 1998, p 923 ff).
  • Their industry-standard dimensions are the geometries of reactors of small dimensions, such as e.g. Capillary reactors or microreactors are not ideally adapted.
  • capillary reactors are tube reactors with channel diameters of up to 10 mm.
  • a microreactor is usually understood.
  • the object was to provide an axial temperature profile in a reactor with small channel dimensions, e.g. a capillary or microreactor to measure in real-time during the ongoing reaction.
  • a reactor with small channel dimensions, e.g. a capillary or microreactor to measure in real-time during the ongoing reaction.
  • the problem here is the tight geometry, the accessibility of the reaction channel, the necessary explosion protection due to the substances involved if necessary and the corrosion resistance of the sensors used.
  • FBG fiber Bragg gratings
  • the particular advantage of these FBGs as probes is that a large number of measuring points (> 30) can be accommodated on a glass fiber, so that a temperature profile can be recorded over the entire reactor length even with a single fiber.
  • a large number of measuring points > 30
  • spatially almost arbitrarily distributed temperature measurements in procedural devices are possible with minimal infrastructure outlay for sensor supply and inquiry.
  • the required minimum distance of the measuring points along the glass fiber is approximately 5 mm and has almost no limitation with respect to the maximum distance. In this way, temperature profiles can be recorded both in very short and in very long reactors.
  • the necessary infrastructure for measuring a temperature profile can accordingly be kept small, since only one connection is necessary for measuring many measuring points.
  • this measurement method can therefore be used both for classical apparatuses in chemical engineering, such as reactors, distillation columns, heat exchangers, mixers, separators, etc., with equipment dimensions in the meter range, where a measuring method with minimal space requirements is advantageous.
  • reactors with small channel dimensions such as capillary reactors or microreactors of the inventive method, since the small diameter of the probe used (diameter 100 to 300 microns) allows easy access to channel cross sections, for example in the range 200 to 1000 microns.
  • fiber-Bragg gratings are understood to mean optically active structures in the core of glass fibers, which are characterized by an essentially periodic modulation of the refractive index ("grating") along the fiber.
  • This modulation of the refractive index results in partial backscattering of the incident light at each modulation step, and if the Bragg condition of the modulation steps is suitably chosen, then in the backscattered light constructive interference can be achieved for a narrow range of wavelengths [www. inventivefiber.com.sg/FBG.html, KO Hill et al., Appl. Phys.
  • FBG's are between 1 mm and 25 mm long (see, for example, F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, (2001), http://oemagazine.com/fromTheMagazine/jan01/Tutorial.pdf).
  • FBG FBG
  • the fibers are doped with germanium. This is the case with most commercially available fibers, with higher germanium concentration increasing photosensitivity.
  • the FBG structure is written into the fiber core by means of a UV laser (wavelength about 240 nm) after the protective plastic coating has been removed or before it is applied.
  • the structure of the FBG is defined either via a phase mask in the beam path of the laser or via the interference pattern, which results from the superimposition of two partial beams of the laser at the location of the fiber. To enhance the photosensitivity, it is customary to enrich the fiber with hydrogen before exposure under high pressure.
  • FBG Frequency Standards for Diode Lasers [R. Kashyap, "Fiber Bragg Grating", Academic Press, 458 (1999), F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, (2001)].
  • Glass fibers suitable for this use are in principle all glass fibers based on silicon dioxide, in particular the glass fibers known and used in telecommunications based on silicon dioxide.
  • a glass fiber provided with a plurality of FBGs is placed along the flow path of a reaction channel (exposed or along mechanical guides and holders) and led outwards via a feedthrough.
  • the reflection spectrum of the prepared glass fiber is measured by means of a light source, a cross-coupler or circulator and a spectrometer.
  • the spectrum is cyclically evaluated by means of a suitable device, preferably a computer or a digital signal processor.
  • the focal points of the reflection profiles of the individual FBGs are linked to the local temperature via a calibration curve.
  • the reflection profiles of the FBG are determined by their geometry so that overlaps in the expected temperature range are excluded. In this way, all introduced FBGs can be evaluated simultaneously by measuring the reflection spectrum of the prepared fiber.
  • the calibration of the individual FBGs is recorded by immersing the entire fiber in an isothermal bath at various temperatures that cover the intended measuring range as completely as possible.
  • the development of the entire temperature range is carried out by calculating a regression line or by fitting a second-order polynomial to the measured values of a respective fiber Bragg grating.
  • the on-site calibration is also performed by comparing the respective local temperature at the location of the fiber Bragg grating, measured with a reference thermometer and the measured position of the center of gravity of the reflection of the fiber Bragg grating to be calibrated possible.
  • the reactor is ideally operated at different temperatures in such a way that temperature fluctuations are minimized in each case.
  • a reference thermometer e.g. a provided with fiber Bragg gratings and pre-calibrated glass fiber into consideration.
  • the cladding of the glass fiber is removed, so that it is not dissolved by the reactants and can get into the product. This is possible because the used material of the measuring probe (quartz glass) is characterized by very good chemical resistance and allows the use for the vast majority of chemical reactions.
  • the glass fiber is conducted in a protective tube which is materially closed to the reaction, in order to exclude the chemical influence of the reactants on the glass fiber.
  • this protective tube can be filled with a suitable medium.
  • This protective tube for this purpose consists of a suitably selected, i. sufficiently against the surrounding medium, e.g. the reactants, inert material.
  • both ends of the glass fiber are led out of the reactor, so that the position of the reflection profiles of the FBG can also be determined by evaluating the transmitted portion.
  • the glass fiber is integrated into a static mixer, which is located in the reactor.
  • the glass fiber is introduced into the flow channel of a micromixer.
  • the glass fiber is introduced or integrated into any microreactor, for example its flow channel or a mixer unit.
  • the glass fiber can be introduced into a microreactor in such a way that it itself serves as a static mixer in the flow channel or in a reaction chamber.
  • a plurality of glass fibers are fed into the reactor in order to open up further measuring points.
  • the inventive method is basically suitable for all reactions or Heinrichs ⁇ methods in which a temperature measurement is useful, especially for reactions in the liquid phase, gas phase reactions and multiphase reaction systems.
  • Temperature measurements are from -6O 0 C up to 115O 0 C, up possible, preferably suitable are the inventive FBG's for measurements up to 900 0 C, more preferably up to 250 0 C, most preferably up to 200 and especially to 150 0 C.
  • Also subject of this application are apparatus and production facilities of the chemical-pharmaceutical industry which are equipped with the inventive FBG-equipped glass fibers as temperature sensors. These are preferably reactors, distillation columns, heat exchangers, mixers, separators, etc., more preferably reactors with small channel dimensions, e.g. Capillary reactors or microreactors.
  • apparatuses of the food processing industry e.g., dryers, ovens, especially microwave ovens or induction ovens
  • FBG-tipped glass fibers of the invention as temperature sensors.
  • a fiber with eight measuring points (distances as shown in Scheme 3) was introduced.
  • the introduction was carried out via a T-piece from the reactor outlet (Scheme 1), the fiber being sealed by using a seal customary in liquid chromatography for HPLC capillaries at the T-piece.
  • an organometallic cryogenic reaction was carried out in the solvent tetrahydrofuran at a coolant temperature of -50 ° C.
  • two components were intensively mixed at the inlet of the capillary, so that as a result of the strongly exothermic reaction, a temperature profile was formed in the reactor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung, bzw. Temperaturprofilmessung in apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen Industrie unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern als Sensoren, sowie die entsprechenden apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen selbst.

Description

Tetnperaturprofϊlmessung in Reaktoren mit Faser-Bragg-Gittern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung, bzw. Temperatur¬ profilmessung in apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch¬ pharmazeutischen Industrie - im vorliegenden Kontext weiterhin als Reaktoren bezeichnet - unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern als Sensoren, sowie die entsprechenden apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen selbst.
Üblicherweise werden zur Temperatuπnessung in chemisch-pharmazeutischen Anlagen PTlOO- oder Thermoelemente eingesetzt (s. z.B. P. Profos und T. Pfeifer, Handbuch der industriellen Messtechnik, Oldenbourg, 2002, H.-R. Tränkler, E. Obermeier (Hrsg.), Sensortechnik - Handbuch für Praxis und Wissenschaft, Springer Verlag, 1998, S. 923 ff). Deren industrieübliche Abmessungen sind den Geometrien von Reaktoren mit kleinen Abmessungen, wie z.B. Kapillarreaktoren oder Mikroreaktoren nicht in idealer Weise angepasst. Als Kapillarreaktoren sind in diesem Zusammenhang Rohrreaktoren mit Kanaldurchmessern bis 10 mm zu verstehen. Unter einem Mikroreaktor versteht man üblicherweise. Reaktoren mit dreidimensionalen Strukturen unterhalb eines Millimeters (vgl. Angewandte Chemie, Int. Ed. 2004, 43, 406-446). Dazu kommt der erhebliche Aufwand für die Kabeldurchführungen (speziell bei mit Doppelmantel zur Temperierung ausgestatteten Reaktoren). Ferner ist mit einem Messelement lediglich die Tem¬ peraturmessung an einer einzigen Stelle gegeben, sodass für die Aufnahme eines vollständigen Temperaturprofils eine Vielzahl von Elementen erforderlich ist.
Ausgehend vom Stand der Technik stellte sich somit die Aufgabe, ein axiales Temperaturprofil in einem Reaktor mit geringen Kanaldimensionen, z.B. einem Kapillar- oder Mikroreaktor, während der laufenden Reaktion in Echtzeit zu messen. Generell besteht ein großes Bedürfnis, das Temperaturprofil in Reaktoren in Echtzeit und während der Reaktion zu bestimmen. Problematisch sind dabei die enge Geometrie, die Zugänglichkeit des Reaktionskanals, der aufgrund der beteiligten Stoffe ggfs. notwendige Explosionsschutz und die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Sensoren.
Überraschend wurde nun gefunden, dass mit Faser-Bragg-Gittern (FBG) bestückte Glasfasern alle Anforderungen an eine axiale Temperaturprofilmessung in apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen Industrie, insbesondere in Reaktoren mit sehr kleinen Durchmessern, z.B. Mikroreaktoren erfüllen.
Der besondere Vorteil dieser FBG's als Sonden ist hierbei, dass auf einer Glasfaser eine Vielzahl von Messstellen (>30) untergebracht werden können, sodass bereits mit einer einzigen Faser ein Temperaturprofil über die komplette Reaktorlänge aufgenommen werden kann. Daneben sind (im Vergleich zu PTlOO- oder Thermoelementen) bei minimalem Infrastrukturaufwand für Sensor- Versorgung und -Abfrage räumlich nahezu beliebig verteilte Temperaturmessungen in verfahrens¬ technischen Apparaten möglich. Der erforderliche Mindestabstand der Messpunkte entlang der Glasfaser liegt hier bei ca. 5 mm und hat hinsichtlich des maximalen Abstands nahezu keine Beschränkung. Auf diese Weise können sowohl in sehr kurzen, als auch in sehr langen Reaktoren Temperaturprofϊle aufgenommen werden. Die notwendige Infrastruktur zur Messung eines Tempe¬ raturprofils kann dementsprechend klein gehalten werden, da nur ein Anschluss zur Messung vieler Messpunkte notwendig ist. Prinzipiell ist diese Messmethode daher sowohl für klassische Apparate der Chemischen Verfahrenstechnik, wie z.B. Reaktoren, Destillationskolonnen, Wärme- tauschern, Mischern, Separatoren, etc. mit Apparatedimensionen im Meterbereich einsetzbar, wo eine Messmethode mit minimalem Platzbedarf vorteilhaft ist. Besonders profitieren jedoch Reaktoren mit kleinen Kanaldimensionen, wie z.B. Kapillarreaktoren oder Mikroreaktoren von dem erfindungsgemäßen Verfahren, da der geringe Durchmesser der eingesetzten Messsonde (Durchmesser 100 bis 300 μm) einen einfachen Zugang zu Kanalquerschnitten beispielsweise im Bereich 200 bis 1000 μm ermöglicht.
Dies ist besonders wichtig beim Einsatz von Kapillar- oder Mikroreaktoren z.B. bei stark exothermen Reaktionen mit der Zielsetzung einer isothermen Reaktionsführung. Mit dieser Fahrweise können Sicherheitsanforderungen (z.B. kann im Fall einer ungenügenden Temperatur¬ kontrolle ein „Durchgehen" der Reaktion erfolgen, welches einen Druckaufbau bis zur Explosion der Apparatur bedingen kann) oder die Selektivität der Reaktion verknüpft sein (ein Hot-Spot im Reaktor kann beispielsweise eine drastische Verschlechterung der Selektivität zur Folge haben). Auf der Basis der derzeitig zur Verfügung stehenden Messmethoden ist jedoch eine Überprüfung, ob wirklich isotherme Bedingungen über die vollständige Reaktionsstrecke vorliegen kaum möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren steht nun eine Messmethode zur Verfügung, mit der diese Aufgabe in einfacher Weise wie nachfolgend beschrieben gelöst werden kann.
Unter Faser-Bragg-Gittern „FBG" sind im Rahmen dieser Erfindung optisch wirksame Strukturen im Kern von Glasfasern, die durch eine im wesentlichen periodische Modulation des Brechungs¬ index („Gitter") entlang der Faser charakterisiert sind, gemeint. Diese Modulation des Brechungs- -■" index hat an jeder Modulationsstufe eine partielle Rückstreuung des auftreffenden Lichtes zur Folge. Bei geeignet gewähltem Abstand (Bragg-Bedingung) der Modulationsstufen lässt sich im rückgestreuten Licht konstruktive Interferenz für einen schmalen Bereich von Wellenlängen erreichen [www.inventivefiber.com.sg/FBG.html, K.O. Hill et Al:, Appl. Phys. Lett. 32, p647 (1978)] Durch weitere Verfeinerung der Brechungsindexmodulation, z.B. der Variation des Kontrastes innerhalb einer Gitterstruktur, kann das Auftreten von Seitenbändern im reflektierten Licht minimiert werden. FBG sind typischerweise zwischen 1 mm und 25 mm lang (siehe zum Beispiel F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, (2001), http://oemagazine.com/fromTheMagazine/jan01/Tutorial.pdf)-
Für die Herstellung von FBG werden zumeist Monomode-Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von typisch 6 μm bis 9 μm verwendet. Die Fasern sind mit Germanium dotiert. Dies ist bei den meisten kommerziell erhältlichen Fasern der Fall, wobei eine höhere Germanium-Konzentration die Photoempfindlichkeit erhöht. Die FBG- Struktur wird mit Hilfe eines UV-Lasers (Wellenlänge ca. 240 nm), nachdem die schützende Kunststoffbeschichtung entfernt wurde, oder aber bevor diese aufgebracht wird, in den Faserkern eingeschrieben. Die Struktur des FBG wird dabei entweder über eine Phasenmaske im Strahlengang des Lasers oder über das Interferenzmuster, welches sich durch Überlagerung zweier Teilstrahlen des Lasers am Ort der Faser ergibt, definiert. Zur Verstärkung der Photoempfindlichkeit ist es gebräuchlich, die Faser vor der Belichtung unter hohem Druck mit Wasserstoff anzureichern. Im Zuge des Temperns der Faser nach dem Einschreiben der FBG-Struktur entweicht der Wasserstoff wieder [F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, (2001) oder {http://oemagazine.com/fromTheMagazine/jan01/ Tutorial.pdf }]. Dieses Verfahren wird z.B. von der Firma AOS in Dresden angewendet.
Neben diesem Verfahren ist es auch möglich, FBG in Fasern zu schreiben, ohne die Ummantelung zu entfernen. Ein entsprechendes Verfahren wird von Sabeus [www.sabeus.com] in den USA praktiziert.
Das Hauptanwendungsgebiet von FBG liegt in der Telekommunikationsindustrie. Datenüber¬ tragung über große Entfernungen mit hohen Kapazitäten werden heute mit Hilfe von Glasfasern ausgeführt. Mit FBG lassen sich die dafür notwendigen passiven Komponenten wie z.B. Filter, Add-/Drop-Multiplexer, Dispersionskompensatoren, Gain-Flattening-Filter für optische Verstärker oder Frequenznormale für Diodenlaser [R. Kashyap, „Fiber Bragg Grätings", Academic Press, 458 (1999), F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, (2001)] realisieren.
Für sensorische Anwendungen macht man sich zu Nutze, dass die Bragg- Wellenlänge eines periodischen Gitters vom Gitterabstand und vom Brechungsindex "abhängt. Beide Größen sind temperaturabhängig, so dass mit Hilfe der Messung der Bragg- Wellenlänge eine Temperatur¬ messung möglich ist. Daneben haben auch mechanische Größen wie Zug oder Druck Einfluss auf die Geometrie, so dass auch deren Messung in geeigneten Anordnungen möglich ist. Diese Eigenschaft wird häufig genutzt um den Zustand bzw. die Belastung von Bauwerken [http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/ ge_etaI2002d.pdf, YJ. Rao, Shanglian Huang, Optical Engineering 76, p449, (2002) ] oder tragenden Strukturen in Flugzeugen mit Hilfe eingearbeiteter Fasern zu bewerten („Structural Health Monitoring") [http ://www.aiaa.org/images/about/03 JTCJHighlights/ aiaa-sen.pdf] .
In weiteren Anordnungen ist es möglich, ein Teil des Lichts aus dem Kern der Faser in den Mantel zu streuen und so den Brechungsindex eines Mediums an der Fasermantelfläche zu bestimmen [K. Schröder et al, Measurement Science and Technology 12(7), p757 (2001)].
Die Verwendung von FBG's in Apparaten der Chemischen Verfahrenstechnik oder der Nahrungsmittel verarbeitenden Industrie zur Messung von Temperaturprofilen ist jedoch im Stand der Technik nirgends erwähnt.
Diese Verwendung ist jedoch überraschenderweise möglich, obwohl der Fachmann auf Grund der häufig aggressiven Reaktionsteilnehmer und der u. U. extremen Parameter, bspw. Temperatur und Druck, nicht erwarten konnte, dass die zugrunde liegenden Glasfasern diesen Belastungen standhalten, bzw. die Fasern Ihre Eigenschaft als FBG, d.h. die „Gitterstruktur" unverändert behalten. Die ins Glas „eingeschriebenen" Strukturen sind per se nicht gegen Veränderungen insbesondere durch Erhitzen stabil, sondern können in der „viskosen Masse" Glas grundsätzlich wieder verloren gehen. Überraschenderweise sind die Strukturen jedoch stabil genug und erlauben einen Einsatz in solchen Reaktoren.
Für diese Verwendung geeignete Glasfasern sind prinzipiell alle Glasfasern auf Siliziumdioxid¬ basis, insbesondere die auch in der Telekommunikation auf Basis von Siliziumdioxid bekannten und eingesetzten Glasfasern.
Nach dem erfϊndungsgemäßen Verfahren wird eine mit mehreren FBG versehene Glasfaser entlang des Strömungsverlaufs eines Reaktionskanals platziert (frei liegend oder entlang mechanischer Führungen und Halterungen) und über eine Durchführung nach außen geführt. Das Reflexions¬ spektrum der präparierten Glasfaser wird mit Hilfe einer Lichtquelle, eines Kreuzkopplers oder Zirkulators und eines Spektrometers gemessen. Das Spektrum wird mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung bevorzugt eines Computers oder eines digitalen Signalprozessors zyklisch • ausgewertet.
Die Schwerpunkte der Reflexionsprofile der einzelnen FBG sind über eine Kalibrierkurve mit der lokalen Temperatur verknüpft. Die Reflexionsprofile der FBG werden durch deren Geometrie so festgelegt, dass Überschneidungen im erwarteten Temperaturbereich ausgeschlossen sind. Auf diese Weise können alle eingebrachten FBG durch Messung des Reflexionsspektrums der prä¬ parierten Faser gleichzeitig ausgewertet werden. Die Kalibrierung der einzelnen FBG wird durch Eintauchen der gesamten Faser in ein isothermes Bad bei verschiedenen Temperaturen, die den vorgesehenen Messbereich möglichst vollständig überdecken, aufgenommen. Der Erschließung des gesamten Temperaturbereichs erfolgt durch Berechnung einer Regressionsgeraden oder durch Anpassen eines Polynoms zweiter Ordnung an die Messwerte jeweils eines Faser-Bragg-Gitters.
Alternativ zur vorgenannten Vorgehensweise ist in Abhängigkeit von der Einbausituation auch die Kalibrierung vor Ort durch Vergleich der jeweils lokalen Temperatur am Ort des Faser-Bragg- Gitters, gemessen mit einem Referenzthermometer und der gemessenen Lage des Schwerpunkts der Reflexion des zu kalibrierenden Faser-Bragg-Gitters möglich. Der Reaktor wird in diesem Fall idealerweise bei verschiedenen Temperaturen so betrieben, dass Temperaturschwankungen jeweils minimiert werden. Als Referenzthermometer kommt z.B. eine mit Faser-Bragg-Gittern versehene und vorkalibrierte Glasfaser in Betracht.
In einer weiteren Variante wird der Mantel der Glasfaser entfernt, so dass dieser nicht durch die Reaktanden aufgelöst wird und in das Produkt gelangen kann. Möglich ist dies, da sich das verwendete Material der Messsonde (Quarzglas) durch sehr gute chemische Beständigkeit auszeichnet und den Einsatz für die überwiegende Mehrzahl chemischer Reaktionen erlaubt.
In einer weiteren Variante wird die Glasfaser in einem zur Reaktion stofflich abgeschlossenen Schutzschlauch geführt, um den chemischen Einfluss der Reaktionspartner auf die Glasfaser auszuschließen. Zur besseren Wärmeübertragung kann dieser Schutzschlauch mit einem ent- sprechenden Medium gefüllt sein. Dieser Schutzschlauch besteht zu diesem Zweck aus einem entsprechend ausgewählten, d.h. ausreichend gegen das umgebende Medium, z.B. die Reaktanden, inerten Material.
In einer weiteren Variante werden beide Enden der Glasfaser aus dem Reaktor herausgeführt, so dass die Lage der Reflexionsprofile der FBG auch durch Auswertung des transmittierten Anteils bestimmt werden kann.
In einer weiteren Variante wird die Glasfaser in einen statischen Mischer, der sich im Reaktor •befindet, integriert.
In einer weiteren Variante wird die Glasfaser in den Strömungskanal eines Mikromischers eingebracht.
In einer weiteren Variante wird die Glasfaser in einen beliebigen Mikroreaktor, bspw. dessen Strömungskanal oder eine Mischereinheit eingebracht bzw. integriert. In einer besonderen Variante kann die Glasfaser so in einen Mikroreaktor eingebracht werden, dass sie selbst als statischer Mischer im Strömungskanal oder in einer Reaktionskammer dient.
In einer weiteren Variante werden mehrere Glasfasern in den Reaktor geführt um weitere Messpunkte zu erschließen.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle Reaktionen bzw. Herstellungs¬ verfahren bei denen eine Temperaturmessung sinnvoll ist, insbesondere für Reaktionen in flüssiger Phase, Gasphasenreaktionen sowie mehrphasige Reaktionssysteme.
Temperaturmessungen sind dabei von -6O0C bis zu 115O0C, hinauf möglich, bevorzugt geeignet sind die erfϊndungsgemäßen FBG's für Messungen bis 9000C, besonders bevorzugt bis 2500C, ganz besonders bevorzugt bis 200 und speziell bis 1500C.
Ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung sind apparative Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen Industrie welche mit den erfϊndungsgemäßen FBG-bestückten Glasfasern als Temperatursensoren ausgestattet sind. Bevorzugt handelt es sich dabei um Reaktoren, Destillationskolonnen, Wärmetauscher, Mischer, Separatoren, etc., besonders bevorzugt handelt es sich um Reaktoren mit kleinen Kanaldimensionen, wie z.B. Kapillarreaktoren oder Mikroreaktoren.
Ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung sind Apparate der Nahrungsmittel verarbeitenden Industrie. (z.B. Trockner, Öfen, speziell mikrowellenbeheizte Öfen oder Induktionsöfen) welche mit den erfindungsgemäßen FBG-bestückten Glasfasern als Temperatursensoren ausgestattet sind."
Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung illustrieren ohne sie jedoch einzuschränken: Beispiel
In einem Kapillarreaktor mit 2 mm Durchmesser, 1 m Länge und einem Doppelkühlmantel wurde eine Faser mit acht Messpunkten (Abstände wie in Schema 3 dargestellt) eingeführt. Die Ein¬ bringung erfolgte über ein T-Stück vom Reaktorausgang her (Schema 1), wobei die Faser durch Verwendung einer in der Flüssigchromatographie üblichen Dichtung für HPLC-Kapillaren am T- Stück abgedichtet wurde. Als zu untersuchende Reaktion wurde eine organometallische Tieftemperaturreaktion im Lösungsmittel Tetrahydrofuran bei einer Kühlmitteltemperatur von -50°C durchgeführt. Am Einlass der Kapillare wurden hierzu zwei Komponenten intensiv vermischt, sodass sich infolge der stark exothermen Reaktion ein Temperaturprofil im Reaktor ausbildete. Für stationäre Reaktionsführung ist der zeitliche Verlauf der Temperaturen an den acht Sensoren über einen Zeitraum von sechs Minuten in Schema 4 dargestellt. Die Zuordnung der gemessenen Temperaturen zu den Orten der Faser-Bragg-Gitter erlaubt die Darstellung des longitudinalen Temperaturprofils zu einem gewählten Zeitpunkt. In Schema 5 ist ein solches Temperaturprofil, abgeleitet aus den Messwerten des Schemas 4 bei T=6 Minuten dargestellt. Der Einlauf der Edukte befindet sich am Ort 0 mm. Die Verweilzeit der Komponenten im Reaktor lag bei 1,2 Sekunden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s. Anhand des Temperaturprofils wird deutlich, dass ein lokaler Hotspot im Reaktor vorlag, welcher durch klassische Methoden nur mit erheblichem Aufwand nachweisbar gewesen wäre. Der erneute Anstieg der Temperatur am Auslauf des Reaktors wird durch die Lage des letzten Gitters, direkt nach Ende des Kühlmantels erklärt.
Der Einfluss einer veränderten Kühlleistung auf das Temperaturprofil ist in Schema 6 dargestellt. Nach rund 40 Sekunden wird die Kühlleistung durch Erhöhung des Durchflusses an Kühlmittel (Anhebung um 30%) verstärkt. Die Auswirkung auf das longitudinale Temperaturprofil im Reaktor ist im Schema 7 durch Vergleich der Profile vor und nach der Kühlleistungsveränderung dargestellt. Das verwendete Temperaturmessverfahren zeigt deutlich, wie sich die Hot-Spot- Temperatur nach Erhöhung der Kühlleistung deutlich reduziert (ca. um 40C).
Die Messungen wurden mit technischer Unterstützung des Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration der Fraunhofer-Gesellschaft München durchgeführt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Temperaturmessung in apparativen Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen Industrie oder der Nahrungsmittel verarbeitenden Industrie, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Glasfaser enthaltend Faser-Bragg- Gitter in eine solche Einrichtung eingebracht wird und durch Auswertung der Reflexionen an den Bragg-Gittera ein Temperaturprofil der Einrichtung ermittelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einrichtung um einen Reaktor, eine Destillationskolonne oder einen Wärmetauscher handelt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Signale durch einen Computer oder einen digitalen Signalprozessor erfolgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaser ohne Mantel in die Einrichtung eingebracht wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaser in einem abgeschlossenen Schutzschlauch in die Einrichtung eingeführt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden der Glasfaser aus der Einrichtung herausgeführt werden und auch oder nur die Transmissionssignale gemessen werden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einrichtung um eine Mikroeinrichtung handelt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturbereich von - 600C bis 115O0C kontrolliert wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Produktes, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Reaktor während des Herstellungsprozesses mittels eines FaserJBragg-Gitters gemessen wird.
10. Apparative Einrichtungen und Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen oder der Nahrungsmittel verarbeitenden Industrie, welche mit den erfindungsgemäßen FBG- bestückten Glasfasern als Temperatursensoren ausgestattet sind.
EP05750976A 2004-06-29 2005-06-16 Temperaturprofilmessung in reaktoren mit faser-bragg-gittern Withdrawn EP1763659A1 (de)

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