NO20011620L - Fremgangsmåte og anordning til overvåkning av kjemiske reaksjoner - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning til å overvåke kjemiske omdannelser eller reaksjoner i fluider eller partikkelformig materiale, slik det er definert i innledningen til de etterfølgende uav-hengige krav rettet mot en fremgangsmåte og en anordning, respektive.

Nærmere bestemt vedrører den foreliggende oppfinnelse overvåkning eller måling av kjemiske omdannelser som opp-trer når sinkoksid (ZnO) eksponeres for svovelholdige forbindelser eller forbindelser, så som svoveldioksid.

I enkelte prosesser anvendes det et katalysatorsjikt av partikkelformig sinkoksid ZnO til å fjerne sulfid fra gasser.

I denne forbindelse kan omdannelsen fra oksidtilstan-den til sink-svoveltilstanden betegnes som graden av sink-oksidmetning.

Når man studerer filterkatalysatorsjikt av partikkelformig sinkoksid vurderer man det slik at når sinkoksidet ved filterets utløpsende er blitt omdannet til en sink-sulfidforbindelse, må katalysatorfilteret skiftes ut. Med andre ord: Jo mer denne ZnO-omdannelsen skjer, desto nærmere filtersjiktets utløpsende befinner grenseflaten mellom ZnO-nivået og sink-svovel-forbindelsesnivået seg. Dersom katalysatorsjiktet ikke skiftes ut vil svovelforbindelsen passere gjennom katalysatorsjiktet og dermed forurense atmosfæren.

De ovennevnte forklaringer på hvordan svovelet reagerer med ZnO, skal ikke betraktes som begrensende på opp-finnelsens omfang.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å frembringe en fremgangsmåte og en anordning for mer nøy-aktig å kunne kontrollere omfanget av den ovennevnte omdannelse/reaksjon i slike katalysatorsjikt.

Med andre ord er det et hovedformål å mer nøyaktig kunne bestemme tidspunktet for når filtermaterialet av ZnO-katalysatorsjiktet må erstattes, for å kunne minimalisere svovelforurensningen av omgivelsene.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse erkarakterisert vedat permetiviteten og/eller permeabiliteten måles ved hjelp av en ortogonal magnetfeltspole.

De ytterligere trekk fremgår av fremgangsmåtekravene 2-8.

Anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse erkarakterisert vedde trekk som fremgår av anordningskravene.

Oppfinnelsen skal forklares mer detaljert med henvisning til figurene, hvori:

Fig. 1 viser en modell av spolekonstruksjonen.

Fig. 2 viser en sirkulær spolekonstruksjon ifølge den velkjente konstruksjon. Fig. 3 viser et frontriss av en ortogonal magnetfelt-spole ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser et tverrsnitt av den ortogonale magnetfeltspole ifølge oppfinnelsen, og installert på et test-dypprør. Fig. 5 viser et tverrsnitt av en vertikal spole installert på et dypprør. Fig. 6 viser et prinsipp for en nivåpunktsdetektor-spole sammenlignet med en referansespole.

Det finnes mange prinsipper for å bestemme nivåene til væsker eller faste stoffer i tanker og de kan baseres på kapasitans, mikrobølger, nukleær stråling etc.

Høyfrekvente magnetspoler utviklet til å måle grenseflaten mellom vann, olje og gass i gravitasjonsseparatorer, er tidligere kjent. Den høyfrekvente magnespole er sensitiv overfor dielektriske, induktive og konduktive egenskaper til det omgivende materialet. Dette gjør dette prinsippet velegnet for mange anvendelser, hvor materialene har for-skjellig konduktivitet, permeabilitet og/eller permittivitet. Et eksempel på anvendelse er bestemmelse av vann-olje-gass-grenseflåtene i separatorer. Ved å anvende høye frekvenser oppnås det høyere rommessig oppløsning som følge av det lave antallet vindinger som er nødvendig.

Generelt omfatter modellen av en spole en induktor og en kapasitans i parallell, slik det vises på den vedlagte

Fig. 1. Bidragene til den totale spolekapasitans innbefat-ter kapasitansene mellom vindingene, kapasitansen mellom spolen og det omgivende materiale, og strøkapasitanser i kabler etc.

Når den høyfrekvente magnetspole dyppes ned i et materiale, f.eks. et fluid, vil dets elektriske egenskaper endres. Dersom materialet er elektrisk ledende vil induktansen i spolen avta som følge av virvelstrømmen som indu-seres i fluidet. Og dersom permittiviteten endres, endres også spolekapasitansen. Én eller flere spoler kan installeres i et ikke-ledende dypprør, avhengig av anvendelsen. For en profiler med en gitt oppløsning (resolution) installeres det tettstablede spoler.

Kapasitansene mellom bindingene i spolen er fiksert og relatert til spolediameteren, tråddiameter og antall vindinger i spolen. Strøkapasitansene minimaliseres ved å in-stallere elektronikken tett opptil spolen, dvs. på innsiden av dypprøret. Kapasitansen mellom spolen og det omgivende materialet avhenger av fluidets elektriske permittivitet. Dette betyr at spolen er følsom for permittivitets- så vel som permeabilitetsegenskapene til det omgivende materialet.

Spolen tilkobles en LC-oscillator hvor resonansfrekvensen i spolen er:

hvor L og CLer induktansen og den ekvivalente paral-lelle kapasitans i spolen, respektive.

Ulike omgivende materialer medfører forskjellige reso-nansf rekvenser . Således kan grenseflatenivåene predikteres. Den ekvivalente spolekapasitans vil avhenge av den elektriske permittivitet i det omgivende materialet og vil følgelig influere på resonansfrekvensen.

Når en spole installeres på omkretsen til et dypprør, slik det fremgår av Fig. 2, rettes det magnetiske feltet vertikalt. Magnetfeltet vil være svakest på utsiden av dypprøret, hvor det interessante materialet befinner seg. Dette betyr at endringer som følge av permeabilitet og konduktivitet i omgivelsene har minimal innvirkning på detek-toren. Videre, som følge av den nødvendige mekaniske be-skyttelse i spolen, reduseres innvirkningen av endringene i permittiviteten til det omgivende materialet.

Derfor er denne sirkulære spole ikke velegnet i en nivåprolifer.

For å øke sensibiliteten overfor endringer som følge av permeabilitet, konduktivitet og permittivitet i omgivende materialer ved å anvende spoler med isolasjon, kon-strueres spolen slik at magnetfeltet rettes ortogonalt i forhold til dypprør-aksen og inn i det omgivende materialet. Resonansfrekvensen til denne ortogonalfeltspole kan også avledes fra Ligning 1.

På Fig. 3 er det vist et frontriss av spolen, og magnetfeltet er rettet inn i papirplanet. Som vist på figuren vikles spolen med firkantformede sløyfer i samme plan. Andre konfigurasjoner i det samme plan er også mulig. Den viste spolekonstruksjon vil gi et høyt magnetfelt ret-tet inn i materialet som skal måles. Videre, ifølge Max-well' s ligninger, er det elektriske felt alltid perpendikulært på magnetfeltlinjene. Dette betyr at det er kapasitanser mellom spolene som følger de elektriske feltlinjene slik det vises på Fig. 4. Som følge av ekstensjonen av magnetfeltet inn i materialet, blir det elektriske feltets inn-trengning betydelig. Derfor er denne spole sensitiv for endringer i dielektriske og konduktive egenskaper i materialer selv dersom spolen er isolert utvendig. Eventuelt kan spolen anordnes i en bueform.

Et problem med å anvende konvensjonelle kapasitive sensorer er deres høye sensitivitet overfor avsetninger på elektrodene, slik at det vil skje endringer i sensitivi-teten. Som følge av det elektriske feltets dype inntreng-ning gir denne sensor lav sensitivitet i forhold til avsetninger, så som belegg (scaling), voks (waxing) etc.

Konvensjonelle kapasitive sensorer som anvendes i oljeindustrien er ikke egnet siden de ikke vil fungere i vannkontinuerlige blandinger. Den høyfrekvente magnetspole vil imidlertid fungere både i oljekontinuerlige og vannkontinuerlige blandinger.

Anvendelse av oppfinnelsen i forhold til målinger av katalysatorsjikt av ZnO. Metningsgrad, dvs, omdannelse av ZnO til ZnS

Permittivitetene til rent ZnO (pellets) og ZnS i deres rene tilstand er ca. 2 og ca. 8, respektive. Pelletsene er hovedsakelig kuleformede og således blir den målte permittivitet en midlere permittivitet av luft og pellets. Disse resulterende permittiviteter er 3,1 og 4,3 respektive. Spolen ifølge oppfinnelsen kan anvendes til å bestemme når det omgivende materialet endres fra ZnO til sink-sulfid-forbindelses-tilstanden, dvs. at man kan bestemme når pellettene er mettet eller konsumert, f.eks. ved utløps-enden av katalysatorsjiktet, slik at pelletsene i kata-lysators j iktet må skiftes ut.

Det har vært gjennomført målinger for å bestemme de nevnte midlere permittiviteter til 3,1 for ZnO og 4,3 for ZnS, respektive. Forskjellen kan resultere i et maksimalt frekvensskift på ca. 10%. Som følge av spoleisolasj onen, kapasitansen til inngangsnivået til elektronikken etc, vil frekvensskiftet bli betydelig redusert. Målinger viser at dette frekvensskift kan være mer enn ca. 2,5.

Det antas at under driften vil grenseflatesjiktet mellom ZnO og ZnS bevege seg oppover etterhvert som reak-sjonen mellom ZnO og svovelgassen skrider frem. Ved å anvende en rekke spoler ifølge oppfinnelsen, er det mulig å etablere posisjonen til dette grenseflatenivå.

Således kan den foreliggende metode anvendes til å kontrollere kjemiske endringer i alle substanser mellom to eller flere kjemiske tilstander. Med andre ord kan den foreliggende metode og anordning anvendes i relasjon til alle materialer som endrer permittivitet og/eller konduktivitet når de reagerer.

Under henvisning til fig. 3-6 ble det uttestet ortogonale magnetfeltspoler installert på et dypprør. Fordelen med disse spolene er at magnetfeltet rettes ortogonalt i forhold til dypprøret ut og inn i det omgivende medium. Således frembringes det et sterkere magnetfelt i det omgivende medium sammenlignet med tilsvarende for sirkulære spoler. I sirkulære spoler (slik det vises på Fig. 2) er magnetfeltet sterkest i midten av dypprøret. I tillegg til antallet viklinger, vil lengden av spolen, dvs. vinkel a (se Fig. 5) influere på spolens sensitivitet slik det vises i Tabell 1.

Anvendt i katalysatorsjikt, vil det ikke være behov for noen vanntett isolasjon, og eksperimentene ble gjennom-ført innbefattende tynnere isolasjonstyper. Resultatene fra disse initielle målingene er presentert i Tabell 1. Som vist er frekvensskiftene relativt lave, 2,3% er relatert til oscillasjonsfrekvensene. Følgelig, når én spole anvendes som en nivåmåler (se Fig. 6} kan en referansespole lokalisert i ZnO anvendes til å gi mer nøyaktige målinger. Nivåmåler-detektorspolen tilpasses til referansespolen når katalysatorsjiktet refylles med ZnO, slik det vises på

Fig. 6.

Ved å multiplisere de to sinussignalene fra oscillatorene, kan forskjellen mellom frekvensene frembringes ved filtrering av utgangssignalet. Når denne utgangen er lav

(null) og konstant, er materialene som omslutter spolene identiske. Når utgangssignalet begynner å øke endrer omgivelsesmaterialet seg og med et konstant høyere utgangssignal er omgivelsesmaterialene forskjellige. Således er det med nivåmålerspolen og en referansespole frembragt et overvåkningssystem som kan gi mer informasjon om tidspunktet for å erstatte pellettene.

I disse initielle målingene som her er presentert, har den høyeste sensitivitet mellom målingene av ZnO og ZnS (mettet ZnO) vist seg å være ca. 232 KHz. Et prinsippielt oppsett for et overvåkningsystem for et katalysatorsjikt er vist i Fig. 6.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til overvåkning av kjemiske omdannelser eller reaksjoner i fluider eller partikkelformige materialer, karakterisert ved at permittiviteten og/eller permeabiliteten måles ved hjelp av en ortogonal magnetfelt-spole.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det anvendes en ortogonalmagnetfelt-spole hvor antall viklinger er arrangert i samme plan, f. eks. at spolen er anordnet på en plate.

3. Fremgangsmåte i samsvar med kravene 1-2, karakterisert ved at det anvendes en spole som er anordnet i en bueform.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at det anvendes en spole som er arrangert i en bueform som strekker seg til å dekke en sektor av en sirkel.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at en overvåker kjemiske omdannelser eller reaksjoner i fluider eller partikkelformig materiale, og spesielt materialer som endrer permittivitet og/eller konduktivitet som følge av kjemiske reaksjoner.

6. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved å overvåke den kjemiske svovelmetning av ZnO i et katalysatorsjikt.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved å overvåke grenseflaten mellom det rene ZnO-nivå og S02~ mettet ZnO-nivå i et katalysatorfiltersj ikt.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7, karakterisert ved at det anvendes en spole som en nivåmåler (Fig. 6), og en referansespole lokalisert i ZnO anvendes til å estimere tidspunktet for refylling av katalysatorsjiktet med ZnO.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 7, karakterisert ved at to sinusoidale signaler fra oscillatorene multipliseres, og forskjellen mellom frekvensene frembringes ved å filtrere utgangssignalet slik at: når utgangen er lav (null) og konstant er materialene som omslutter spolene like, og når utgangssignalet begynner å øke, endrer omgivelsesmaterialet seg, og med et konstant høyt utgangssignal er de omgivende materialene forskjellige.

10. Anordning for overvåkning av kjemiske omdannelser eller reaksjoner i fluider eller partikkelformig materiale, karakterisert ved en ortogonal magnetfeltspole hvor antallet viklinger er anordnet i samme plan.

11. Anordning i samsvar med krav 10, karakterisert ved at det anvendes en spole som er anordnet i en bueform.

12. Anordning i samsvar med kravene 9-10, karakterisert ved at det anvendes en spole som er anordnet i en bueform som strekker seg til å dekke en sektor av en sirkel.