Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Hinzugeben eines Geruchsstoffes zu einem Verbrauchsgas, das
einem Verbrauchsort zugeleitet wird, um so die Aufmerksamkeit
von Menschen in der Umgebung auf das Risiko von Feuer,
Explosion, Vergiftung, Erstickung oder anderer Gefahren zu lenken,
wenn das Verbrauchsgas in die umgebende Atmosphäre austreten
sollte. Im Falle eines Gasaustritts wird der Geruchsstoff,
der in einer konzentrierten Form vorliegt, vorzugsweise eine
organische Schwefelverbindung, in einem in einem
Druckbehälter enthaltenen kondensierten Trägergas, zum Beispiel
Kohlendioxid, Propan oder Butan gelöst, um so eine Lösung, ein
Mastergas zu bilden, welches eine flüssige Phase und eine
Gasphase umfaßt. Die gewünschte Geruchsstoffkonzentration des
Verbrauchsgases wird dann durch Verdünnen des Geruchsstoffes
mit einer eingestellten Menge der flüssigen Phase des
Mastergases erhalten, welche vor dem Mischen mit dem Verbrauchsgas
verdampft wird. Die Menge von hinzugegebenem Mastergas wird
durch die Strömungsgeschwindigkeit von Mastergas und die
Geruchsstoffkonzentration des Mastergases sowie die
Strömungsgeschwindigkeit des Verbrauchsgases bestimmt.
Hintergrund der Erfindung
-
Das Konzept, Geruchsstoffe zu Verbrauchsgasen in
Übereinstimmung mit dem vorhergehend Ausgeführten hinzuzugeben, um so
zum Beispiel das Austreten von giftigen oder explosiven Gasen
anzuzeigen, ist im Stand der Technik seit langem bekannt. Ein
Beispiel von Gasen, die auf diese Weise mit Geruch versehen
werden können, ist Sauerstoff, der, wenn er in die Umgebung
austritt, äußerst schwerwiegende durch Feuer oder Explosion
verursachte Unfälle bewirken kann. Andere Beispiele umfassen
brennbare Gase, wie Erdgas, Propan, Butan, Stadtgas etc., die
auch schwerwiegende Unfälle in Form von Feuer und Explosionen
verursachen können. Da die Mehrzahl von Geruchszusätzen, wie
Tetrahydrothiophen, Butylmercaptan, Dimethylsulfid, etc.,
leicht entzündbare Substanzen darstellen, ist die Anwendung
besonderer Techniken bei Zugabe zu beispielsweise Sauerstoff
erforderlich.
-
Die finnische Patentanmeldung 870146 offenbart ein Verfahren
zum Hinzugeben eines Geruchsstoffes zu Sauerstoff, bei dem
ein konzentriertes Gas, ein sogenanntes Mastergas, in einer
separaten Kammer oder einem separaten Raum durch Zugeben
eines Geruchsstoffes in einer Konzentration von 1,000-10,000
ppm zu reinem Sauerstoffgas hergestellt wird. Dieses
konzentrierte Mastergas wird dem Verbrauchsgas in einer separatem
Kammer oder einem separaten Raum in einer solchen Menge
hinzugegeben, daß der Geruchsstoff in dem Verbrauchsgas in einer
Konzentration von 5-50 ppm vorliegt.
-
Wenn das Mastergas lediglich Sauerstoff und Geruchsstoff, zum
Beispiel Dimethylsulfid enthält, können jedoch Probleme
während des Füllens der Mastergasbehälter auftreten. Zum
Beispiel ist es während des Füllens der Behälter unmöglich, das
Durchlaufen eines Konzentrationsbereichs zu verhindern, in
dem die Mischung entzündbar ist, zumindest in einem Teil des
Behälters. Es besteht daher ein Risiko des Entzündens und
Explodierens der Mischung.
-
Ein Verfahren zum Vermeiden dieses Risikos ist in der
finnischen Patentanmeldung Nr. 872278 offenbart. Diese Anmeldung
beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Sauerstoff und
einen Geruchsstoff wie beispielsweise Dimethylsulfid
aufweisenden konzentrierten Mastergases. Gemäß diesem Verfahren
wird der Mastergasbehälter zuerst mit einer Mischung aus
Dimethylsulfid und Stickstoff oder Heliumgas gefüllt. Die
Konzentration des Dimethylsulfids liegt in einem Bereich von
0,5-2,5%. Reines Saueretoffgas wird anschließend
hinzugegeben, bis der gewünschte Arbeitsdruck in dem Behälter erreicht
ist, zum Beispiel ein Druck von 200 bar.
-
Ein Mangel hinsichtlich des gemäß den vorhergehend
beschriebenen Verfahren erzeugten Mastergases besteht jedoch darin,
daß das Mastergas keinen Temperaturen ausgesetzt werden darf,
die so niedrig sind, daß ein Kondensieren des Geruchsstoffs
bewirkt wird, zum Beispiel während Transport und Lagerung.
Nachdem das Dimethylsulfid kondensiert ist, dauert es sehr
lange, bis dasselbe wieder seinen Gaszustand annimmt.
-
Die Veröffentlichungen DE-B-1185330 und WO 91/17817 des
Standes der Technik beschreiben Verfahren, die dieses Problem
dadurch abschwächen, daß der Geruchsstoff in einem Gas gelöst
wird, welches bei Raumtemperatur und unter Druck in flüssiger
Phase vorliegt. Propan, Butan, Kohlendioxid,
Schwefelhexafluorid und Distickstoffoxid sind als Beispiele für in dieser
Hinsicht geeignete Gase aufgeführt worden. Diese Gase
erfüllten auch die Anforderung, in den meisten Fällen keinen
negativen Einfluß auf den Prozeß zu haben, in dem das mit einem
Geruchsstoff versehene Gas verwendet wird.
-
Es wird in der Veröffentlichung DE-B-1 185 330 vorgeschlagen,
daß das mit einem Geruchsstoff versehene Mastergas aus dem
Druckgefäß entnommen und der Verbrauchsgasrohrleitung über
ein Feineinstellungsventil zugeführt wird, welches
normalerweise während des Verbrauchs des gesamten Mastergases bei
einer vorbestimmten Einstellung gehalten werden kann. In dem
Falle großer Veränderungen hinsichtlich der
Strömungsgeschwindigkeit des Verbrauchsgases wird ausgeführt, daß die
Strömungsgeschwindigkeit des Mastergases in Reaktion auf sol
che Veränderungen gesteuert werden kann.
-
In der Praxis gewährleisten diese und andere bekannte
Lösungen jedoch nicht die gewünschte Zugabegenauigkeit der
Geruchsstoffmenge. Dies liegt darin begründet, daß das
Geruchsstoffträgergas einen viel höheren Dampfdruck als der flüssige
Geruchsstoff aufweist. Daher wird das in dem Druckbehälter
über der flüssigen Phase vorhandene Gasvolumen des
Mastergases im wesentlichen aus verdampftem Trägergas und nur einem
sehr kleinen Teil verdampfter Geruchsstoffflüssigkeit
bestehen. Da das Volumen der flüssigen Phase in dem Druckbehälter
sich verkleinert, wenn Mastergas dem Verbrauchsgas zugeführt
wird, wird das ansteigende Volumen von verdampftem Trägergas
in dem Druckbehälter zu einer Vergrößerung der relativen
Konzentration des flüssigen Geruchsstoffes in der flüssigen
Phase in dem Druckbehälter führen.
Aufgaben der Erfindung
-
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher
darin, ein Verfahren vorzuschlagen, welches das Problem einer
volumenabhängigen Konzentration von Geruchsstoff in dem
Mastergas lösen wird.
-
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer
Anordnung, die beim Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet werden kann, um den Effekt der volumenabhängigen
Konzentration von Geruchsstoff in dem Mastergas zu beseitigen.
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorhergehend genannten Aufgaben werden gemäß der
vorliegenden Erfindung durch Anpassen der Mengen erreicht, in denen
das Mastergas zu dem Verbrauchsgas zudosiert wird,
entsprechend dem Verhältnis zwischen flüssiger Phase und Gasphase in
dem Druckbehälter.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, wie sie
in der Formulierung von Patentanspruch 1 offenbart ist.
Fakultative Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen 2
bis 8 offenbart.
-
Das wichtige kennzeichnende Merkmal einer Vorrichtung der in
dem ersten Absatz dieses Dokuments definierten Art besteht
daher darin, das Verhältnis zwischen den Flüssen von
Mastergas und Verbrauchsgas während des Verdünnungsvorgangs zu
korrigieren, wobei die Erhöhung der Konzentration von
Geruchsstoff
in der flüssigen Phase des Mastergases, die aus dem
abnehmenden Verhältnis zwischen der Menge der flüssigen Phase
und der Menge der Gasphase in dem Druckbehälter resultiert,
berücksichtigt wird. Dieses kennzeichnende Merkmal beseitigt
das bei früheren bekannten Lösungen auftretende vorhergehend
genannte Problem.
-
Die in dem Druckbehälter verbleibende Menge Mastergas wird
vorzugsweise kontinuierlich durch kontinuierliche Integration
des Mastergasflusses aus dem Druckbehälter und durch
Subtrahieren des erhaltenen Wertes von der zu Beginn vorhandenen
Mastergasmenge bestimmt, woraufhin das Verhältnis zwischen
den beiden Gasflüssen kontinuierlich während des
Lösungevorgangs auf der Grundlage dieser Bestimmung korrigiert wird.
Dies wird ein sehr genaues Abmessen der in das Verbrauchsgas
gemischten Menge von Geruchsstoff zur Folge haben.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Genauigkeit,
mit der der Geruchsstoff zudosiert wird, durch Bestimmen der
Temperatur des Mastergases in dem Druckbehälter und durch
Korrigieren des Verhältnisses zwischen des beiden Gasflüssen
auf der Grundlage der festgestellten Temperaturveränderungen
weiter verbessert werden. Andere kennzeichnende Merkmale der
erfindungsgemäßen Vorrichtung werden aus den folgenden
Patentansprüchen deutlich werden.
-
Die Erfindung wird jetzt ausführlicher unter Bezugnahme auf
eine als ein Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung
und auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen be
schrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Prinzipien,
gemäß denen eine erfindungsgemäße Anordnung
arbeitet.
-
Fig. 2 ist ein Diagramm, daß die relative Konzentration von
-
Geruchsstoff in der flüssigen Phase des Mastergases
als eine Funktion der Menge von aus dem
Druckbehälter entnommener flüssiger Phase bei verschiedenen
Temperaturen zeigt.
-
Fig. 3 stellt schematische die Prinzipien dar, gemäß denen
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Anordnung arbeitet.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
-
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung weist eine Rohrleitung
1 für Verbrauchsgas, zum Beispiel Sauerstoff auf, das in der
Richtung des Pfeils A fließt und zu dem ein Geruchsstoff
hinzugegeben werden soll. Der Geruchsstoff wird durch eine
Rohrleitung 2 hinzugegeben, welche Mastergas von einem
Druckbehälter 3 durch ein Steuerventil 4 befördert. Das Mastergas
kann aus einer Mischung einer organischen Schwefelverbindung,
wie beispielsweise Dimethylsulfid, DMS, und Kohlendioxid
bestehen. Das Mastergas wird aus der flüssigen Phase 6 in dem
Druckbehälter 3 mittels eines Eintauchrohrs 5 entnommen,
wobei das Mastergas durch die Wirkung des durch das verdampfte
Gasvolumen 7 ausgeübten Drucks aus dem Behälter durch ein
Abschlußventil 8 getrieben wird. Das Steuerventil 4 wird unter
anderem als Reaktion auf den Fluß von Verbrauchsgas durch die
Rohrleitung 1 gesteuert, wobei dieser Fluß mit Hilfe eines
Durchflußmengenmessers 9 bestimmt wird.
-
In dem obigen Beispiel beträgt der Dampfdruck von
Kohlendioxid bei 20ºC 57 Bar, wohingegen der Dampfdruck der
Geruchsstoffflüssigkeit viel niedriger ist, im Falle von DMS be
trächtlich niedriger als 0,5 bar bei 20ºC. Die Gasatmosphäre
7 über der flüssigen Phase 6 in dem Druckbehälter 3 wird
daher hauptsächlich aus verdampftem Kohlendioxid bestehen. Da
die Menge von flüssiger Phase 6 abnimmt, wenn sie der
Rohrleitung 1 zugeführt wird, wird sich die Menge von verdampftem
Gas über derflüssigen Phase dementsprechend vergrößern. Da,
wie oben beschrieben, primär Kohlendioxid verdampft wird,
wird die relative Konzentration des Geruchsstoffes in der
flüssigen Phase 6 zunehmen.
-
Die aufeinanderfolgende Veränderung hinsichtlich der
relativen Konzentration von Geruchsstoff in der flüssigen Phase
kann quantitativ bestimmt werden. Wenn die anfängliche
Geruchsstoffkonzentration in der flüssigen Phase eines vollen
Druckbehälters als C&sub1;&sub0; bezeichnet wird und wenn die
Bezeichnung C&sub1; für die Geruchsstoffkonzentration nach einem
gegebenen relativen Verbrauch mx/m&sub1;&sub0; verwendet wird, wobei mx die
Menge der verbrauchten flüssigen Phase und m&sub1;&sub0; die zu Beginn
vorhandene Menge darstellt, kann die Veränderung hinsichtlich
der relativen Konzentration in der flüssigen Phase mit Hilfe
der folgenden Gleichung beschrieben werden:
-
C&sub1;/C&sub1;&sub0; = (1 - mx/(1-k)m&sub1;&sub0;)-k
-
In dieser Gleichung gilt k = Pg/P&sub1; wobei Pi die Dichte der
flüssigen Phase und pg die Dichte der Gasphase darstellt. Die
berechneten Werte für CO&sub2; und DMS sind in Diagrammform in
Figur 2 aufgeführt. Dieses Diagramm zeigt die relative Konzen
tration des Geruchsstoffs in der flüssigen Phase als eine
Funktion der Menge von flüssiger Phase, die aus einem zu
Beginn vollen Druckbehälter verbraucht worden ist, d. h.
mx = 0, d. h. mx/m&sub1; = 0, wobei 90% der flüssigen Phase
verbraucht worden ist, wenn mx/m&sub1;&sub0; = 0,9. Die Konzentration ist
bei Temperaturen innerhalb des Bereichs von 0ºC bis 28&sup0;c
gezeigt.
-
Es wird aus dem Diagramm zum Beispiel zu entnehmen sein, daß
bei 20ºC und wenn 70% der flüssigen Phase verbraucht worden
ist, die Geruchsstoffkonzentration der flüssigen Phase
beinahe zweimal so hoch wie ihre Ausgangskonzentration sein wird.
Bei einer Temperatur von 26ºC wird dieser Zustand erreicht,
wenn fast 55% der flüssigen Phase verbraucht worden ist. Wenn
dies nicht korrigiert wird, wird automatisch eine
entsprechende, unbeabsichtigte Erhöhung der Menge von Geruchsstoff
in dem Verbrauchsgas erfolgen. Dies ist ein schwerwiegender
Mangel bei früher vorgeschlagenen Verfahren und schließt die
Verwendung solcher Verfahren bei Anwendungen aus, in denen
eine konstante Geruchsstoffmenge innerhalb eines sehr engen
Konzentrationsbereichs benötigt wird.
-
Mit der Absicht, dieses Problem zu lösen, wird in
Übereinstimmung mit der Erfindung eine Anordnung zum Hinzugeben
eines Geruchsstoffes zu einem Verbrauchsgas vorgeschlagen,
wobei diese Anordnung schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.
Wie früher erwähnt, umfaßt diese Anordnung eine Rohrleitung 1
zum Leiten von Verbrauchsgas, das in der Richtung des Pfeils
A fließt, wobei das Gas, zu dem der Geruchsstoff hinzugegeben
wurde, von dem Druckbehälter 3 durch die Rohrleitung 2
befördert wird. Der Fluß von Verbrauchsgas wird mittels des
Durchflußmengenmessers 9 bestimmt. Vorstehend wurde angenommen,
daß das Mastergas aus einer Mischung von C0&sub2; und DMS besteht.
Das Mastergas wird in einem flüssigen Zustand durch die
Wirkung des durch verdampftes Kohlendioxid ausgeübten Drucks aus
dem Druckbehälter 3 heraus und durch das Abschlußventil 8 zu
einer Verdampfungs- und Steuereinheit 10 gedrückt, die drei
Heizschlangen 11, 12, 13, durch die heißes oder warmes Wasser
fließt, ein Druckregelventil 14 und einen
Massendurchflußmengenmesser 15 einschließt, der mit einem Steuerventil 16 einer
sogenannten Massenflußsteuereinrichtung gekoppelt ist, die
den Fluß des Mastergases mißt und denselben gleichzeitig
einstellt. Ein weiteres Abschlußventil 17 ist in der Rohrleitung
2 außerhalb der Einheit 10 gekoppelt.
-
Die Anordnung umfaßt weiter eine Zentralprozessoreinheit 18,
CPU. Diese Einheit enthält die gewünschte
Geruchsstoffmischung betreffende Informationen, d. h. die Konzentration
von Geruchsstoff in dem Verbrauchsgas. Der
Durchflußmengenmesser 9 führt der Zentraleinheit den Fluß von Verbrauchsgas
betreffende Informationen zu, während die Temperatur des
Mastergases in dem Druckbehälter 3 betreffende Informationen
der Zentraleinheit von einem Temperatursensor 19 zugeführt
werden.
-
Der Zentraleinheit 18 sind weiter Informationen zugeführt
worden, die die Ausgangsmenge von Geruchsstoff in dem
Mastergas und die gegenwärtige Geruchsstoffkonzentration des
Mastergases in dem Druckbehälter 3 betreffen, und dieselbe
empfängt durch einen Leiter 20 den momentanen Fluß von Mastergas
betreffende Informationen, die zum Bestimmen des Verbrauchs
über die Zeit integriert werden. Die Zentraiprozessoreinheit
wird daher immer Informationen über die Menge von Mastergas
enthalten, die zu jedem gegebenen Zeitpunkt in dem
Druckbehälter verbleibt.
-
Daher kann die Zentraleinheit 18, wenn die obige Gleichung
angewendet wird, die relative Veränderung hinsichtlich der
Konzentration bestimmen und dadurch auch die momentane
Konzentration von Geruchsstoff in der flüssigen Phase des
Mastergases berechnen. Die Zentraleinheit steuert die Zuführung
von Mastergas zu dem Verbrauchsgas auf der Grundlage dieser
Bestimmung und in Übereinstimmung mit dem Fluß von
Verbrauchsgas mit Hilfe des Steuerventils 16. Dies ermöglicht
es, den Geruchsstoff dem Verbrauchsgas sehr genau
zuzudosieren.
-
Das Diagramm in Fig. 2 stellt die Veränderungen hinsichtlich
der Konzentration dar, die als Ergebnis von
Verdampfungsoder Kondensationsvorgängen in einem Komponenten mit
unterschiedlichen Eigenschaften umfassenden Zwei-Phasen-System
auftreten. Solche Effekte sind nicht auf den Druckbehälter in
einer Geruchsstoff übertragenden Anordnung der vorhergehend
beschriebenen Art begrenzt, sondern können auch an anderen
Orten in dem System auftreten, wo Temperatur oder Druck sich
verändern.
-
Das Vorliegen von zwei Phasen in einem Fluß führt zu
unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, welche Veränderungen
in dem Meßvorgang verursachen können. Dieses Problem kann in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch Erhitzen
oder Kühlen des Systems an vorgegebenen Punkten beseitigt
werden, um so Wärmegradienten zu erhalten, die unerwünschte
Kondensation oder Verdampfung verhindern. Im dem Falle der in
Figur 3 gezeigten Anordnung wird das flüssige Mastergas
dementsprechend in der Heizschlange 11 erwärmt und verdampft,
bevor es in den Druckregler 14 eintritt und auch stromabwärts
des Reglers, da in dem Falle von CO&sub2; eine Verringerung auf
den in dem Regler benötigten Arbeitsdruck, etwa 15 Bar, eine
Expansion des Mastergases erfordert, wobei dies das Risiko
von Kondensation infolge der Abnahme der Temperatur mit sich
bringt, die hierbei auftritt. Folglich wird das Mastergas
erneut durch die Heizschlange 12 erhitzt, bevor es zu dem
Durchflußmengenmesser 15 befördert wird.
-
Eine abschließende Mastergasexpansionsphase erfolgt
stromabwärts des Steuerventils 16 und eine Fubak-Heizschlange 13
stellt sicher, daß keine Kondensation an dieser Stelle
erfolgen wird, welche Veränderungen hinsichtlich der Zusammenset
zung des Mastergases und nachfolgende Veränderungen des
Zudosiervorgangs verursachen könnte. Die drei Heizschlangen sind
miteinander in Reihe verbunden und heißes Wasser wird bequem
durch die Schlangen geleitet. Wenn das Mastergas CO&sub2; enthält,
kann dieses Wasser zum Beispiel eine Temperatur von 50ºC
aufweisen. Dies ermöglicht es, die übrige Anordnung bei einer
niedrigeren Temperatur zu halten, um so sicherzustellen, daß
das Mastergas definitiv die Verdampfungseinheit 10 in einem
flüssigen Zustand erreicht. In Übereinstimmung mit der
Erfindung stellt der Eingang zu dem Verdampfer den kältesten Teil
der erfindungsgemäßen Anordnung dar.
-
Die Gasrohrleitung zwischen der Gasflasche 3 und dem
Verdampfereingang wird durch ein Kühlelement 21 gekühlt, das neben
der Rohrleitung angeordnet ist und von kaltem Wasser durch
laufen wird. Der benötigte Temperaturgradient zwischen dem
Verdampfereingang und der Flaschentemperatur wird hierbei
durch Hindurchleiten des Kühlwassers im Gegenstrom zu der
Richtung des Mastergasflusses, Pfeil B, erreicht.
-
Die Temperatur des Druckbehälters 3, etwa 18ºC im Falle von
CO2, steht auch in Beziehung zu der Temperatur der
Verdampfungseinheit 10, wobei diese Temperatur in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch einen Sensor 22 festgestellt wird. Um
einen konstanten Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten,
steuert die Zentraleinheit 18 die Temperatur des
Druckbehälters 3 durch den kombinierten Effekt der Heizschlange 23 und
der Kühlschlange 24 unter anderem in Abhängigkeit von der
Umgebungs temperatur.
-
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine als Beispiel
dienende Ausführungsform derselben beschrieben wurde, in der
ein Kohlendioxid und Dimethylsulfid enthaltendes Mastergas
verwendet wurde, wird zu verstehen sein, daß die gleichen
Bedingungen auch auf andere Trägergase, wie Propan, Butan,
Schwefelhexafluorid und Distickstoffoxid, etc. zutreffen,
wobei der verwendete Geruchsstoff alternativ zum Beispiel
Tetrahydrothiophen, Methylmercaptan, Ethylmercaptan,
Propylmercaptan oder Butylmercaptan und Dimethylsulfid,
Diethylsulfid und Methylethylsulfid darstellten kann. Die
Geruchsstoffkonzentration des Mastergases beträgt vorteilhafterweise
0,5-10 mol-%. Das Mastergas kann dem Verbrauchsgas in einer
solchen Menge zugeführt werden, daß eine
Verbrauchsgas-Geruchsstoffkonzentration innerhalb des Bereiches von 1-50 ppm,
vorzugsweise 1-20 ppm zu erhalten wird.