Messfähigkeit der statistischen Extinktionsmethode zur Inline-Messung der Partikelgröße, der Partikelkonzentration und der Partikelgeschwindigkeit

Kurzfassung
Aufgrund der zunehmenden Bedeutung verfahrenstechnischer Prozesse mit partikulären dispersen Stoffsystemen steigt in der industriellen Praxis aber auch in der Grundlagenforschung die Nachfrage nach einfachen und robusten Partikelmesstechniken zum Inline-Monitoring sowie zur Optimierung der Partikelprozesse.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine laserbasierte Partikelmesstechnik auf Basis der Statistischen Extinktionsmethode (SE-Methode) zum Inline-Monitoring konzentrierter Partikelprozesse entwickelt. Dazu werden die zu untersuchenden partikulären Stoffsysteme mit einem Laserstrahl durchleuchtet, wobei die aufgrund der Partikelbewegung durch den Laserstrahl fluktuierende Lichtintensität messtechnisch erfasst wird. Mit der Methode können mittlere Partikelgrößen sowie Partikelkonzentrationen von Partikeln > 1 μm bis zu mehreren Millimetern bestimmt werden. Der Konzentrationsbereich der bisherigen Messungen lag bei bis zu 8 Vol.-%. Mit geeigneten Inline-Sonden könnten zukünftig auch Messungen bei 30 Vol.-% und höher möglich sein.
Zur Untersuchung der Messfähigkeit der SE-Methode in konzentrierten Partikelsystemen werden mehrere Sensorkonzepte messtechnisch umgesetzt. Konzentrierte Systeme verursachen Effekte, wie z. B. die Mehrfachstreuung, die die gemessenen Signale zusätzlich beeinflussen. Deshalb sind Ansätze erforderlich, um diese Effekte zu reduzieren oder zu eliminieren. In dieser Arbeit wird ein Ansatz mit einem Raumfrequenzfilter vorgestellt und hinsichtlich seiner Eignung geprüft. Zur Bestimmung der Partikelkonzentration wird auf der Basis von Simulationen eine neue Methode entwickelt und validiert.
Zudem werden grundlegende Konzepte für die Implementierung der SE-Methode in konzentrierten Partikelprozessen großtechnischer industrieller Anlagen vorgestellt und diskutiert. Eine Messeinrichtung wird entwickelt und aufgebaut, mit der ein Emulgierprozess in einer industriellen Pilotanlage eines Ölabscheiders inline untersucht wird.
Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeiten eine Erweiterung der SE-Methode entwickelt, die es ermöglichen soll mittlere Partikelgeschwindigkeiten von Partikelkollektiven zu bestimmen. Dazu werden zwei senkrecht zur Partikelbewegungsrichtung untereinander angebrachte Lichtstrahlen verwenden. Über den zeitlichen Versatz der simultan erfassten Intensitätssignale lässt sich eine Korrelation zur mittleren Partikelgeschwindigkeit herleiten.
Für die Validierung der erweiterten SE-Methode wird ein entsprechender Sensoraufbau konzipiert und messtechnisch umgesetzt. Zur Bestimmung des Zeitversatzes wird eine automatisierte Auswertungsroutine auf Grundlage der Kreuzkorrelation entwickelt