DE102008005486B4

DE102008005486B4 - Device for the controlled evaporation of liquids in gases

Info

Publication number: DE102008005486B4
Application number: DE102008005486.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: DE102008005486B9; DE102008005486A1

Abstract

Vorrichtung zur kontrollierten Verdunstung von Flüssigkeiten in Gasen, mit einer Bedieneinheit (1.1) für die Prozesssteuerung sowie für die Dosierung der Flüssigkeit und Gase, mit einem ersten Massenflussregler für ein zu befeuchtendes Gas, und mit einer separat von der Bedieneinheit (1.1) angeordneten Mischereinheit (1.2) für die Mischung der Gase und der Flüssigkeit in einer in der Mischereinheit (1.2) angeordneten Befeuchterkammer (1), die mit einer vom ersten Massenflussregler ausgehenden Zufuhrleitung (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchterkammer (1) der Mischereinheit (1.2) mit einem eine erste Pumpe zur Förderung der Flüssigkeit in die Befeuchterkammer (1) umfassenden Flüssigkeitszulauf (2) und mit einem eine zweite Pumpe zur Förderung der Flüssigkeit aus der Befeuchterkammer umfassenden Flüssigkeitsablauf (4) verbunden ist, dass in der Befeuchterkammer (1) ein Vliesmaterial (3) an den stromabwärtigen Mündungen der vom ersten Massenflussregler ausgehenden Zufuhrleitung (5) und des Flüssigkeitszulaufs (2) angeordnet ist, und dass in der Mischereinheit (1.2) eine mit der Befeuchterkammer (1) verbundene Mischerkammer (A) angeordnet ist, die mit einer von einem zweiten Massenflussregler für trockenes Gas ausgehenden Zufuhr (9) verbunden ist.Device for the controlled evaporation of liquids in gases, with a control unit (1.1) for process control and for metering the liquid and gas, with a first mass flow controller for a gas to be humidified, and with a mixer unit (1.1) arranged separately from the control unit (1.1) 1.2) for mixing the gases and the liquid in a humidifier chamber (1) arranged in the mixer unit (1.2), which is connected to a supply line (5) emanating from the first mass flow controller, characterized in that the humidifier chamber (1) of the mixer unit (1) 1.2) with a first pump for conveying the liquid into the humidifier chamber (1) comprising liquid inlet (2) and connected to a second pump for conveying the liquid from the humidifier chamber comprising liquid drain (4) that in the humidifier chamber (1) a nonwoven material (3) at the downstream mouths of the first Massenflussregl he outgoing supply line (5) and the liquid inlet (2) is arranged, and in that in the mixer unit (1.2) connected to the humidifier chamber (1) mixing chamber (A) is arranged, which with an emanating from a second mass flow controller for dry gas supply (9) is connected.

Description

Im Bereich der Pharmazie, der Lebensmitteltechnologie und der Chemie ist das feuchteinduzierte Verhalten von Stoffen von zunehmender Bedeutung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Wechselwirkung der zu prüfenden Stoffe gegenüber Wasserdampf, in einigen Anwendungen werden als Trägermedien an Stelle von Luft auch andere Gase oder Gasgemische verwendet und anstelle von Wasser kommen auch organische Lösungen zum Einsatz.In the field of pharmacy, food technology and chemistry, the moisture-induced behavior of substances is of increasing importance. The focus is on the investigation of the interaction of the substances to be tested with respect to water vapor, in some applications other gases or gas mixtures are used as carrier media instead of air, and organic solutions are used instead of water.

Ein weit verbreiteter Ansatz zur kontrollierten Einstellung der relativen Luftfeuchte beziehungsweise der organischen Dämpfe ist der Anschluss eines externen Feuchtegenerators an das Analysegerät. Die mechanische Anordnung der Analysegeräte und die Abmessungen der Feuchtegeneratoren erfordern üblicherweise einen Aufbau mit einem räumlich abgesetzten Feuchtegenerator. Dazu wird das benötigte Gasgemisch im Feuchtegenerator erzeugt und über eine Leitung zum Analysegerät geführt. Diese Anordnung weist einige gravierende Nachteile auf. So ist speziell bei hohen einzustellen Feuchtigkeiten die Kondensation von Wasserdampf beziehungsweise der organischen Lösungsmittel in den Leitungsverbindungen nur durch aufwändig beheizte Zuleitungen zu unterbinden. Der gesamte Aufbau zur Gasmischung im Feuchtegenerator und in der Zuleitung muss auf die Temperatur des Gasgemischs im Analysegerät eingestellt werden. Weiterhin bestehen durch entsprechend lange Zuleitungen hohe Totvolumen, die speziell bei kleinen benötigten Gasmengen das Regelverhalten stark beeinträchtigen.A common approach for the controlled adjustment of the relative humidity or the organic vapors is the connection of an external humidity generator to the analyzer. The mechanical arrangement of the analyzers and the dimensions of the moisture generators usually require a structure with a spatially remote humidity generator. For this purpose, the required gas mixture is generated in the humidity generator and fed via a line to the analyzer. This arrangement has some serious disadvantages. Thus, especially at high humidities to set the condensation of water vapor or the organic solvent in the pipe connections to prevent only by consuming heated supply lines. The entire composition of the gas mixture in the humidity generator and in the supply line must be set to the temperature of the gas mixture in the analyzer. Furthermore, there are high dead volumes due to correspondingly long supply lines, which severely impair the control behavior, especially with small amounts of gas required.

Die DE 10 2005 059 304 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Feuchtigkeitssensors. Hierbei ist eine eine Zufuhrleitung und eine Abflussleitung für Gas aufweisende Mischkammer innerhalb eines Wasserreservoirs angeordnet, die durch eine teildurchlässige Trennwand vom Wasserreservoir getrennt ist. Diese Trennwand ist aus einem sintermetallischen Werkstoff gebildet, welcher Wasserdampf aber kein Wasser durchlässt. Mit einer Heizung lässt sich das Wasser erhitzen und Wasserdampf durch die Trennwand in die Mischkammer einbringen, wodurch das über die Zuführleitung eintretende Gas befeuchtet wird. Diese Mischkammer weist den Nachteil auf, dass die Sättigung des Flüssigkeitsgehalts des befeuchteten Gases nicht reguliert werden kann. Ein gezieltes Mischungsverhältnis aus einem befeuchteten Gas und einem trockenem Gas ist mit dieser Vorrichtung nicht zu erzielen.The DE 10 2005 059 304 B3 discloses an apparatus for calibrating a humidity sensor. In this case, a mixing chamber having a supply line and a discharge line for gas is arranged within a water reservoir which is separated from the water reservoir by a partially permeable partition wall. This partition is made of a sintered metallic material, which passes water vapor but no water. With a heater, the water can be heated and introduce water vapor through the partition in the mixing chamber, whereby the entering via the supply line gas is moistened. This mixing chamber has the disadvantage that the saturation of the liquid content of the humidified gas can not be regulated. A targeted mixing ratio of a humidified gas and a dry gas can not be achieved with this device.

Die US 5,368,786 zeigt weiterhin eine Vorrichtung zum Befeuchten eines Gasstromes. Dabei durchfließt Wasser eine poröse röhrenförmige Struktur innen, und ein Gas umströmt die poröse Struktur außen. Hierbei kann ausschließlich Wasserdampf die poröse Struktur durchdringen, wobei eine Heizung das Wasser erhitzt und dadurch Dampf erzeugt, welcher anschließend von dem die Struktur umströmenden Gas mitgenommen wird.The US 5,368,786 further shows a device for humidifying a gas flow. In this case, water flows through a porous tubular structure inside, and a gas flows around the porous structure outside. Here, only water vapor can penetrate the porous structure, wherein a heater heats the water and thereby generates steam, which is then entrained by the gas flowing around the structure.

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, für analytische Messgeräte eine Vorrichtung zur Einstellung und Regelung der relativen Feuchte, beziehungsweise des Anteils an im Trägergas gelösten Kohlenwasserstoffen mit kompakten Abmessungen und schnellem Regelverhalten zu realisieren und dabei die vorgenannten Nachteile zu überwinden.The invention is based on the object to realize a device for adjusting and regulating the relative humidity, or the proportion of dissolved in the carrier gas hydrocarbons with compact dimensions and fast control behavior for analytical measuring devices and thereby overcome the aforementioned disadvantages.

Diese Aufgabenstellung wird durch die im unabhängigen Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale der Erfindung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den von diesem abhängigen Ansprüchen.This problem is solved by the features of the invention listed in the independent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims therefrom.

Die neue Vorrichtung erlaubt die Temperierung und Mischung der Flüssigkeiten und Gase in einer kompakten, vom Hauptgerät abgesetzten Einheit (Mischereinheit), die sich aufgrund der geringen Abmessungen direkt an die verwendeten Analysegeräte anbringen lässt.The new device allows the tempering and mixing of liquids and gases in a compact, remote from the main unit unit (mixer unit), which can be attached directly to the analyzers used due to the small dimensions.

Im Vergleich zu Geräten nach dem Stand der Technik bietet diese Erfindung folgende Vorzüge:

- Optimiertes Regelverhalten auch bei kleinen Gasmengen und langen Zuleitungen.
- Kompakter Aufbau der Mischereinheit für gute Integrierbarkeit in bestehende Systeme.
- Die Mischereinheit ist weitgehend unempfindlich für geneigte, oder bewegliche Einbaulagen, wie zum Beispiel in den Testkammern von Röntgenrefraktometern erforderlich.
- Einfache und zuverlässige Einstellung der Gastemperatur durch thermische Kopplung der Mischereinheit an die Prüfkammer.

Compared to prior art devices, this invention offers the following advantages:

- Optimized control behavior even with small gas volumes and long supply lines.
- Compact design of the mixer unit for easy integration into existing systems.
- The mixer unit is largely insensitive to inclined, or movable installation positions, such as required in the test chambers of X-ray refractometers.
- Simple and reliable adjustment of the gas temperature by thermal coupling of the mixer unit to the test chamber.

Im Folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung mit Bedieneinheit,
2 eine Schemazeichnung der Einheit zur Mischung der Gasströme und Flüssigkeiten, und
3 ein Beispiel der mechanischen Ausführung für die Einheit zur Mischung der Gasströme und Flüssigkeiten.

In the following the invention will be explained in more detail in an embodiment shown in the drawing; show it:

1 a schematic structure of the device with control unit,
2 a schematic drawing of the unit for mixing the gas streams and liquids, and
3 an example of the mechanical design for the unit for mixing the gas streams and liquids.

Die funktionale Anordnung der Baugruppen dieser Vorrichtung ist in 1 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:

- Die Vorrichtung besteht aus der Einheit zur Mischung der Gasströme und Flüssigkeiten (Mischereinheit 1.2) und einer räumlich abgesetzten Bedieneinheit 1.1 mit den zugehörigen Pumpen, Reglern und der Prozesssteuerung. Die Mischereinheit 1.2 wird direkt an die Außenwand B des zu klimatisierenden Gefäßes (Prüfkammer 1.3) geschraubt.
- Die relative Feuchtigkeit beziehungsweise der Partialdampfdruck des einzuleitenden Gasgemischs wird durch die Mischung von trockenem und von mit Lösungsmittel oder Wasser gesättigtem Gas eingestellt. Die entsprechenden trockenen Gasströme werden durch zwei Durchflussregler in der Bedieneinheit 1.3 eingestellt und unvermischt in getrennten Leitungen zur Mischereinheit 1.2 geleitet.
- Die zu verdunstende Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Pumpe in die Mischereinheit 1.2 gefördert. Für die zuverlässige Sättigung des „feuchten“ Gasstroms und zur Vermeidung von Ablagerungen in der Mischereinheit 1.2 wird mit einem Flüssigkeitsüberschuss gearbeitet, der mithilfe einer zweiten Pumpe aus der Mischereinheit 1.2 wieder abgesaugt wird. Dadurch kann das System auch weitgehend lageunabhängig eingebaut werden.
- Über einen von der Mischereinheit 1.2 abgesetzten Sensor kann das Gasgemisch in der Prüfkammer 1.3 dynamisch geregelt werden.

The functional arrangement of the assemblies of this device is in 1 and is described in more detail below:

- The device consists of the unit for mixing the gas streams and liquids (mixer unit 1.2 ) and a remote control unit 1.1 with the associated pumps, controllers and process control. The mixer unit 1.2 is directly to the outer wall B of the vessel to be conditioned (test chamber 1.3 ) screwed.
- The relative humidity or the partial vapor pressure of the gas mixture to be introduced is adjusted by the mixture of dry and saturated with solvent or water gas. The corresponding dry gas flows are through two flow controllers in the control unit 1.3 adjusted and unmixed in separate lines to the mixer unit 1.2 directed.
- The liquid to be evaporated is pumped into the mixer unit 1.2 promoted. For reliable saturation of the "wet" gas flow and to avoid deposits in the mixer unit 1.2 is operated with a liquid excess, with the help of a second pump from the mixer unit 1.2 is sucked off again. As a result, the system can also be installed largely independent of location.
- About one of the mixer unit 1.2 Remote sensor can be the gas mixture in the test chamber 1.3 be controlled dynamically.

Die detaillierte Anordnung der Mischereinheit 1.2 und die zugehörigen Abläufe sind in 2 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben:

- In der Befeuchterkammer 1 wird die zu verdunstende Flüssigkeit über den Zulauf 2 in Strömungsrichtung des Gases gesehen von vorne auf ein luftdurchlässiges Vliesmaterial 3 geleitet und dieses mit der Flüssigkeit getränkt. Überschüssige, nicht verdunstete Flüssigkeitsmengen werden in Strömungsrichtung hinter dem Vliesmaterial 3 durch den Ablauf 4 wieder abgesaugt.
- Das zu befeuchtende Gas wird über den Anschluss 5 eingeleitet. Die Abkühlung des Gases durch Verdampfungsenthalpie wird durch die Heizung 6 ausgeglichen. Das trockene erhitzte Gas strömt durch das Vliesmaterial 3, sättigt sich mit der verdunstenden Flüssigkeit und kühlt dabei wieder auf die Umgebungstemperatur ab. Bedingt durch die hohe spezifische Oberfläche des Vliesmaterials 3 mit der gezielten Erwärmung der trockenen Luft vor dem Verdunstungsvorgang wird eine sehr effektive Sättigung des Gases mit der verdunstenden Flüssigkeit erreicht. Diese Eigenschaft ermöglicht den kompakten Aufbau der Mischereinheit 1.2 und die direkte Anbringung an der Außenwand B der Prüfkammer 1.3.
- Ein Abstandshalter 7 mit entsprechenden Freiräumen hinter dem Vliesmaterial 3 ermöglicht das Abtropfen der vom Gasstrom mitgerissenen Flüssigkeitstropfen und erlaubt den zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung bei Neigungswinkeln von über 60 Grad in jeder Achse.
- Das gesättigte Gas strömt in die Mischerkammer A. Über den Anschluss 9 wird trockenes Gas in die Mischerkammer A eingeleitet. Durch die dosierte Mischung von gesättigtem und trockenem Gas wird der Partialdampfdruck des Gasgemischs eingestellt.
- Die Mischereinheit 1.2 wird thermisch leitend an die Außenwand B des zu klimatisierenden Gefäßes geschraubt und damit an die Temperaturregelung dieses Gefäßes angekoppelt.
- Befeuchterkammer 1 und Mischerkammer A sind teilbar ausgeführt um eine einfache Reinigung der Vorrichtung, beziehungsweise den Austausch des Vliesmaterials 3 zu gewährleisten.

The detailed arrangement of the mixer unit 1.2 and the associated processes are in 2 and are described in more detail below:

- In the humidifier chamber 1 is the liquid to be evaporated through the inlet 2 seen in the flow direction of the gas from the front of an air-permeable nonwoven material 3 passed and soaked this with the liquid. Excess, not evaporated amounts of liquid are downstream of the nonwoven material 3 through the process 4 sucked off again.
- The gas to be humidified is connected via the connection 5 initiated. The cooling of the gas by enthalpy of vaporization is caused by the heating 6 balanced. The dry heated gas flows through the nonwoven material 3 , saturates with the evaporating liquid and cools down to ambient temperature. Due to the high specific surface of the nonwoven material 3 with the targeted heating of the dry air before the evaporation process, a very effective saturation of the gas is achieved with the evaporating liquid. This feature enables the compact design of the mixer unit 1.2 and the direct attachment to the outer wall B of the test chamber 1.3 ,
- A spacer 7 with appropriate clearance behind the nonwoven material 3 allows the dripping of liquid droplets entrained by the gas stream and permits the reliable operation of the device at angles of inclination of more than 60 degrees in each axis.
- The saturated gas flows into the mixing chamber A. Via the connection 9 dry gas is introduced into the mixing chamber A. By the metered mixture of saturated and dry gas, the partial vapor pressure of the gas mixture is adjusted.
- The mixer unit 1.2 is thermally conductively screwed to the outer wall B of the vessel to be conditioned and thus coupled to the temperature control of this vessel.
- Humidifier chamber 1 and mixer chamber A are made divisible to a simple cleaning of the device, or the replacement of the nonwoven material 3 to ensure.

Ein Beispiel für die mechanische Ausführung der Mischereinheit 1.2 ist in 3 dargestellt. Die Details soweit erkennbar sind identisch zu den Details in 2 gekennzeichnet.An example of the mechanical design of the mixer unit 1.2 is in 3 shown. The details as far as recognizable are identical to the details in 2 characterized.

Claims

Device for the controlled evaporation of liquids in gases, with a control unit (1.1) for process control and for metering the liquid and gas, with a first mass flow controller for a gas to be humidified, and with a mixer unit (1.1) arranged separately from the control unit (1.1) 1.2) for mixing the gases and the liquid in a humidifier chamber (1) arranged in the mixer unit (1.2), which is connected to a supply line (5) emanating from the first mass flow controller, characterized in that the humidifier chamber (1) of the mixer unit (1) 1.2) with a first pump for conveying the liquid in the humidifier chamber (1) comprising liquid inlet (2) and connected to a second pump for conveying the liquid from the humidifier chamber comprising liquid drain (4) that in the humidifier chamber (1) a nonwoven material (3) at the downstream mouths of the first mass flow reg The outgoing feed line (5) and the liquid feed (2) are arranged, and in the mixer unit (1.2) a mixing chamber (A) connected to the humidification chamber (1) is arranged, which is supplied with a feed starting from a second dry gas mass flow controller (9) is connected.

Device after Claim 1 , characterized in that in the operating unit with the liquid inlet (2) and the liquid outlet (4) connected to the tank is arranged.

Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the mixer unit (1.2) between the humidifier chamber (1) and the mixer chamber (A) is designed to be divisible.

Device according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the operating unit (1) comprises a heating control, which is connected to a heater (6) on the outgoing from the first mass flow controller supply line (5).

Device according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that in the mixer unit (1.2) between the humidifier chamber (1) and the mixing chamber (A), a spacer (7) is arranged with free spaces.

Device according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that a with the operating unit (1.1) connected sensor for dynamic control of the gas mixture is provided.

Device according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the outgoing from the first mass flow feed line (5) and the liquid inlet (2) on one side of the nonwoven material (3) are arranged and the liquid outlet (4) is arranged so that through him excess, not evaporated amounts of liquid in the flow direction of the gas behind the nonwoven material (3) are sucked off.