DE19509699A1

DE19509699A1 - Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung

Info

Publication number: DE19509699A1
Application number: DE1995109699
Authority: DE
Original assignee: MELLOR FRANK DR
Current assignee: MELLOR, FRANK, DR., 64832 BABENHAUSEN, DE JUST, UL
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1996-09-12

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für Anwendungen, bei denen die in flüssigen und überkritischen Gasen gelösten Substanzen wiedergewonnen und/oder detektiert werden sollen, d. h. Anwendungen auf dem Gebiet der Superkritischen Fluidchromatographie (SFC), der Superkritischen Fluidextraktion (SFE) und ihrer Kopplungen on- und off-line mit anderen chromatographischen und/oder spektroskopischen Methoden.

Alle bis heute angewendeten Vorrichtungen zum Entspannen flüssiger und überkritischer Gase haben einen gemeinsamen Nachteil. Sie verstopfen während der Anwendung und blockieren damit einen kontinuierlichen Prozeß der Förderung und Entspannung der als Lösemittel für Substanzen dienenden flüssigen und überkritischen Gase.

Ursache dafür ist einerseits, daß bei bekannten Vorrichtungen die Entspannung über eine bestimmte Weglänge erfolgt, wobei dann die Löslichkeit der Substanzen in dem flüssigen oder überkritischen Gas auf dieser Strecke kontinuierlich abnimmt und es bereits vor dem Austritt aus der Vorrichtung zu einer Abscheidung dieser Substanzen kommt.

Andererseits führt der Joule-Thompson-Effekt bei der Entspannung durch die Unterkühlung am Auslaß der Vorrichtung zu Blockaden infolge der Bildung von Trockeneis bzw. Eis am Ort der Entspannung.

Bei bekannten Vorrichtungen, in denen die Entspannung über Quarzglaskapillaren verschiedener Ausführungen (fused silica) oder gequetschte Metallkapillaren stattfindet, erfolgen Blockaden auf Grund beider Ursachen und sind punktuelle Heizungen entweder nicht oder nur aufwendig praktikabel.

Diese Vorrichtungen bleiben, da sie ohne Entspannungsebenen konzipiert sind, außerhalb weiterer Betrachtungen.

Durch die Verwendung von Metallplättchen als Entspannungsebenen und Düsenkörper mit einer zentrischen Bohrung von definiertem Durchmesser kann eine Abnahme der Löslichkeit weitgehend reduziert werden da die Strecke, auf der die Entspannung erfolgt, kurz gestaltet werden kann. Solche Vorrichtungen haben aber auch den Nachteil, daß sie bei kontinuierlichem Betrieb - zwar weniger häufig - dennoch verstopfen und damit einen Arbeitsabbruch erfordern, um einen Wechsel des Metallplättchens durchführen zu können.

Es ist bekannt, daß vereinzelt Vorrichtungen mit Metallplättchen als Entspannungsebenen und Düsenkörper zur Kopplung der Superkritischen Fluidchromatographie (SFC) mit der Massenspektrometrie (MS) Verwendung fanden, gefunden z. B. in Journal of Chromatography 247 (1982) S. 231-243.

Gegenwärtig ist nur eine Anwendung einer Vorrichtung mit einem Metallplättchen als Entspannungsebene und Düsenkörper neben den für die SFC-MS-Kopplung beschriebenen bekannt, gefunden in Journal of Chromatography 679 (1994) S. 147-152.

Dort dient diese Vorrichtung zur Anreicherung der in überkritischem Kohlendioxid gelösten Substanzen in Vorlageflüssigkeiten.

Die Ursachen der an Vorrichtungen mit Metallplättchen als Entspannungsebenen und Düsenkörper zur Kopplung von SFC mit MS aufgetretenen Verstopfungsprobleme sind wahrscheinlich in der Art und Weise der Beheizung zu sehen, die wenig zielgenau am Ort der Entspannung wirkt und deren Effekt trotz aufwendiger Gestaltung nicht ausreicht.

Im Beispiel, gefunden in Journal of Chromatography 679 (1994) S. 147-152, wird keine punktuelle, sondern eine komplizierte Beheizung erwähnt.

Somit gibt es kein Beispiel für eine Vorrichtung, die die Vorteile der Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an Bohrungen in dünnen Metallplättchen als Entspannungsebenen und Düsenkörper mit denen einer unkomplizierten punktuellen Beheizung verbindet und die Entspannung in eine Lösemittelvorlage ermöglicht, ohne daß eine Zusatzvorrichtung zur Verhinderung der Erwärmung der Lösemittel notwendig wird.

Den in den Ansprüchen der Erfindung dargelegten Merkmalen liegt das Ziel zugrunde, die Blockaden bei der Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an Vorrichtungen mit Entspannungsebenen von Düsenkörpern dauerhaft zu verhindern.

- Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen unter anderem darin, daß die thermische Belastung der in den flüssigen und überkritischen Gasen gelösten Substanzen durch die kurze Verweilzeit in der punktuell beheizten Zone ausgesprochen gering ist und deshalb auch thermolabile Substanzen unter Vermeidung ihrer Zersetzung gefördert werden können,
- keine Sekundärheizung und/oder zusätzliche Wärmeleiter notwendig sind,
- bei der Entspannung flüssiger und überkritischer Gase in Lösemittelvorlagen zur Sammlung und Anreicherung von Substanzen geringe Beheizungstemperaturen der Entspannungsebenen von Düsenkörpern ausreichen, um die Entstehung von Eis und Trockeneis zu verhindern und damit die Einleitung in niedrigsiedende Vorlageflüssigkeiten und die Anreicherung von niedrigsiedenden Substanzen zu ermöglichen,
- die gesamte Vorrichtung in brennbare Vorlageflüssigkeiten eintauchen kann,
- mittels der durch Laserbohrung reproduzierbar herstellbaren verschiedenen Bohrungsprofile der Entspannungsebenen von Düsenkörpern die Hydrodynamik der Entspannung derart beeinflußt werden kann, daß die Austrittsbedingungen für die in den flüssigen und überkritischen Gasen ursprünglich gelösten Substanzen aus der Vorrichtung in Abhängigkeit von der jeweiligen Applikation so modelliert werden können, daß eine Beheizung nur fallweise notwendig wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Eine Edelstahlkapillare (1) dient als Zuleitung für flüssige und überkritische Gase. Ein Metallplättchen (2) als Entspannungsebene und Düsenkörper mit einer zentrischen Bohrung definierten Durchmessers, der bedeutend kleiner als der Innendurchmesser der Edelstahlkapillare ist, schließt sich an das Ende der Edelstahlkapillare derart an, daß der Austritt der flüssigen und überkritischen Gase aus der Edelstahlkapillare durch die Bohrung des Metallplättchens erfolgen muß und diese Gase dort zur Entspannung gebracht werden.

Eine Klemmschraube (3) aus Kunststoff mit Außengewinde, deren Ende sich verjüngt und durch deren Längsbohrung die Edelstahlkapillare geschoben wurde, wird so weit in eine Abschlußkappe (4) aus Edelstahl mit Innengewinde geschraubt, daß das Ende der Edelstahlkapillare das Metallplättchen zwischen dem zentrisch durchbohrten Boden (5) mit Innensteg der Abschlußkappe und zwei rotationssymmetrischen Formkörpern (6a, b) aus Kunststoff gasdicht fixiert.

Der Strahl des sich entspannenden Gases tritt aus dem zentrisch durchbohrten Boden mit Innensteg der Abschlußkappe aus.

Die Klemmschraube aus Kunststoff und die rotationssymmetrischen Formkörper aus Kunststoff dienen auch als Isolatoren.

Der Innensteg (7) des zentrisch durchbohrten Bodens der Abschlußkappe gewährleistet die starke Verkleinerung der Querschnittsfläche zwischen den den elektrischen Strom führenden Teile Edelstahlkapillare (1), Metallplättchen (2) und Abschlußkappe (4) derart, daß bei Anlegen eines regelbaren Gleichstroms niedriger Spannung an die Edelstahlkapillare und die Abschlußkappe punktuell und regelbar Wärme am Ort der Entspannung entsteht, ohne daß sich die übrigen Teile der Vorrichtung nennenswert erwärmen.

Claims

1. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung in verschiedene gasförmige und flüssige und auf feste Medien zur Abscheidung, Sammlung, Anreicherung und Detektion ursprünglich in diesen Gasen gelöster Substanzen und zur Aufrechterhaltung eines gewählten Druck-Fluß-Verhältnisses bei der Förderung flüssiger und überkritischer Gase, dadurch gekennzeichnet, daß durchbohrte Entspannungsebenen von Düsenkörpern, an denen die Entspannung erfolgt, gleichzeitig

a) der punktuelle Ort der Beheizung,
b) das Mittel zu einer Beheizung und
c) der Bestandteil von einer Beheizung sind.

2. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des elektrischen Stromes an und durch die Entspannungsebenen von Düsenkörpern innerhalb der Vorrichtung durch die Zuleitungen für flüssige und überkritische Gase und die Bauteile der Vorrichtung selbst erfolgt.

3. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom durch die Entspannungsebene von Düsenkörpern auch induziert werden kann.

4. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern, die Düsenkörper, die Zuleitungen für flüssige und überkritische Gase und die Bauteile der Vorrichtung aus Metall, Metallegierungen, Keramik oder Kunststoffen bestehen.

5. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser der Entspannungsebenen von Düsenkörpern über die Bohrungstiefe veränderlich sein kann.

6. Vorrichtung zur Entspannung flüssiger und überkritischer Gase an durchbohrten Entspannungsebenen von Düsenkörpern mit punktueller Beheizung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsquerschnitt von der Kreisform abweichend sein kann.