DE19707150A1 - Gerät zur genauen Kontrolle von Wassermengen unter Nutzung eines Temperaturgradienten in einem Gas - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die dargestellte Erfindung beschreibt eine Apparatur zur Generierung eines trockenen Aero­ sols, welches primär als Gerät in der chemischen Analyse bei der Spektroskopie eingesetzt werden soll.

Für die Analyse einer Lösung in einem Spektrometer wird die Lösung zunächst mit Hilfe einer Vernebelungseinheit (Zerstäuber genannt) in ein feines Aerosol überführt und dann einer thermischen Anregungsquelle (Plasma) zugeführt.

Das Aerosol wird verdampft und in dem Plasma angeregt, wobei Strahlung emittiert wird, wel­ che für die in der Lösung vorhandenen Elemente charakteristisch ist. Die emittierte Strahlung wird mit Hilfe des Spektrometers untersucht.

Es existieren mehrere Möglichkeiten eine Lösung in ein Aerosol zu überführen, die gebräuch­ lichste ist die pneumatische Zerstäubung. Alternativ dazu existiert die Ultraschallzerstäubung, welche ein sehr dichtes Aerosol erzeugt.

Um die Aerosolausbeute zu erhöhen, ist es vorteilhaft den Flüssigkeitsanteil des Aerosoles zu reduzieren. Normalerweise ist der Flüssigkeitsanteil Wasser. Die Reduzierung des Flüssigkeits­ anteiles, diese Operation nennt man Desolvatation, wird durch Erhitzung und anschließen­ der Kondensation erreicht. Wenn ein Aerosol, bestehend aus Gas und feinverteilten Flüssig­ keitstropfen erhitzt wird, verdampft die Lösungsmittelmenge, welche in die Gasphase überführt wird. Das Aerosol am Ausgang des Erhitzers besteht nun aus einem Gas und feinen Feststoff­ partikeln von Salz, welche in dem Aerosol waren. Dieses Gas wird dann in den Kondenser überführt. Das Gas kondensiert an den Kühlflächen und die feinen festen Aerosolpartikel wer­ den ins Plasma geführt. Der kondensierte Gasanteil wird über den Ausguß abgeführt (s. Fig. 1).

Theoretisch wird der Wassergehalt des Gases durch die Temperatur des Kondensors kontrol­ liert. Beobachtungen haben gezeigt, daß manchmal der Wassergehalt höher ist als der korre­ spondierende Dampfdruck der Kondensortemperatur dies erlauben dürfte und somit werden Wasserablagerungen in den Schläuchen, die zum Plasma führen, beobachtet.

Modellbetrachtungen eines Kondensationssystems haben gezeigt, daß Kondensationen auch im Hauptgasstrom beobachtet werden und nicht nur an der Wand des Kondensors. Insbesondere wenn die Kühlung des Gases zu schnell geschieht. Dies ist der Fall, wenn die Gastemperatur unter die Kondensationstemperatur des mit Wasser beladenen Gases fällt. In diesem Fall wer­ den feine Tröpfchen gebildet und mit dem Gasstrom aus dem Kondenser geführt. Dies erklärt, warum der Wassergehalt des Gases höher sein kann, als der theoretisch erwartete Gehalt. Das Temperaturprofil des Gases wird durch die thermische Diffusion kontrolliert und das Wasser­ gehaltsprofil wird durch die Gasdiffusion bestimmt. Da die thermische Diffusion größer ist als die Gasdiffusion, wird eine gelegentliche Kondensation des Hauptgasstromes beobachtet.

Die Konsequenz ist, daß der Wassergehalt des Gases am Ausgang der Desolvatationseinheit nicht immer gut definiert ist, so daß Schwankungen und Fluktuationen des Wassergehaltes des Gases beobachtet werden. Da der Wassergehaft des Gases großen Einfluß auf die thermische Leitfähigkeit und dem Energietransfer zwischen Plasma und Aerosol hat, besteht eine große Gefahr falsche Analysenwerte zu produzieren.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird leichter verständlich, wenn zunächst die beiden Einzellösungen erklärt werden.

Fig. 2 gibt ein Beispiel eines Aufbaues einer variablen Temperaturkontrolle eines Konden­ sors. Die externe Wand ist in thermischen Kontakt mit mehreren Ringen von abnehmender Temperatur. Die Temperatur der Ringe kann durch verschiedene Möglichkeiten gesteuert wer­ den z. B. temperaturgesteuerte Wasserzirkulation oder durch Peltierkühlelemente.

Fig. 3 gibt ein Beispiel des Aufbaues eines zentralen Heizfingers als Kondenser. Der Kon­ denser besteht aus einer externen Röhre (1), einem axialen Zylinder (2), einem Einlaß (3) und einem Auslaß (4) für das Gas und einem Abfluß (5) für das gesammelte Kondensat (kondensierter Wasserdampf). Der axiale Zylinder (2) wird beheizt z. B. elektrisch oder an­ derweitig. Das Aerosol, welches mit Wasser beaufschlagt ist, strömt durch den Zylinder (Eingang wet gas). Der Wasserdampf kondensiert an der kalten Wand und wird über den Abfluß (5) abgeführt. Das trockene Gas verläßt den Kondenser durch den Auslaß (4). Ein Bauteil wie z. B. ein Ventil oder ein U-Rohr oder eine peristaltische Pumpe verhindert, daß das Gas über den Abfluß (5) entweichen kann.

Der Kondenser kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler als auch in jeder beliebigen Position arbeiten, wobei darauf zu achten ist, daß der Abfluß immer am unteren Ende des Kondensers liegen muß. Der Durchmesser und die Länge des Kondensers hängen von der Strömungsgeschwindigkeit des Aerosoles und der Menge Wasserdampf, die das Aerosol ent­ hält, ab. Die Temperatur des internen Zylinders (2) wird bestimmt durch Berechnungen. Im übrigen muß die Temperatur höher sein als die Kondensationstemperatur des wasserdampfbe­ ladenen Gases. Die kondensierte Wasserdampfinenge des Gases am Auslaß des Kondensers wird durch die externe Wandtemperatur geregelt.

Für die meisten Anwendungen wird das Gerät aus beiden Fig. 1 und 2 bestehen. Es wird geschätzt, daß die obige Beschreibung der Erfindung nicht limitiert wird durch den Einzelge­ brauch der aufgeführten Beschreibungen.

Verbesserung und Spezifikation der Erfindung

Geräte zur Produktion von trockenen Aerosolen oder die Erstellung eines Gases mit genauem Wasserdampfgehalt mit der Bedingung, daß die Kondensation nur an der kalten Wandzone stattfindet, kann nur durch einen Temperaturgradienten erreicht werden. Diese Kontrolle des Temperaturgradienten wird durch die obigen zwei Verfahren (Fig. 2 und 3) beschrieben.

Die erste Methode besteht aus einer Wandkondensation bei die Temperatur vom Eingang zum Ausgang zunehmend abnimmt.

Die zweite Methode besteht aus einem geheizten Zylinder (2) welcher im gekühlten Zylinder (1) eingelassen ist. Das Aerosol, welches getrocknet werden soll, zirkuliert in dem Zwischen­ raum Heizfinger und Zylinder und der kondensierte Wasserdampf wird über den Abfluß nach außen geführt.

Claims (3)

1. Kondensator zur Verminderung des Dampfgehaltes eines Aerosols auf einen vorgegebenen Dampfgehalt eines austretenden Aerosols, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Anord­ nung das Aerosol eine Zone mit einem von außen erzeugten Temperaturgradienten durchläuft und die obere Temperatur deutlich oberhalb der für den gewünschten Dampfdruck des austre­ tenden Aerosols erforderlichen Kondensationstemperatur und die untere Temperatur auf dieser Kondensationstemperatur liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Temperaturgra­ dient stetig von der oberen Temperatur am Eingang des Kondensators zur unteren Temperatur am Ausgang des Kondensators verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator aus einem ge­ heizten inneren Zylinder mit der oberen Temperatur und einem gekühlten äußeren Zylinder mit der unteren Temperatur besteht und das Aerosol zwischen den beiden Zylindern hindurch­ strömt und am tiefstem Punkt des äußeren Zylinders ein Kondensatauslaß vorhanden ist.