DE202004012296U1

DE202004012296U1 - System für die Elementaranalyse von Proben

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Publication number: DE202004012296U1
Application number: DE200420012296
Authority: DE
Original assignee: EuroVector SpA
Current assignee: EuroVector SpA
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2014-08-06
Also published as: ITTO20030625A1

Abstract

System für die Elementaranalyse von Proben, bestehend aus:
– einem Verbrennungsreaktor (3) und einem Reduktionsreaktor (7), die durch eine Brückenleitung (18) miteinander verbunden sind;
– Vorrichtungen (2) für die Einführung der Proben in den Innenraum des Verbrennungsreaktors (3);
– Vorrichtungen (12) für die Analyse der Gasverbindungen, die aus der Verbrennung dieser Proben entstehen, insbesondere ein Gaschromatograph,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenleitung (18) mindestens zum Teil aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt ist.

Description

ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein System für die Elementaranalyse von Proben beschrieben, das einen Verbrennungsreaktor (3) und einen Reduktionsreaktor (7) enthält. Diese Reaktoren sind durch eine Brückenverbindung (18) miteinander verbunden. Das System besteht außerdem aus Vorrichtungen für die Einfügung bzw. das Einführen dieser Proben in den Verbrennungsreaktor (3) und aus Vorrichtungen (12) für die Analyse der Gasverbindungen, die durch die Verbrennung dieser Proben erzeugt werden, insbesondere aus einem Gaschromatographen.
Auf der Grundlage der Erfindung ist die Brückenverbindung (18) mindestens zum Teil aus Material mit hoher Wärmeisolierung, speziell aus Isoliermaterial, gefertigt.
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung hat als Gegenstand ein System für die Elementaranalyse von Proben, insbesondere aus organischen Metallverbindungen, die bei unterschiedlicher Flüchtigkeit oxidieren, sowie aus Proben mit Schwefel- und Stickstoffgehalt, welche die Bedingungen für die Bildung von Säuren bei ihrer Umwandlung in einfache Gasmoleküle schaffen können.
In der Elementaranalyse müssen die Proben in einfache Gasmoleküle umgewandelt werden (N₂, CO₂, H₂O, SO₂, CO), welche die gaschromatographische Trennung und einen Detektor des Typs TCD (Thermal Conductivity Detection), IRMS (Isotopic Radtio Mass Spectrometry) oder IR (Infra Red) einleiten. Dieses Verfahren ist typisch für ein Instrument für die Elementaranalyse von Proben, das auch als Elementaranalysegerät bekannt ist. Aus diesem Instrument lassen sich mehr Informationen ableiten, wie sich unter Bezugnahme auf diverse Patente des Antragstellers zur gleichen Thematik ergibt.
Die Proben sind in Zinn- oder Silberkapseln verkapselt. Sie befinden sich auf einer Platte eines Analysegerätes. Sie werden nach und nach in einen Ofen eingeführt, der einen Verbrennungsreaktor enthält und der bei Temperaturen um die 1.000°C bis 1.100°C gehalten wird, wo sie bei kontinuierlichem Zustrom von trägen Gasen verbrannt werden.
Um einfache Gasmoleküle (N₂, CO₂, H₂O, SO₂) zu erzeugen, wird die Verbrennung durch die Einspritzung einer zuvor bestimmten Menge an Sauerstoff eingeleitet. Der Vorgang wird durch die Anwesenheit von Katalysatoren begünstigt. Ein geregelter Strom mit trägem Gas, auch bekannt als Carrier Gas (Transportgas), in der Regel Öl, strömt kontinuierlich durch das System. Dieser Carrier befördert die Produkte der Gasverbrennung aus dem Verbrennungsreaktor und die Gase gelangen, über eine Brückenverbindung, in einen zweiten Reduktionsreaktor, der bei einer Temperatur von circa 650°C und 950°C gehalten wird. Hier werden die Gase einer Reduktion unterzogen, wobei sie durch einen Reduktionskatalysator strömen, der in der Regel aus Granulaten aus reinem Kupfer besteht. Die resultierenden Moleküle des Gases werden durch das Transportgas zur Trennung über eine gaschromatographische Säule und zur nachfolgenden Messung über den TCD oder über die anderen Detektoren geleitet. Der analytische Kreislauf bzw. die Gesamtheit der Elemente, die durch das Verbrennungsgas laufen, können eine Falle für die Absorption von CO₂ oder Wasser enthalten.
Die gesamte Sequenz der Arbeitsphasen, die Betriebsparameter (Temperaturen, Druckwerte, Strömungen) sowie die Beschaffung und die Verarbeitung der Daten können vollständig automatisiert und kontrolliert werden, und zwar sowohl örtlich durch eine Tastatur des Instrumentes oder unter Fernbedienung durch einen Computer mit entsprechender Software.
In den Systemen der Elementaranalyse der bekannten Proben ist die Brückenverbindung, die den Verbrennungsreaktor und den Reduktionsreaktor miteinander verbindet, aus korrosionsbeständigem Stahl gefertigt, da es notwendig ist, Materialien zu verwenden, die nicht zum Kontakt mit dem aus dem Verbrennungsreaktor (bei 150°C – 200°C) ausströmenden Gas führen und die gleichzeitig chemisch träge sind, so dass Reaktionen zwischen dem Verbrennungsgas und den Wänden der Leitung unterbunden werden.
Die Benutzung des korrosionsbeständigen Stahls und allgemein der Metalle zur Realisierung dieser Leitung hat aber eine Reihe von Nachteilen: insbesondere weist dieses Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit und somit einen Gasstrom auf, wodurch die Leitung zur Abkühlung neigt. Außerdem ist die Innenfläche der Leitung rauh und nutzt sich gegenüber dem Gasstrom rasch ab, wodurch weitere Wärme verlorengeht. Schließlich bietet die Unregelmäßigkeit der Innenfläche eine Reihe von Einlagerungen, in deren Innenräumen sich Gasmoleküle verfangen können, darunter auch Anhydride, die bei der Verbindung mit Wasserdampf Säuren bilden, welche das Metall rosten lassen. Dies führt auch dazu, dass sich die Einlagerungen in der Leitung vergrößern und noch mehr Wärme verlorengeht.
Die Verbrennung der organischen Metalle erzeugt neben den Wassermolekülen auch Kohlenmonoxide, Stickoxide und Metalloxide. Einige Metalloxide sind ausreichend flüchtig, so dass sie durch den im Verbrennungsreaktor befindlichen Oxidationskatalysator gelangen und in die Brückenleitung kommen. Einige dieser flüchtigen Oxide können dann in den Reduktionsreaktor gelangen. Andere wiederum können kondensieren und in der Brückenleitung verbleiben, so dass Kontaminationen entstehen.
Außerdem können andere Probengattungen (wie zum Beispiel einige Verbindungen mit Stickstoff- oder Schwefelgehalt und andere Verbindungen mit Halogengehalt) verbrannt werden und Anhydride bilden.
Wenn diese Säuredämpfe durch die Brückenleitung zwischen den beiden Reaktoren strömen, können die Innenflächen der Brückenleitung korrodieren, wodurch eine weitere schädliche Ablagerung in der Leitung entsteht.
Außerdem erzeugen die Proben während des Verbrennungsprozesses Wasser, das sich aus dem in den Proben enthaltenen endogenen Wasserstoff und aus dem endogenen Sauerstoff sowie aus den Zusätzen für die Verbrennung bildet.
Abhängig von der mit der Verbrennung der Probe gebildeten Wassermenge und von der Temperatur der Brückenleitung zwischen den beiden Reaktoren bleibt ein Teil dieses Wassers im Dampfzustand, während ein anderer Teil kondensiert und in der Leitung gehalten wird.
Wenn eine der vorstehend beschriebenen Kontaminationen in der Brückenleitung auftritt, kann der Teil des Wassers im Dampfzustand kondensieren oder mit den vorhandenen Oxiden und Anhydriden reagieren. Wenn das Wasser in der Brückenleitung gehalten wird, können sich aus den Anhydriden Säuredämpfe bilden und die Kontamination und die Korrosion der Innenflächen der Brückenleitung bewirken.
Da das Wasser eines der Elemente ist, das am meisten durch die Verbrennung der organischen Metallproben gebildet wird, kann das Ergebnis der gaschromatographischen Analyse falsch sein, wenn das Wasser in der Brückenleitung bleibt.
Die vorliegenden Systeme benötigen also eine gute Wartung, um die etwaig kondensierten Säuren oder die mit den Wassermolekülen verbundenen Säuren, die in der Brückenleitung kondensiert sind, zu entfernen. Man kommt nicht zu genauen Ergebnissen, weil ein Teil der Verbrennungsprodukte im Verbrennungsreaktor nicht die gaschromatographische Säule für die Trennung der Elemente erreicht und weil der Gasstrom durch die Abkühlung an den Wänden der Brückenleitung nicht bei gleichmäßiger Temperatur gehalten wird.
Die Abkühlung eines Teils des Gasstroms und die partielle Zurückhaltung des Wassers mindert somit die Effizienz der gaschromatographischen Trennung und führt zu einer Verbreiterung der gemessenen Spitze, was bis zu Verzerrungen führt, so dass die Integrationsalgorithmen der Spitzen keine Ergänzung der Spitzen mehr ermöglichen.
Außerdem ist bekannt, dass zur Vermeidung der Abkühlung der Gassäule im Innern der Brückenleitung Kühlsysteme von außen verwendet worden sind, aber die Ergebnisse waren nicht zufriedenstellend. Darüber hinaus haben die Systeme der Elementaranalyse der Proben in diesen Fällen nicht zu Vorteilen für den Anwender geführt.
Der Hauptzweck bzw. die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den vorgenannten Problemen der Systeme der Elementaranalyse von Proben zu begegnen, indem die Effizienz und die Präzision der Analyse der Proben verbessert wird.
Ein weiterer Zweck bzw. eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung von Systemen der Elementaranalyse von Proben, in denen die Temperatur während des analytischen Kreislaufs (das heißt die Gesamtheit der Elemente, die durch das Verbrennungsgas laufen) möglichst konstant gehalten wird.
Ein weiteres Ziel bzw. eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass vermieden werden soll, dass das durch die Verbrennung entstandene Wasser in der Brückenleitung kondensiert, ohne dass von außen für die Erhitzung der Brückenleitung Hilfsmittel in Anspruch genommen werden müssen.
Ein weiterer Zweck bzw. eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Systeme der Elementaranalyse von Proben zu realisieren, die bequem und zu geringen Kosten zu warten sind.
Diese und weitere Zwecke bzw. Aufgaben werden durch ein System für die Elementaranalyse von Proben gewährleistet, das einen Verbrennungsreaktor und einen Reduktionsreaktor enthält, die durch eine Brückenleitung miteinander verbunden sind. Das System besteht außerdem aus Vorrichtungen für die Einfügung bzw. das Einführen dieser Proben in den Verbrennungsreaktor und aus Vorrichtungen für die Analyse der Gasverbindungen, die durch die Verbrennung dieser Proben erzeugt werden, insbesondere aus einem Gaschromatographen. Das System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Brückenleitung aus einem Material mit hoher Wärmeisolierung, speziell aus Isoliermaterial, gefertigt ist.
Diese Brückenleitung ist vorzugsweise aus Peek, Teflon, Delrin und anderen Kombinationen dieser Materialien gefertigt, wodurch superglatte Flächen erhalten bleiben, die gegenüber Säurekorrosion resistent sind und die eine hohe Wärmeisolierung haben.
Die Leitung besteht aus einem Rohr und aus zwei Verbindungsstücken an den Enden. Diese Verbindungsstücke und das Rohr können aus unterschiedlichem Material gefertigt werden. Die Verbindungsstücke bestehen vorzugsweise aus Peek.
Weitere Zwecke bzw. Aufgaben, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung erscheinen klar durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführung des Systems nach den beiliegenden Ansprüchen, die als Beispiel erläutert ist, aber nicht auf das Design beschränkt ist, wobei:
1 einen Plan des Systems auf der Grundlage der Erfindung zeigt, in dem die Außenhülle weggelassen wurde.
Eine Ausführungsform eines Systems der Elementaranalyse von Proben auf der Grundlage der Erfindung ist in 1 dargestellt, wobei die Ausführung in ihrer Komplexität bzw. in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist.
Die Proben werden in den Innenraum eines Verbrennungsreaktors über entsprechende Vorrichtungen (2) geführt. Die Proben werden vorzugsweise in Aluminium- oder Zinnkapseln untergebracht, die ihrerseits im Innern eines Analysegerätes (2) positioniert sind.
Ein kontinuierlicher Zustrom mit trägem Gas, zum Beispiel Helium (He), das aus einer externen Gasflasche entnommen wurde, die der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist, und das durch ein Druckventil (EPC₁) reguliert wird, gelangt in den Innenraum des Analysegerätes, um die Kammer zu reinigen, wo die Probe aufbewahrt wird (Spüleffekt).
Die Verbrennung erfolgt im Innenraum eines Verbrennungsreaktors (3) durch Einspritzung einer Sauerstoffzugabe (O₂). Der Sauerstoff wurde ebenfalls einer externen Sauerstoffflasche entnommen, die der Einfachheit halber hier nicht dargestellt ist. Er wird durch ein Ventil EPC₃ gesteuert, so dass eine Oxidation bzw. ein Oxidationsflash der Probe entsteht.
Der Verbrennungsreaktor (3) befindet sich in einem Ofen (4), der bei einer Temperatur von 1.000°C bis 1.100°C gehalten wird. Die durch die Verbrennung erzeugten Gase werden aus dem trägen Gas gedrückt bzw. werden mittels des trägen Gases herausgedrückt, das somit als Spülgas und als Transportgas verwendet wird. Am Ausgang des Verbrennungsreaktors strömen die durch die Verbrennung der Probe entstandenen Gase durch eine Brückenleitung (18), bestehend aus zwei Verbindungsstücken (5, 5') und aus Verbindungsvorrichtungen (6), um dann in einen Reduktionsreaktor (7) eingespritzt zu werden, der von einem Ofen (8) erhitzt wird, der bei einer Temperatur zwischen 650°C und 950°C gehalten wird.
Der Reduktionsreaktor (7) enthält Katalysatorelemente (9), die etwaige stark flüchtige Metalloxide, die durch den Verbrennungsreaktor und durch die Brückenleitung gelangen können, zurückhalten. Auf der Grundlage einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen diese Katalysatorelemente aus Kupfer- und Quarzwollegranulaten.
Der Reduktionsreaktor (7) ist durch ein Verbindungsrohr (10) und durch eine Einspritzleitung (11) mit entsprechenden Vorrichtungen (12) für die Analyse der Gasverbindungen verbunden, die durch die Verbrennung der Proben entstehen. Diese Vorrichtungen (12) enthalten vorzugsweise einen Gaschromatographen (14), wo die erhitzten Gase zeitlich getrennt werden, einen Detektor mit Wärmeleitfähigkeit (15), der nachfolgend kurz TCD genannt wird. Dort werden die reduzierten und einzeln getrennten Gasprodukte für die Quantifizierung ihrer Zusammensetzung gemessen.
Eine zweite Leitung (16) und ein Druckregler (EPC₂) sehen einen zweiten Zustrom mit Helium vor. Dieses Helium strömt durch die entsprechende Zelle des TCD (15).
Das Helium wird sukzessiv in die Atmosphäre abgelassen oder kann, über eine entsprechende Leitung (17) zum Analysegerät (2) geleitet werden, um als Spülgas zu dienen.
Auf der Grundlage der Erfindung ist die Brückenleitung (18) mit Materialien gefertigt, die superglatte Flächen bewirken, die gegenüber Säurekorrosion resistent sind und die eine hohe Wärmeisolierung haben, wie zum Beispiel Peek, Teflon, Delrin oder eine andere Kombination dieser Stoffe, welche die vorgenannten Eigenschaften widerspiegeln.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungsstücke (5, 5') der Brückenleitung (18) aus Peek gefertigt. Dieses Material hat eine hohe Wärmeisolierung und ist säurebeständig, leicht zu verarbeiten und gegenüber den hohen Temperaturen des Verbrennungsgases um die 250°C resistent, während die Verbindungsvorrichtungen (6) aus einem Teflonrohr bestehen, das auf dem Markt zu geringen Kosten leicht zu beschaffen ist.
Die Auswahl dieser Materialien für die Realisierung der Brückenleitung (18) ist nicht zufällig. Sie entstammt vielmehr einer neuen Philosophie, welche die Erhitzung der Brückenleitung (18) durch entsprechende Heizgeräte oder Systemen von außen vorsieht. Beim Einsatz von Materialien mit hoher Wärmeisolierung wird das Problem der Gasabkühlung in der Brückenleitung überwunden. Dies gilt nicht nur für die Verbindungsvorrichtungen (6), die aus Materialien mit hoher Wärmeisolierung gefertigt sind, sondern auch für die Verbindungsvorrichtungen (5, 5'). Die beiden zuletzt genannten Teile haben eine große Fläche und sind, wenn sie aus korrosionsbeständigem Stahl gefertigt sind, der größte Kühlpunkt des Gases. In diesem Fall sind die Phänomene der Wasserkondensation leicht zu beobachten.
Mit der zuerst beschriebenen Struktur wird das mit den Wänden in Kontakt stehende Gas von innen und nicht von außen abgelassen, das heißt, die Wärmeleitfähigkeit der Wände ist so beschaffen, dass wenig Energie von den Gasteilchen an den Wänden abgegeben wird. Auf diese Weise bleibt die Temperatur des Gases über den gesamten analytischen Kreislauf nahezu konstant: die Einspritzung eines unter Druck stehenden Transportgases mit konstanter Temperatur aufgrund der bekannten Temperaturkontrollvorrichtungen des Verbrennungsreaktors bewirkt, dass die Wärmezufuhr am Eingang der Brückenleitung (18) konstant bleibt. Die Wahl der Materialien mit hoher Wärmeisolierung für die Realisierung der Brückenleitung (18) senkt die Kondensationsphänomene des Wassers und ermöglicht dadurch eine gleichmäßige Temperatur im Innern der Brückenleitung (18). Der restliche Teil des analytischen Kreislaufs (Reduktionsreaktor (7), Verbindungsleitung (11) mit den Vorrichtungen (12) für die Analyse der Gasverbindungen, die durch die Verbrennung der Proben entstehen, und die Analysevorrichtungen (12)) steht unter ständiger Kontrolle in Form von Vorrichtungen und Lösungen, die bereits bekannt sind.
Es ist klar, dass dem Techniker viele Varianten möglich sind, ohne dass dabei der Rahmen der vorgenannten Idee der Erfindung gesprengt wird, wie zum Beispiel die Benutzung von Polymermaterialien anstelle von Peek, Teflon oder Delrin, die dem Wandphänomen kaum unterliegen, das heißt der Kondensierung des Wasserdampfes an kalten Wänden, für die Realisierung von Brückenleitungen (18) und der Ausgangsleitung (10) des Reduktionsreaktors.
Außerdem ist die Realisierung nur eines Teils der Brückenleitung aus Material mit hoher Wärmeisolierung möglich. Zum Beispiel können die im analytischen Kreislauf enthaltenen Verbindungsstücke (5, 5', 10) aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt werden und die Verbindungsteile (6) der Brückenleitung (18) aus korrosionsbeständigem Stahl.
Umgekehrt können die Brückenleitung mit Verbindungsstücken (5, 5') aus korrosionsbeständigem Stahl und die Verbindungsteile aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt werden. In beiden Fällen wird die Effizienz der Messung gegenüber den erzielten Werten mit den bekannten Systemen für die Elementaranalyse verbessert. Die Effizienz liegt aber unter den Werten, die bei einer Brückenleitung erzielt wird, die ausschließlich aus Material mit hoher Wärmeleitung gefertigt ist.

Claims

System für die Elementaranalyse von Proben, bestehend aus: – einem Verbrennungsreaktor (3) und einem Reduktionsreaktor (7), die durch eine Brückenleitung (18) miteinander verbunden sind; – Vorrichtungen (2) für die Einführung der Proben in den Innenraum des Verbrennungsreaktors (3); – Vorrichtungen (12) für die Analyse der Gasverbindungen, die aus der Verbrennung dieser Proben entstehen, insbesondere ein Gaschromatograph, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenleitung (18) mindestens zum Teil aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt ist.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Leitung zwei Verbindungsstücke (5, 5') an den Enden der Verbindungsvorrichtungen (6) enthält.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verbindungsvorrichtungen (6) ein Rohr bilden.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstücke (5, 5') und die Verbindungsvorrichtung (6) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstücke (5, 5') aus Peek, Teflon oder Delrin gefertigt sind.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtungen (6) aus Peek, Teflon oder Delrin gefertigt ist.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtungen (6) aus Material mit hoher Wärmeisolierung und die Verbindungsstücke (5, 5') aus Metall gefertigt sind.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtungen (6) aus Metall und die Verbindungsstücke (5, 5') aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt sind.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenleitung (18) komplett aus Material mit hoher Wärmeisolierung gefertigt ist.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenleitung (18) aus Peek, Teflon oder Delrin gefertigt ist.
System für die Elementaranalyse der Proben nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenleitung (18) aus einem Polymermaterial auf der Basis einer Kombination aus Peek, Teflon oder Delrin gefertigt ist.
System für die Elementaranalyse auf der Grundlage der Erfindungen der vorliegenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, die eine bevorzugte Realisierung des Systems für die Elementaranalyse von Proben darstellt.