DE2341005B2 - Verfahren zum anreichern von in einem gas niedrigeren molgewichts enthaltenen stoffen hoeheren molgewichtes und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Anreichern eines in einem Gas enthaltenen Stoffes höheren Molekulargewichtes mittels einer Molekularpumpe.

Unter »Anreichern« im Sinne dieser Beschreibung wird das Sammeln einer Komponente unter gleichzeitiger Vergrößerung des Verhältnisses ihrer Menge gegenüber der Menge eines oder mehrerer anderer abzutrennender Stoffe in einem Sammelbehälter verstanden. Der erwähnte, in einem Gas enthaltene Stofl höheren Molekulargewichts kann ebenfalls ein Gas. ein Dampf oder auch ein Schwebstoff (Ärosol) sein Insbesondere hat die Erfindung Bedeutung für die Umweltanalytik, wie z. B. für die analytische Bestim mung und den Nachweis von Schadstoffen in Luft und ir Emissionen.

Molekularpumpen sind unter anderem auf dei anliegenden Liste angegeben.

In der Literaturstelle 1 (letzter Absatz) wurde die Vermutung ausgesprochen, daß Molekularpumpen zurr Trennen leichter Isotopen verwendbar sein dürften. E< wurde darauf hingewiesen, daß diese Pumpen be leichtem Wasserstoff (H2) eine Kompression von 250 :1 erzielen, wogegen sie bei schwerem Wasserstoff I_xD₂^ auf 2400:1 ansteigt. Bezeichnet man die Zahl, die angibt, wievielmal größer die Kompression der stärkei verdichteten Komponente als diejenige der weniger stark verdichteten Komponente ist, als Trennfaktor dann ergäbe sich für den bekannten Fall also eir Trennfaktor von 9,6. Man darf demnach erwarten, daC nach genügend langer Pumpzeit das Verhältnis D₂/H. im Sammelbehälter (auf der Ausstoßseite der Pumpe 9,6mal größer ist als im Vorratsbehälter (auf dei Ansaugseite der Pumpe.)

Erwartet man jedoch auf Grund dieses bekannter Standes der Technik eine Anreicherung, wenn mit einei Molekularpumpe das zu trennende Gasgemisch au; einem Vorratsbehälter in einen Sammelbehälter ge pumpt wird, so wird man enttäuscht. Es stellt sich zwai für jede Komponente des Gasgemisches das zi erwartende Druckverhältnis zwischen Ausstoßseite unc Ansaugseite der Pumpe ein, jedoch unterscheidet sicr überraschenderweise das Mischungsverhältnis de; Komponenten im Sammelbehälter (auf der Ausstoßsei te der Pumpe) kaum merkbar vom Mischungsverhältni: der ursprünglichen Mischung. Das erwähnte Druckver hältnis stellt sich für jede Komponente nämlicl praktisch ausschließlich dadurch ein, daß sich infolge dei Pumpwirkung die Partialdrücke im Vorratsbehältei (Ansaugseite) ändern, und zvvar verringert sich dei Partialdruck der schwereren Komponente im Vergleicl zum Partialdruck der leichteren Komponente um der Betrag des Trennfaktors.

Dieser Effekt läßt sich zwar ausnutzen zur Lecksuch« bei Vakuumanlagen (Literaturstelle 2). Dabei wird di< zu testende Vakuumkammer von außen mit einen Testgas niedrigen Molekulargewichtes — z. B. Wasser stoff oder Helium — besprüht, wobei das Testgas durcl etwaige Undichtigkeiten in die Kammer eindringt, au welcher es mittels einer Pumpe zusammen mit anderen in der Kammer befindlichen Gas abgesaugt wird. Zun Nachweis des eingedrungenen Testgases wird an dii Absaugleitung eine zu einem Druckmeßgerät führendi Zweigleitung angeschlossen, in der eine Molekularpum pe eingeschaltet ist, die dem Eindringen von Gasen ii das Druckmeßgerät entgegenwirkt. Da das Testgas eil geringeres Molgewicht besitzt, kann es bedeuten! leichter entgegen der Förderwirkung der Molekular pumpe zum Druckmeßgerät gelangen als das schwerer Restgas, z. B. Luft. Auf diese Weise steigt der Druck ir

Druckmeßgerät an. sobald Testgas durch ein Leck in die Vakuumkammer gelangt. Eine Anreicherung des Testgases findet dabei jedoch nicht statt, im Gegenteil, es herrrscht im Druckmeßgerät ein der Kompression der Molekularpumpe entsprechender niedrigerer Druck vor als in der Vakuumkammer. Für einen analytischen Nachweis läge also eine geringere Testgasmenge vor, als wenn das Nachweisgerät direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Molekularpumpe über die Zweigleitung mit der Absaugleitung verbunden wäre.

Eine Anreicherung im obengenannten Sinre erschien also auf Grund des bekannten Standes der Technik nicnt möglich. Allenfalls gelingt nur eine Abtrennung der leichteren Komponente, wobei ihr Partialdruck zwar im Verhältnis zum Partialdruck der schwereren Komponente größer, in seinem absoluten Betrag jedoch kleiner wird als ohne Verwendung einer Molekularpumpe. Für die schwerere Komponente ist nicht einmal eine Trennwirkung nach obiger Definition feststellbar. Die Erfindung hat sich demgegenüber das Anreichern im eingangs erwähnten Sinn einer in einem Gas enthaltenen schweren Komponente zum Ziel gesetzt, insbesondere zum Zwecke einer Verbesserung des analytischen Nachweises schwerer Komponenten.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen einheitlichen Anreicherungsgrad auch für Stoffe unterschiedlichen Molekulargewichtes zu erhalten und schließlich noch ein weiteres Ziel, einen bestimmten Anreicherungsgrad in minimaler Zeit zu erreichen.

Vorteilhafterweise wird für die Durchführung der Erfindung eine sogenannte Turbomolekularpumpe verwendet, wie sie in den obenerwähnten Literaturstellen beschrieben worden ist; aber auch andere Konstruktionen von Molekularpumpen, z. B. die sogenannte »Gaedesche Molekularpumpe« sind geeignet.

Zum besseren Verständnis der im Anspruch 1 definierten Erfindung werde zunächst anhand der F i g. 1 der prinzipielle Aufbau erläutert.

In F i g. 1 bedeutet 1 die Zuleitung für das Gas, das die anzureichernde schwere Komponente enthält. Es wird über das Ventil 2 und die Leitung 3 der Molekularpumpe 4 zugeführt. Die Förderwirkung der Molekularpumpe 4 hat die durch einen Pfeil angedeutete Richtung. An die Pumpe 4 ist eine weitere Pumpe 5 (an sich beliebiger Art) angeschlossen, mit der in F i g. 1 ebenfalls durch Pfeil angedeuteten der Pumpe 4 entgegengesetzten Förderrichtung. Das über 1 der Molekularpumpe 4 zugeführte Gas wird zum größten Teil von der Pumpe 5 und schließlich von der Vorpumpe 6 weggefördert, wogegen der anzureichernde schwere Rest im Sammelbehälter 7 gesammelt wird. Aus diesem Sammelbehälter kann die angereicherte schwere Komponente anschließend über das Ventil 8 abgezogen und z. B. einem Analysator 9 zugeführt werden. Die Förderrichtungen der Pumpen 4 und 5 sind wie erwähnt in F i g. 1 voneinander abgekehrt. Die Abkehrung der beiden Förderrichtungen muß aber nicht an einer äußeren Verbindungsstelle der Pumpen 4 '.:nd 5 gelegen sein, sondern kann z. B. besonders vorteilhaft mit zwei in entgegengesetzten Richtungen fördernden Sätzen von Molekularpumpstufen innerhalb desselben Pumpengehäuses erfolgen. Dies veranschaulicht das Schema in F i g. 2. Die Molekularpumpe 4 besitzt mehrere Stufen, die in zwei als Teilpumpen wirkende Gruppen mit voneinander abgekehrten Förderrichtungen geteilt und mit den Pfeilen Si und S2 bezeichnet sind. Der Gaseinlaß erfolgt dabei im Bereich der Förderrichtung Si oder zwischen den beiden Teilpumpen. Verwendbare Doppd-Molekularpumpen sind z. B. in der Literatuistelle 13 beschrieben. Eine Anreicherung im Sinne der Erfindung wird mit jeder der drei EinMhrungsstellen 3a, Zb oder 3c oder mit beliebigen dazwischenliegenden Einführungsstellen erreicht. Wichtig ist nur, daß das zugeführte Gas in den Wirkungsbereich wenigstens einer der Stufen der Molekularpumpe Si gelangt Als Sammelbehälter wirkt im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Totraum der Pumpe.

Zum besseren Verständnis der weiteren Ausführungen ist es zweckmäßig, die Anreicherung der schweren Komponente durch folgenden Ausdruck den »Anreicherungsgrad« λ zu charakterisieren:

Q₁

n_s

Qn

c[

"ι

wobei /7, die Menge der schweren Komponente und Πι die Menge der leichten Komponente im Sammelbehälter 7 bedeutet und Qi bzw. Q_s die pro Zeiteinheit in die Molekularpumpe über die Leitung 3 eingebrachte Menge der leichten bzw. schweren Komponente.

Aus der weiter rechts angegebenen Form, bei der der Bruch mit der Zeit t, die zum Sammeln der Mengen /I₁ und Πι notwendig ist, erweitert wurde, ersieht man folgendes:

C> ■ t bzw. Qi ■ t bedeuten die Mengen der schweren bzw. leichten Komponenten, die der Trennanordnung in der Zeit t zugeführt wurd<_.i. Diese Mengen sind nicht identisch mit den Mengen n_s und «a weil ein Teil der zugeführten Mengen mittels der Pumpe 5 wieder abgefördert wird.

nJQ, t gibt also den Bruchteil der zugeführten Mengen der schweren Komponente an, welcher im Sammelbehälter 7 tatsächlich gesammelt wurde; entsprechend Πι/Qi ■ t den entsprechenden Bruchteil für die leichte Komponente. Der vorstehend definierte An-

reicherungsgrad <x für die schwere Komponente ist also, wie ersichtlich, gleich dem Verhältnis dieser beiden Bruchzahlen; er gibt an, in welchem Grade die schwerere Komponente stärker im Sammelbehälter zurückgehalten wird als die unerwünschte leichte

Komponente. Nach dieser Definition des Anreicherungsgrades ist es also gleichgültig, ob die angereicherte Stoffmenge n, im gasförmigen oder im kondensierten Zustand vorliegt.

Die Konzentrationen cV der anzureichernden Korn· ponenten im einströmenden Gas sind der Regel so klein daß man sie dem Mengenverhältnis ζ), · t/Qi ■ 1 gleichsetzen kann. Sofern keine Kondensation in der Molekularpumpe erfolgt, kann man andererseits auch das Mengenverhältnis njni der Konzfitration c," der

angereicherten Komponente im gesammelten Gas gleichsetzen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Konzentration im eingeklassenen Gas aus den Stoffmengen bzw. aus der Konzentration im Sammelbehälter zu berechnen, sofern der Anreicherungsgrad * bekanni ist. Beträgt er z. B. λ= 1000, so ist die Konzentration c_s' im einströmenden Gas lOOOmal kleiner als die Konzentration c\" im gesammelten Gas. Ist hingegen der angereicherte Stoff kondensiert, dann darf nur die ganz rechts angegebene Form zur Berechnung dei

Konzentration c_s' im einströmenden Gas angewendet werden. Die Kenntnis des Anreichcungsgrades λ bildei daher in jedem Falle eine Voraussetzung für quantitati ve Analysen.

J **■ 1 UUO

Um den Anreicherungsgrad λ /u besilmmen. empfiehlt es sich, einen Gasstrom bekannter Konzentration einzuleiten und den im Sammelbehälter 7 erreichten Partialdruck der betreffenden Komponente z. B. mit einem Massenspektrometer zu messen. Zur Erzeugung eines Gasstromes bekannter Konzentration eignen sich vor allem Dämpfe, deren Partialdrücke durch die Temperatur einer Stoffprobe in bekannter Weise genau eingestellt und anhand von Dampfdrucktafeln ermittelt werden können, wie z. B. von Quecksilber. Der über die Stoffprobe geleitete Gasstrom wird durcli das Ventil 2 in die Molekularpumpe eingelassen. Sein Betrag Qi ist stets so zu bemessen, daß der Totaldruck im Sammelbehälter 7 eine Molekularströmung und somit eine volle Trennwirkung der Molekularpumpe gewährleistet. Dies ist, je nach Ausführungsform der Pumpe, bei Drucken unter 0,1 Torr der Fall. Aus dem Konzentrationsverhältnis zwischen gesammeltem und einströmendem Gas ergibt sich entsprechend Formel 1 der Anreicherungsgrad «.

Die Zeit, die benötigt wird, um einen bestimmten Anreicherungsgrad α zu erreichen, wird in den weiteren Ausführungen als »Anreicherungszeit« t bezeichnet. Sie beginni, sobald nach Evakuieren des Sammelbehälters 7 bei geschlossenem Ventil 8 das Einlaßventil 2 geöffnet wird.

In ausführlichen Untersuchungen wurde gefunden, daß bei der beschriebenen Anordnung die Anreicherungszeit f proportional ist zum Anreicherungsgrad λ, zur Kompression Q der Pumpe für die leichte Hauptkomponente, zum wirksamen Volumen V des Sammelbehälters und umgekehrt proportional zum wirksamen Saugvermögen S der Anordnung. Im allgemeinen ist das wirksame Saugvermögen 5 etwas kleiner als das Nenn-Saugvermögen der Molekularpumpe, hingegen das wirksame Volumen V des Sammelbehälters etwas größer als dessen ausmeßbares Volumen. Unter Brücksichtigung dieser Abweichungen kann man den gefundenen Zusammenhang nähemngsweise durch die Formel

i«_Ä ■ C V/S C)

zum Ausdruck bringen.

Anhand der Formel erscheint es möglich, den Anreicherungsgrad λ aus der Anreicherungszeit t zu bestimmen. Da jedoch die Größen 5 und V₁ wie bereits erwähnt nicht mit der von Analysen geforderten Genauigkeit ermittelt werden können, empfiehlt es sich, den Betrag des Quotienten Q ■ V/S für die betreffende leichte Hauptkomponente aus Meßwerten von t und α zu berechnen. Mit Hilfe dieses Betrages kann man dann unbekannte Konzentrationen C₅' im einströmenden Gas aus gemessenen Konzentrationen C₅" im gesammelten Gas und der Anreicherungszeit f ermitteln, die je nach dem Konzentrationsbereich, in dem gearbeitet werden muß, in weiten Grenzen variiert werden kann.

Mit einer im Handel erhältlichen Molekularpumpe (Nenn-Saugvermögen 5=250 liter/sec, Kompression für Luft 0=50000:1, ausgemessenes Volumen des Sammelbehälters V= 0,1 Liter) wurde beispielsweise mit Heptan (Molekulargewicht ca. 100) für α= 1000 in Luft eine Anreicherungszeit von f= 10 Stunden benötigt Eine Wiederholung dieses Versuches mit Quecksilber (Molekulargewicht ca. 201) ergab die gleiche Anreichegsh ebenso auch mit Uran(6)-fluorid (Molekulargewicht ca. 352).

Überraschenderweise kann man also unter bestimmten Bedingungen (im Falle des Beispiels bei Stoffen mit Molekulargewichten von 100 und mehr in Luft) trotz großer Unterschiede der Molekulargewichte mit gleichen Anreicherungszeiten rechnen. In diesem speziellen Fall könnte man also unbekannte Konzentrationen C₅' s im einströmenden Gas ermitteln, indem man die nach einer Anreicherungszeit von 10 Stunden gemessenen Konzentrationen c," im gesammelten Gas durch einen stoffunabhängigen Betrag von λ= 1000 dividiert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere oder unbekannte Komponenten bestimmt werden müssen. Aus diesem Grunde wurde untersucht, unter welchen Bedingungen die Anreicherungszeit uniabhängig vom Molekulargewicht der angereicherten Komponente ist und zu diesem Zweck die Kompression der leichten Hauptkomponente variiert. Dies ist durch Veränderung der Drehzahl der Pumpe auf besonders einfache Weise möglich, jedoch führen auch konstruktive Maßnahmen, wie z. B. Veränderung der Stufenzahl, zu demselben Ergebnis.

Es wurde gefunden, daß die Anreicherungszeit / vom Molekulargewicht der angereicherten Komponente unabhängig ist. wenn die Kompression C) der leichten Hauptkomponente einen bestimmten Minimalwert C„„„ überschreitet, wenn also

/"- r Πι

Ci>C„„„. I-¹I

Beispielsweise wurde bei der obenerwähnten Versuchsanordnung durch Reduktion der Drehzaihl die Kompression der Pumpe für Luft auf ca. 5000: 1 herabgesetzt. Die Folge war, daß sich die Anreicherungszeit für (X=IOOO bei Heptan (Molekulargewicht 100) zwar auf 2¹/? Stunden verkürzte, jedoch sowohl bei Quecksilber (Molekulargewicht 201) als auch bei Uran(6)-fluorid (Molekulargewicht 352) derselbe Anreicherungsgrad bereits nach f=1'/2 Stunden einstellte. Die Kompression reichte also im Falle des Beispiels nicht mehr aus, um bei allen 3 Stoffen gleiche Anreicherungszeiten zu erzielen, sondern nur noch bei den 2 schwereren Stoffen.

Ferner wurde gefunden, daß die Anreicherungszeit ein Minimum beträgt, v/enn die Kompression der leichten Hauptkomponente einen bestimmten Betrag C_mm besitzt, also wenn

45 (-Ί

Ist also die Kompression G größer oder kleiner als der Betrag von C_milh dann ist die Anreicherungszeit r stets größer als ihr Minimalwert t„,„

Das Diagramm in Fig. 3 veranschaulicht den funktionellen Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Quotienten t/t_min im linearen Maßstab und dem ebenfalls dimensionslosen Quotienten CJC_mw im logarithmischen Maßstab. Die schraffierten Flächen bezeichnen die durch unterschiedliche Molekulargewichte verursachten Streubereiche. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß z. B. eine um den Faktor 10 höhere Kompression die Anreicherungszeit je nach Molekulargewicht der anzureichernden Komponente um einen Faktor zwischen 3 und 7 verlängert Bei noch stärkerer Abweichung und insbesondere bei zu tiefer Kompression nimmt die Anreicherungszeit allerdings sehr stark zu; hn letzteren Fall gut die Naherungsformel (2) nicht mehr. Sowohl zur Erzielung möglichst einheitlicher Anreicherungszeiten gemäß Formel 3, als auch zur Erzielung möglichst kurzer Anreicherungszeiten gemäß Formel 4 ist eine Kenntnis über den Betrag von Cmm erforderlich.

Aus diesem Grunde wurde untersucht von welchen

L^-

3

J ti UUO

Faktoren C„„„ abhängt. Es wurde gefunden, daß dieser Betrag vom Anreicherungsgrad <x, vom Molekulargewicht Mi der leichten Hauptkomponeme und vom Molekulargewicht M₅ der anzureichernden schweren Komponente abhängig ist, wobei der funktionell Zusammenhang sich näherungsweise durch die Formel

C„_lin

/ M, M

(5)

zum Ausdruck bringen läßt.

In dieser Näherungsformel bedeutet, b ene Konstante, für die ein Betrag von etwa 3,5 gefunden wurde, und a eine weitere Konstante in etwa gleicher Größe wie b. Auf diese Weise können Richtwerte für €■„,„ berechnet werden, sofern M₅ mehr als 3mal größer ist als M/. Zur genaueren Bestimmung der Konstanten a und b ermittelt man (z. B. durch Variation der Drehzahl der Molckuiarpumpe) die Kompression C_milh bei der die Anreicherungszeit r jeweils ein Minimum beträgt für verschiedene Anreicherungsgrade α und/oder für Stoffe verschiedener Molgewichte M, bzw. M, und trägt die Wertepaare C_mm und α M/M_s auf Logarithmenpapier auf. Die Meßpunkte lassen sich; durch eine Gerade annähern, die durch a und />gegeben ist.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, die Molekularpumpe ml·: einer .solchen Kompression Q zu betreiben, daG' für alle anzureichernden Komponenten die Anreicher jngszeiten gleich lang und trotzdem möglichst kurz sind. In diesem Falle kann man die erforderliche Kompression Ci nach den Formeln 4 und 5 berechnen, wenn ma π für M_s den Betrag des niedrigsten Molekulargewichtes der anzureichernder Komponenten und fiir α etwa den lOfachen Betrag des Anreicherungsgrades einsetzt, der erzielt werden soll.

Will man hingegen nur eine Komponente in kürzester Zeit anreichern, so wird die erforderliche Kompression Gebenfalls nach den Formeln 4 und 5 berechnet, jedoch für λ der Anreicherungsgrad, der erzielt werden soll, und für M. rips Molekulargewicht der betreffenden Komponente eingesetzt.

Zweckmäßig ist es auch, kurze Zeit vor Entnahme des angereicherten Gases aus dem !sammelbehälter 7. das Ventil 2 in Fig. 1 und 2 abzusperren. Durch diese Maßnahme fällt der Partialclruck c.er leichteren Komponente im Sammelbehälter sehr rasch ab, während die Partialdrücke der schweren Komponenten praktisch unverändert bleiben.

Beispielsweise konnte Quecksilberdan-pf in Luft mit einem bestimmten Massenspektrometer ohne vorangegangene Anreicherung bis zu einer Konzentration von ca. 1 Volumen ppm nachgewiesen we-den, die sich durch Sättigung der Luft mit Quecksilber bei +14⁰C ergibt. Bei lOOOfacher Anreicherung konnte man in diesem Falle einen Quecksilbei-gehalt von 10 ' ppm nachweisen, der durch Sättigung der Luft mit Quecksilber bei minus 46° C sich einstellt Wurde dagegen kurze Zeit vor der Probenentnahme die weiiere Luftzufuhr abgesperrt, so konnte mit der gleichen Anordnung in nahezu gleicher Zeit ein Queclcsilb ergehalt von etwa 10-⁶ppm nachgewiesen werden, der durch Sättigung der Luft mit Quecksilber bei minus 85° C sntsteht

Für die Beispiele wurde Quecksilberdampf als anzureichernde Komponente gewäMt, weil dieser zur experimentellen Prüfung sehr geeignet iit Es kann aber jeder beliebige andere Stoff als anzureichernde Komponente gewählt werden, der ein hinreichend hohes (vorzugsweise mehr als Jmal so hohes) Molekulargewicht als die Hauptkomponente besitzt.

|e größer das Molekulargewicht M., der anzureichernden schweren Komponente im Verhältnis zum Molekulargewicht M/der leichten Hauptkomponente ist, desto kleiner wird gemäß Formel 5 der Betrag C_mn, desto kleiner auch die gemäß Formel 3 oder 4 zu wählende Kompression C, und desto kürzer schließlich gemäß Formel 2 die Anreicherungszeit t. Dementsprechend

ίο wurden beispielsweise mit der oben erwähnten Versuchsanordnung für eine lOOOfache Anreicherung folgende minimale Zeiten gefunden: von Heptan tm,n — 2'/2 Stunden, von Quecksilber t„„„ = 5 Minuten und von Uran-6-fluorid i„„„ = 1 '/2 Minuten.

Hierbei wurde die Anpassung der Kompression durch Verringerung der Drehzahl vorgenommen, was zur Folge hatte, daß auch das Saugvermögen 5 abnahm. Bei konstantem Saugvermögen würden also die minimalen Anreicherungszeiten mit zunehmendem Molekulargewicht bedeutend stärker abnehmen.

Die in den Beispielen angegebenen Anreicherungszeiten kann man noch bedeutend verkürzen, wenn man Molekularpumpen mit sehr hohem Saugvermögen S einsetzt (vgl. Formel 2). Der Bau von Molekularpumpen mit entsprechend hohem Saugvermögen bereitet grundsätzlich keine Schwierigkeiten, vor allem dann nicht, wenn die Molekularpumpen ausschließlich zur Anreicherung von Stoffen mit hohem Molekurlargewicht vorgesehen sind, und in diesem Zusammenhang auf eine hohe Kompression verzichtet werden kann.

Die bekannten Molekularpumpen ergeben mit den Drehzahlen, nut denen sie im Falle reiner Pumpanordnungen üblicherweise betrieben werden, meist eine höhere Kompression als nach den obigen Formeln für den Zweck der Erfindung wünschenswert ist. Es ist aber stets möglich, durch Herabsetzen der Drehzahl die Kompression auf den passenden Wert einzustellen. Zweckmäßigerweise wird also bei einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Einrichtung zur Veränderung der Drehzahl der Molekularpumpe vorgesehen, um sich den verschiedenen Anwendungsfällen optimal anpassen zu können. In F i g. 2 ist eine derartige Antriebsvorrichtung mit Drehzahlregelung durch das Bezugszeichen 10 schematisch angedeutet.

Im Hinblick auf die mit zunehmenden Molekulargewichten abnehmenden minimalen Anreicherungszeiten sowie die erwähnten Verbesserungsmöglichkeiten, ist 711 erwarten, daß die beschriebene Anordnung auch zur Anreicherung von Stoffen mit sehr hohen Molekulargewichten bis zur Größe von Ärosolpartikeln anwendbar ist. auch dann, wenn diese Stoffe in extrem kleinen Teilchenzahldichten vorliegen. Es erscheint daher möglich, daß man auf diese Weise z. B. auch solche Schadstoffe der Luft wird anreichern und einer analytischen Bestimmung wird zuführen können, die nicht oder nur sehr schwer kondensieren und daher einer Anreicherung und exakten analytischen Bestimmung bis jetzt entgangen sind.

Ein besonderer Vorteil des hier beschrieben Anreicherungsverfahrens besteht darin, daß der in der Lnfl enthaltene Wasserdampf nicht ausgeschieden sondern in jedem Falle mit der Luft gemeinsam abgetrennt wird da er ein niedrigeres Molekulargewicht als Luft besitzt Es spielt für das Anreicherungsverfahren keine RoBe, ot die Konzentration der anzureichernden Stoffe irr einströmenden Gas sehr viel kleiner oder sehr vie größer sind als deren Konzentrationen im Verdamp

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fungsgleichgewicht. d.h.. es ist gleichgültig, ob es su.h um »überhitzte« oder um »übersättigte« Dämpfe handelt. Lediglich das Analysenverfahren muß dement sprechend ausgewählt werden, je nachdem, ob der angereicherte Stoff im gasförmigen oder kondensierten Zustand vorliegt. Es stehen jedoch zahlreiche Analysen methoden zur Wahl: neben der bereits erwähnten Massenspektrometrie auch UV-, Licht- und IR-Spektrometrie, Gas-, Dünnschicht- und Gelchromatographie, Kernresonanz- und Flammenspektroskopie usw., die für mikroanalytische Untersuchungen in Verbindung mit der beschriebenen Anordnung geeignet sind.

Um eine kondensierende Komponente in Form einer Lösung zu erhalten, ist es zweckmäßig, eine geringe Menge einer Flüssigkeit mit hohem Molekulargewicht in dünner Schicht an der Stelle der Molekularpumpe aufzubringen, an der die angereicherte Komponente kondensiert.

Geeignet sind beispielsweise höhere Kohlenwasserstoffe, Ester der Phosphorsäure, der Phtalsäure, einer Sulfonsäure, einer höheren gesättigten oder ungesättigten Fettsäure, einer mehrwertigen aliphatischen Säure sowie Ester von mehrwertigen Alkoholen (besonders von Glycerin), höhere Chlorkohlenwasserstoffe, Polyalkylen-glykole. Polymere des Chlor-tri-fluor-äthylens sowie einige weitere im Handel befindliche Weichmacher, Schmiermittel oder Treibmittel von Diffusions pumpen, deren chemische Konstitution entweder unsicher oder unbekannt ist.

Besonders geeignet sind polymere Methyl-siloxane. die unter der Bezeichnung »Silicon-Öle« sich im Handel befinden. Diese Gruppe umfaßt einen enorm großen Bereich der Molekulargewichte und Viscositäten und besitzt flüssige Phasen auch bei höchsten Molekulargewichten, bei denen andere organische Polymere längst fest sind. Auch polymere Methyl-phenyl-siloxane und andere Organosiloxane sind geeignet. Bei der Auswahl ist jedoch zu beachten, daß der Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit bei der Betriebstemperatur der Pumpe so niedrig sein muß, daß eine Molekularströmung und somit eine volle Trennwirkung der Pumpe erhalten bleibt. Verdampft die Flüssigkeit dennoch in merkbarer Menge, so kann das im Sammelbehälter sich niederschlagende Kondensat wieder in einen Bereich niedrigeren Druckes zurückgeführt werden, wo es wieder verdampft. In der einfachsten Ausführungsform geschieht dies durch senkrechte Anordnung der Welle, wie in Fig. 2 dargestellt wurde. Die Anreicherung erfolgt dann auf der Fläche, auf der das Kondensat wieder verdampft. Die Entnahme nach erfolgter Anreicherung kann durch öffnen und Herausspülen mit einem flüchtigen L ösungsmittel erfolgen.

Erwähnte Literaturstellen

1. Becker, W.: Über eine neue Molekularpumpe, ίο Advances in Vacuum Science and Technology 1960, Vol. 1,173 Pergamon Press

2. Franz. Patent 15 67 347

3. Krueger, Ch. H./Shapiro, A. H.: Vacuum Pumping with a Bladed Axial-Flow Turbomachine.

7th National Symposium on Vacuum Technology Transactions, 1960 Pergamon Press,

4. W.Becker: An sujetde la theorie de la pompe turbomoleculaire, Le Vide No. 100, Juli-August 1962, p. 350

5. W. B eck e r : De !'application des Dompes turbomoleculaires aux acceleratems de particules avec nouvelles donnees theoretiques, Le Vide No. 129, Mai-Juni 1967. p. 152

6. L R u b e t: Pompe iurbomoleculaire ä aspiration axiale de grand debit. Le Vide No. 123, Mai-Juni 1966, p. 227

7. L M a u r i c e /S. S a g ο t: Theorie des pompes turbomoleculaires, Le Vide No. Ill, Mai-Juni 1964, p. 109

8. W. B e c k e r: Die Turbomolekularpumpe, Vakuum-Technik 15. Jg.(1966) Heft 9, p. 211 und Heft 10, p. 254

9. Kl. Petzold/H. Blank: Die Molekulargewichtsabhängigkeit des Saugvermögens bei der Turbomolekularpumpe, Vakuum-Technik, 15. Jg. (1966) Heft 3, p. 61

10. H a b 1 a η i a η, M. H.: The Axial Flow Compressor as a High Vacuum Pump. Advances in Vacuum Science and Technology I960, Vol. 1, p. 168, Pergamon Press

11. R. B.Jacobs: The Design of Molecular Pumps, J. Appl. Physics Vol. 22(1951) Nr. 2, p. 217

12. M e r c i e r, CL: Theorie des pompes moleculaires aux tres basses pressions. Journal de Physique et Le Radium, März 1956, Supplement an No. 3.

13. DT-PS 10 15 573.

Hierzu 3 Blatt Zeichmineen

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Claims (11)

i^atentansprüche:

1. Verfahren zum Anreichern der in einem Gas niedrigeren Molgewichts enthaltenen Stoffe höherer Molgewichte, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas der Arbeitskammer einer Molekularpumpe zugeführt wird und an der Ansaugseite der Molekularpumpe mittels einer zweiten Pumpe weggefördert wird, wobei Stoffe höherer Molge- ^|0 wichte an der Ausstoßseite der Molekularpumpe gesammelt und entnommen werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen eines einheitlichen Anreicherungsgrades mehrerer Stoffe höherer '5 Molgewichte eine Molekularpumpe mit einer Kompression verwendet wird, die etwas größer ist »is jene Kompression, bei der die Anreicherungszeit des anzureichernden Stoffes mit der.i niedrigsten Molgewicht ein Minimum besitzt. -°

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen eines einheitlichen Anre icherungsgrades mehrerer Stoffe höherer Molgewichte eine Molekularpumpe mit einer Kompression verwendet wird, bei der die Anreicherungszeit des anzureichernden Stoffes mit dem niedrigsten Molgewicht für einen etwa lOmal höheren A.nreicherungsgrad als erzielt werden soll ein Minimum besitzt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr zur Molekularpumpe vor Entnahme des gesammelten Gases unterbrochen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe höherer Molgewichte bis zu einem Grad angereichert werden, der etwa ¹Ao des Trennfaktors des anzureichernden Stoffes mit dem niedrigsten Molgewicht entspricht.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Molekularpumpe und eine zweite Pumpe mit voneinander abgekehrten Förderrichtungen miteinander verbunden sind, wobei eine Zuleitung für das Gas in die Arbeitskammer der Molekularpumpe mündet und an der Ausstoßseite derselben eine Entnahmestelle für angereicherte Komponenten vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung in eine mittlere Stufe einer mehrstufigen Molekularpumpe mündet.

8. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung mit der Ausstoßseite der Molekularpumpe verbunden ist.

9. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung in den Sammelbehälter mündet.

10. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pumpe ebenfalls eine Molekularpumpe ist.

11. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung der Drehzahl der Molekularpumpe vorgesehen ist.

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