DE3105969A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen bestimmung der saettigungstemperatur einer bestimmten substanz in einer loesung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optischen bestimmung der saettigungstemperatur einer bestimmten substanz in einer loesung

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Description

NIPPON TENSAISEITO KABUSHIKI KAISHA, 3-13, Kyobashi 2-chome, Chuo-ku, Tokio / Japan
Verfahren und Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sättigungstemperatur einer bestimmten Substanz in einer Lösung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung der Sättigungstemperatur einer bestimmten Substanz in einer Lösung sowie eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.
Eine Meßeinrichtung bzw. ein Meßgerät für die Sättigungstemperatur stellt ein Gerät dar, das notwendig ist, wenn in der organischen und anorganischen chemischen Industrie und der Nahrungsmittelindustrie die Sättigungstemperaturen von sich ändernden Substanzen zum Zwecke der wissenschaftlichen Behandlung von Kristallen
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während des Ziehens von Kristallen bestimmt werden sollen. Bisher ist keine Messung möglich geworden, um eine wirksame Bestimmung der Sättigungstemperatur zu erlauben.
Ein Meßgerät zur Ermittlung der Sättigungstemperatur durch optische Bestimmung der Sättigungstemperatur ist aus dem International Sugar Journal, Band LXXX, 1978, Seiten 40 bis 43 bekannt. Das in Fig. 4 dargestellte Temperaturmeßgerät besteht hauptsächlich aus einer Lichtquelle und einer Heizeinheit und weist einen Strahlengang bzw. Weg des Lichtstrahles sowie eine Befestigung für eine Testzelle (Prüfgefäß) auf; ferner ist eine lichtempfangende Einheit vorgesehen, die ein lichtempfangendes Element enthält. Das Temperaturmeßgerät wird für seinen Betrieb dadurch vorbereitet,daß die zu prüfende Lösung in das Prüfgefäß verbracht wird, daß kleine Kristalle des in der Lösung aufgelösten Stoffes hinzugefügt und in der Lösung suspendiert werden, um ein Probeobjekt (Testlösung) zu erhalten. Das Prüfgefäß mit der Testlösung wird auf der Gefäßbefestigung befestigt und dann wird die Heizeinheit auf die Oberseite der lichtempfangenden Einheit gesetzt. An diesem Punkt tritt ein leerer Raum zwischen einem die Hitze behaltenden Glas, das im unteren Abschnitt der lichtempfangenden Einheit vorgesehen ist, und dem Prüfgefäß auf. Wenn das Meßgerät so vorbereitet ist, wird Licht bzw. ein Lichtstrahl über den Strahlenweg oberhalb des unteren Endes des Prüfgefäßes geleitet und die Heizeinrichtung wird eingeschaltet, um eine allmähliche, indirekte Aufheizung der Testlösung in dem Prüfgefäß zu bewirken. Bei Fortführung der Aufheizung steigt die Temperatur der Testlösung an und erreicht gegebenenfalls einen Punkt, an dem die feinen Kristalle in der Testlösung aufgelöst werden. An diesem Punkt tritt eine Änderung bezüglich des Lichtstrahles auf, der durch das Prüfgefäß hindurchgeht (die Lichtmenge, die durch das Prüfgefäß hindurchgeht, erhöht sich infolge einer Verringerung der Streuung des Lichtes in
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der Lösung aus feinen Kristallen) und demzufolge erfolgt eine starke Änderung der Lichtmenge, die kontinuierlich von dem lichtempfangenden Element (fotoelektrisches Element) aufgenommen wird. Diese Änderung äußert sich in einer Änderung der Elektrizität, die durch die Licht/Strom-Umwandlung in dem lichtempfangenden Element erzeugt wird. In der Zwischenzeit wird die Temperatur der Testlösung kontinuierlich durch eine Temperaturmeßeinheit gemessen, die in Kontakt mit der unteren Oberfläche des Prüfgefäßes gehalten wird. Dieses Temperaturmeßgerät liefert somit die Sättigungstemperatur der im Test befindlichen Lösung durch die Kombination des Punktes der vorstehend erwähnten Änderung der Elektrizität und der Temperatur der Testlösung, die an diesem Zeitpunkt besteht.
Bei diesem Meßgerät zur Messung der Sättigungstemperatur erfolgt während der Erhöhung der Temperatur der Testlösung eine Volumenvergrößerung der Testlösung in dem Prüfgefäß sowie eine Vergrößerung des Volumens des Gases im Leerraum wegen der thermischen Expansion. Demzufolge fließen ein größerer Teil des Gases und ein kleines Volumen an Damp F, welcher von der Oberfläche der Testlösung abgeht, in den leeren Raum und füllen diesen leeren Raum aus, wodurch sich eine Steigerung zum Zustand der Dampfsättigung ergibt. In diesem Fall ist das Verhältnis zwischen der Temperatur des Prüfgefäßes (T.) und der des die Hitze haltenden Glases (T2)
T. > T_ während normaler Betriebsbedingungen. Demzufolge gelangt ein Teil des Dampfes, der den leeren Raum bzw. freien Raum ausfüllt, in Berührung mit der Oberfläche des die Hitze haltenden Glases und bildet darauf eine Tau-Kondensation (dew-condensation). Wenn die Temperatur T? im Bereich von 5° bis 10°C liegt, tritt diese Kondensationserscheinung auf, wenn die Temperaturdifferenz (T. - T2) etwa 0,2 C beträgt; auch wenn die Temperatur T« im Bereich von 25 bis 30°C liegt, stellt sich diese Kondensationserscheinung ein, wenn die Temperaturdifferenz (T. - T„) etwa 1°C
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beträgt. Diese "Tau-Kondensation", im folgenden als Kondensationserscheinung bezeichnet, ruft eine Streuung des Lichtstrahles hervor, der durch das Prüfgefäß hindurchgeht, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung (der Sättigungstemperatur) beeinträchtigt wird. Wenn die Aufwärmgeschwindigkeit ausreichend verringert wird, um die Kondensationserscheinung zu vermeiden oder auszuschließen, dann muß die Geschwindigkeit auf einen extremen Wert verringert werden, so daß die Bestimmung eine zu lange Zeit in Anspruch nimmt, wobei die Änderung der (die Flüssigkeit durchdringenden) Lichtmenge sehr langsam erfolgt und der Sättigungspunkt sehr ungenau erscheint.
Bei dem bekannten Meßgerät zur Bestimmung der Sättigungstemperatur wird die Testlösung durch Suspendierung hinzugegebener feiner Kristalle des aufgelösten Stoffes in die in der Prüfung befindliche Lösung vorbereitet. Wenn die zu testende Lösung eine hohe Reinheit besitzt oder wenn die Lösung einen hohen Grad von Übersättigung beinhaltet, schreitet die anfängliche Kristallisierung (Auftreten von Pseudokristallen) entweder während oder nach der Vorbereitung der Testlösung sehr schnell voran, so daß die Bestimmung (der Sättigungstemperatur) ein hohes Geschick erfordert oder die Reproduzierbarkeit der bestimmten Werte beeinträchtigt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend angegebenen Nachteile vermeiden und insbesondere die Bestimmung der Sättigungstemperatur auf solche Weise ermöglichen, daß eine äußere Störung des Ergebnisses bei der Bestimmung ausgeschlossen und eine Reduzierung der erforderlichen Zeit für die Bestimmung der Sättigungstemperatur ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung schafft somit eine Vorrichtung und ein Verfahren, das die nach der herkömmlichen Methode zur Bestimmung der Sättigungstemperatur auftretenden Nachteile vermeidet. Gemäß der Erfindung ist die Testlösung während und nach ihrer Vorbereitung stabil.
Außerdem schafft die-Erfindung eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine leichte Bestimmung der Sättigungstemperatur auch dann sichergestellt, wenn Lösungen mit hohem Reinheitsgrad oder Übersättigung ein instabiles Verhalten haben, die bisher entweder mit äußerst Überlegenen, ausgereiften Techniken kaum praktikabel oder mit anderen Techniken absolut nicht praktikabel waren, d.h. kaum oder Überhaupt nicht eine Bestimmung der Sättigungstemperatur ermöglichten. Vorliegende Erfindung kann somit vorteilhafterweise für eine routinemäßige Kontrolle von Kristallisationsprozessen eingesetzt werden, wie sie in der chemischen Industrie und Nahrungsmittelindustrie auftreten.
Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Sättigungstemperatur einer Lösung, in der aufgelöste Stoffe enthalten sind.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenschnittansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie H-II in der schematischen Darstellung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht zur Erläuterung der Art und Weise, wie ein Prüfgefäß und ein luftabdichtendes Glas getragen werden,
Fig. 4 eine Teil-Seitenschnittansicht einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur,
Fig. 5a eine Seitenschnittansicht eines typischen Probegefäßes,
Fig. 5b eine Seitenschnittansicht zur Veranschaulichung des Zustandes, in dem feine Kristalle schnell auf dem Prüfgefäß abgelagert werden,
Fig. 5c eine Seitenschnittansicht eines verbesserten Prüfgefäßes, Fig. 5d eine Vorderansicht des Prüfgefäßes nach Fig. 5c, und
Fig. 6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit zwischen Temperatur, Spannung (Elektrizität) und Zeit wiedergibt.
Fig. 1 zeigt eine AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur. In den Zeichnungen ist mit 1 ein Heizgerät bezeichnet, das im wesentlichen zylindrische Form hat und aus einem Metall, beispielsweise Aluminiumguß, besteht, das sich durch seine thermische Leitfähigkeit auszeichnet. Innerhalb der Heizeinrichtung 1 ist ein Wärmeerzeuger
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vorgesehen, der versenkt angeordnet ist und der Erhöhung der Temperatur der Heizeinrichtung 1 auf eine bestimmte Höhe angehoben wird. Der Wärmegenerator 2 ist beispielsweise eine elektrische Heizspule, die auf eine gewünschte Temperatur eingestellt ist. Die Heizeinrichtung 1 enthält in ihrer Mitte eine zylindrische Öffnung, die in Vertikalrichtung verläuft und einen Strahlenweg 3 bildet. Der Strahlenweg 3 ist derart angeordnet, daß Licht bzw. ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle 4, die sich unterhalb des Strahlenweges 3 befindet, von einer Linse 5 gesammelt und nach oben Über den Strahlenweg 3 geleitet wird. Innerhalb der Heizeinrichtung 1 im oberen Teil des Strahlenweges 3 befindet sich eine Befestigungsbasis 6 zur Aufnahme eines luftabdichtenden Glases 7, das in konzentrischer Anordnung zum Strahlenweg 3 vorgesehen ist. Diese Basis 6, die zur Befestigung bzw. Aufnahme des Glases 7 dient, hat einen Durchmesser, der größer als der Durchmesser des Strahlenweges 3 bzw. der zylindrischen Öffnung ist. Die Befestigungsbasis 6 trägt das Glas in einer Richtung senkrecht zum Strahlenweg 3. In einem vorbestimmten Abstand unterhalb der Befestigungsbasis 6 für das Glas 7 befindet sich eine Befestigungsbasis 8 zur Aufnahme eines Prüfgefäßes (Probenzelle) 9, die konzentrisch zur Basis 6 ausgebildet ist. Die Befestigungsbasis 8 zur Aufnahme bzw. Lagerung der Probenzelle 9 hält die Probenzelle 9 parallel zum GIas7.Der Abstand zwischen der Basis für das Glas 7 und der Befestigung 8 für die Probenzelle 9 ist derart festgelegt, daß ein Leerraum 10 innerhalb eines Bereiches von 0,5 mm bis einige Millimeter zwischen der Probenzelle 9 und dem Glas 7 gebildet ist, wenn die Probenzelle 9 und das Glas 7 fest in ihrer Position auf den zugehörigen Befestigungen 6,8 eingesetzt sind. Dieser leere Raum ist ein im wesentlichen geschlossener Raum, der von dem luftabschließenden Glos 7, der Probenzelle 9 und der Innenwand der Heizeinrichtung 1 umschlossen ist. Mit diesem Raum 10 stehen Luftkanäle 11, die durch die Heizein-
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richtung 1 durchgebohrt sind, mit ihrem einen Ende in Verbindung, wodurch eine Luftströmung durch die Luftkanäle und den Raum 10 in Richtung der Pfeile (Fig.l) möglich ist. Die Probenzelle 9 wird somit an beiden Seiten aufgeheizt, d.h. auf der unteren Seite durch die Wärme, die direkt von der Heinzeinrichtung 1 abgegeben wird, sowie auf der oberen Seite durch die Wärme von der Luft, die von dem Heizgerät aufgeheizt wurde. Die Probenzelle 9 besteht im wesentlichen aus einer Scheibe (Ring) 13 aus korrosionsfestem, hoch thermoleitendem Metall, wie beispielsweise Messing, die zwischen zwei kreisförmige Glasplatten 12,12' eingesetzt ist, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist. Die untere Glasplatte 12' ist fest mit der Scheibe 13 verbunden und die obere Glasplatte 12 ist trennfähig auf der Scheibe 13 angeordnet. Die Probenzelle 9 enthält damit einen leeren Raum, wodurch eine Testlösung zwischen die einander gegenüberliegenden Glasplatten 12,12' eingebracht werden kann. Ein Temperaturmeßanschluß 14 befindet sich an einer Position derart, daß er in Berührung mit der unteren Glasplatte 12* gelangt, wenn die Probenzelle 9 in ihrer Position auf der Befestigungsbasis 8 für die Probenzelle 9 angeordnet ist. Im allgemeinen wird ein Präzisionsthermoelement als Teroperaturmeßanschluß 14 verwendet. Anstelle der Verwendung einer Probenzelle mit einer Scheibe gemäß vorstehendem Aufbau kann auch eine Probenzelle eingesetzt werden, die einfach durch die Kombination von zwei transparenten Gläsern gebildet ist.
Mit 15 ist eine lichtempfangende Einheit bezeichnet, die frei bewegbar auf der Oberseite der Heizeinrichtung 1 angeordnet ist. Die lichtempfangende Einheit 15 besteht vorzugsweise aus zwei Komponenten unterschiedlichen Materials; eine Basis 16 besteht aus einem wärmebeständigen Kunstharz niedriger thermischer Leitfähigkeit und ist imstande, in direkten Kontakt mit der Heizeinrichtung 1 und einem Element 17 zu gelangen, das auf der Basis 16 angeordnet ist
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und kann ein fotoelektrisches Element 21 tragen. Um eine gute Freigabe der Wärme zu gewährleisten, die von der Basis 16 Übertragen wird, und um das fotoelektrische Element 21 an einer möglichen Temperaturerhöhung zu hindern, soll das Element 17 vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen. Kupfer ist ein ideales Beispiel des Materials fUr das Element 17. Mit 16' sind die Schenkel bezeichnet, die von der unteren Seite der Basis 16 abstehen. Diese Schenkel 16 dienen dazu, einen leeren Raum zwischen der Heizeinrichtung 1 und der Basis 16 zu bilden und um dadurch eine adiabatische Isolationswirkung sicherzustellen. Mit 18 ist ein Strahlenweg bezeichnet, der zu der lichtempfangenden Einheit fuhrt und koaxial zum Strahlenweg 3 ausgebildet ist. Ein die Wärme haltendes bzw. zurückhaltendes Glas 19 ist unterhalb des Strahlenwegs 18 für die lichtempfangende Einheit 15 angeordnet. Der durch das Glas 19 hindurchgegangene Lichtstrahl wird somit Über eine Polarisierungslinse 20 zu dem lichtempfangenden Element 21 geführt. Das lichtempfangende oder lichtempfindliche Element 21 besteht aus einem fotoempfindlichen Material, beispielsweise einer Fotodiode. Um dieses Element 21 in seiner Lage zu halten, ist ein hochstehender Abschnitt 22 im mittleren oberen Teil des Gliedes 17 ausgebildet. Das lichtempfindliche Element wird damit jederzeit an einer festen Position gehalten und gestattet es, die Lichtmenge bzw. den Lichtstrahl zu erfassen, der über den Strahlenweg 18 gefuhrt wird. Das Licht bzw. die Lichtmenge, die auf das lichtempfangende Element 21 auftrifft, wird in Elektrizität umgewandelt. Ein Ausgangsanschluß 23 ist an das lichtempfangende Element 21 angeschlossen. Dieser Anschluß 23 ist zu einem Aufzeichnungsgerät verlängert und mit diesem verbunden oder mit einem Meßinstrument, das nicht dargestellt ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung der Bestimmung der Sättigungstemperatur hat den vorstehend beschriebenen Aufbau. Im folgenden
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wird die Arbeitsweise dieser Vorrichtung bei der Bestimmung der Sättigungstemperatur erläutert.
Die Vorrichtung wird für den Betrieb dadurch vorbereitet, daß zuerst feine Kristalle eines in einer Lösung aufgelösten Stoffes in ein Lösungsmittel suspendiert werden, wobei diese Lösung dann für den Test verwendet wird, daß die resultierende Suspension als Tropfen auf die lichtdurchlässige Bodenfläche bzw. auf die von Licht durchstrahlte Bodenfläche der Probenzelle 9 aufgebracht wird, daß danach das Lösungsmittel durch eine geeignete Einrichtung, beispielsweise durch Hitzeeinwirkung zum Verdampfen gebracht wird, wodurch die feinen Kristalle des aufgelösten Stoffes in Form einer dünnen Schicht S schnell auf der lichtdurchlässigen Fläche abgelagert werden, wie dies in Fig. 5b gezeigt ist.
Das in diesem Fall verwendete Lösungsmittel sollte vermeiden, daß eine Änderung wie beispielsweise eine Auflösung oder Reaktion hinsichtlich des aufgelösten Stoffes erfolgt und sollte eine angemessene Geschwindigkeit hinsichtlich des Verdampfungsprozesses besitzen. Ein Lösungsmittel, das diese Erfordernisse erfüllt, kann in geeigneter Weise dadurch ausgewählt werden, daß entsprechend die physikalischen Eigenschaften und die chemischen Eigenschaften, die dadurch erlangt werden, berücksichtigt werden. In dem Fall, in welchem Saccharose als aufgelöster Stoff benutzt wird, eignet sich beispielsweise Aceton als geeignetes Lösungsmittel und führt auf zufriedenstellende Weise zu einer raschen Ablagerung des aufgelösten Stoffes. In diesem Fall besitzt Äther eine zu hohe Verdampfungsgeschwindigkeit, während Alkohol im Gegensatz dazu eine zu niedrige Verdampfungsgeschwindigkeit besitzt, um die gewünschte schnelle Ablagerung des aufgelösten Stoffes herbeizuführen. Es kann auch eine Mischung aus zwei oder mehr Lösungsmitteln verwendet werden, die jeweils das Erfordernis erfüllen, daß eine ungewünschte
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Änderung des aufgelösten Stoffes vermieden wird.
In die Probenzelle 9, in welcher die feinen Kristalle in Form einer dUnnen Schicht S gemäß vorstehender Beschreibung schnell bzw. fest abgelagert sind, wird die zu prüfende Lösung langsam hineingeschüttet, um die obere Glasplatte 12 zu bedecken, wodurch die Vorbereitung einer Testlösung beendet wird. Die Probenzelle 9, welche die TestflUssigkeit gemäß vorstehender Beschreibung enthält, wird auf die Befestigungsbasis 9 gemäß Fig. 8 aufgesetzt, über der Probenzelle 9 wird das Abschluß- oder Dichtungsglas 9 in der richtigen Lage auf die Befestigungsbasis 6 gesetzt. Die Vorbereitung für die Vorrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur wird dann durch Anordnung der lichtempfangenden Einheit 15 auf der Heiz- bzw. Erwärmungseinrichtung beendet. Dann wird eine Luftströmung durch den Kanal 11 geschickt und es wird ein Strom durch den Wärmegenerator 2 geleitet; die Lichtquelle 4 wird eingeschaltet, um ein Licht auf die Zelle 9 zu richten, die das Testobjekt (TestflUssigkeit) enthält. Wird angenommen, daß 100 Anteile Licht in die Schicht A der TestflUssigkeit eingetreten sind, so wird ein Teil des Lichtes durch die Lösung absorbiert und ein Teil des Lichtes wird durch die sehr feinen Kristalle, die die dUnne Schicht S bilden, in unregelmäßiger Weise gestreut. Demzufolge gehen weniger als 100 Anteile des Lichts, d.h. weniger als 100% des emittierten Lichtes durch die Zelle 9 hindurch und somit erreichen weniger als lOOjS des emittierten Lichts das lichtempfangende Element 21, wo es in einen entsprechenden Spannungsbetrag umgewandelt wird. In dem Verhältnis, mit welchem sich die Temperatur der TestflUssigkeit erhöht, vergrößert sich die Menge des Lichtes, die von der Lösung absorbiert wird, infolgedessen sich die Lichtmenge, die das Element 21 erreicht, verringert und die Größe der erzeugten Elektrizität (Strom oder Spannung) entsprechend verringert. Die grafische Darstellung nach Fig. 6 veranschaulicht den Betrag an Elektrizität (Spannung), die abhängig von der Zeit aufge-
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tragen ist; diese Kurve zeigt, daß die Größe der Spannung mit der Zeit abnimmt.
Wenn der Heiz- oder Wärmprozeß weiter bis zu einem Punkt geführt wird, an welchem die feinen Kristalle, die die dünne Schicht S bilden, sich auflösen, d.h. wenn die Sättigungstemperatur Überschritten ist, beginnt die Streuung des Lichts infolge der Verringerung des Betrages an feinen Kristallen abzunehmen, und die Lichtmenge, die das lichtempfangende Element 21 erreicht, ändert sich plötzlich in Richtung auf eine zunehmende Tendenz. Demzufolge ergibt sich eine scharfe Umkehrung der Kurve, d.h. ein Wendepunkt in der Kurve nach Fig.6, welche darüber hinaus eine kontinuierliche Änderung der erzeugten Elektrizitätsgröße wiedergibt. Die Temperatur, die diesem Punkt der plötzlichen Änderung bzw. diesem Wendepunkt entspricht, ist die Sättigungstemperatur der im Test befindlichen Lösung. Durch Kombinieren des vorstehend beschriebenen Betrages an Elektrizität (Spannung) und der Temperatur der Testflüssigkeit, die am Temperaturmeßanschluß 14 angezeigt wird, läßt sich daher die Sättigungstemperatur leicht bestimmen, wie Fig. 6 zeigt.
Das Verfahren zur Bestimmung der Sättigungstemperatur gemäß der Erfindung wurde vorstehend erläutert. Die Testflüssigkeit bzw. das Testobjekt, das für diese Bestimmung benutzt wurde, wird vorbereitet, ohne zur Folge zu haben, daß die feinen Kristalle des aufgelösten Stoffes in der im Test befindlichen Lösung suspendiert werden, wie dies normalerweise der Fall ist. Das Auftreten von Pseudokristallen während oder nach der Vorbereitung der Testflüssigkeit ist damit ausgeschlossen und demzufolge können bei der Bestimmung der Sättigungstemperatur exakte Ergebnisse erreicht werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Heizeinrichtung 1 aufgewärmte Luft in den leeren Raum 10 geblasen, der auf der Proben-
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zelle 9 gebildet wird. Die Oberflöchenteraperatur des Glases 7, das die obere Grenze des Raumes 10 festlegt, ist daher im wesentlichen gleich der Temperatur der Probenzelle 9 und der Dampf, der aus der Zelle 9 wegen der thermischen Expansion heraustritt, kann keine "Tau-Kondensation" in dem Raum 10 hervorrufen, wie dies bei der bekannten Vorrichtung festgestellt wird. Da der austretende bzw. leckende Dampf oder Dunst konstant durch den Luftstrom, der durch den Kanal 11 hindurchgeht, aus dem Raum 10 entfernt wird, kann kein Dampf irgendwo innerhalb des Raumes 10 sich niedersetzen.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile dienen zur Beschleunigung der Bestimmung der Sättigungstemperatur und verbessern gleichzeitig wesentlich die Reproduzierbarkeit der erhaltenen Ergebnisse.
Zum Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer konventionellen Technik wurden beide Arten benutzt, um die Sättigungstemperatur einer Saccharose-Lösung (Zuckerlösung) zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle dargestellt.
Eine bekannte Vorrichtung, wie sie eingangs beschrieben ist, zeigt Fig. 4, wobei mit 101 die Lichtquelle, mit 100 die Heizeinheit, mit 104 der Strahlenweg, mit 103 eine Befestigung fUr eine Probenzelle 102, mit 106 eine lichtempfangende Einheit und mit 105 ein lichtempfangendes Element bezeichnet sind. Das die Wärme haltende Glas ist mit 107 angegeben und mit 108 ist der freie bzw. leere Raum bezeichnet. Der Pfeil 109 bezeichnet den Strahlengang des Lichtes. Mit 110 ist eine Heizeinrichtung angegeben.
Ein Vergleich der Genauigkeit bei der Bestimmung der Sättigungstemperatur, die durch Streuungen der gemessenen Werte dargestellt ist, zeigt, daß die Streuungen in den Ergebnissen, die durch vor-
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liegende Erfindung erhalten wurden, klein sind und daß die Durchschnittswerte in zufriedenstellender Weise mit den theoretischen Werten Übereinstimmen.
Das Verfahren bei der Bestimmung und die Ergebnisse der Bestimmung (Tabelle 1) sind nachfolgend erläutert. Bei vorliegender Erfindung beinhaltet das Vorgehen nach der Vorbereitung der Vorrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur das Suspendieren einer kleinen Menge von Saccharose-Kristallen in Aceton, wobei die Kristalle vorher in eine Partikelgröße von nicht mehr als 200 mesh pulverisiert wurden; danach wird die resultierende Suspension in .Form von Tropfen nacheinander (in kleinen Mengen) auf den lichtdurchlässigen Boden (Glasplatte 12') der Probenzelle 9 verbracht, die auf einer heißen Platte angeordnet bzw. befestigt ist, auf 80 C bis 100 C erhitzt, so daß die feinen Kristalle eine offensichtlich gleichmäßige dUnne Schicht bilden können, daß das Aceton verdampft, wodurch die dUnne Schicht aus feinen Kristallen schnell auf der Glasplatte abgesetzt wird und daß bei Beendigung der schnellen Ablagerung der feinen Kristalle die Probenzelle 9 schnell abgekühlt wird, daß danach in die Probenzelle vorsichtig bzw. sanft eine Sacchqroselösung hineingeschüttet wird, die einen Reinheitsgrad von 99jS besitzt und einen Gesamtgehalt an Feststoffen von 75% (w/w), wonach dann die Probenzelle 9 mit einer Glasplatte 12'als Deckel abgedeckt wird. Dann wurde entsprechend vorstehender Beschreibung die Bestimmung der Sättigungstemperatur durch Erwärmen der Testflüssigkeit bzw. des Testobjektes mit einer Temperaturerhöhungsrate von 5 C pro Minute ausgeführt. Im Falle herkömmlicher Technik wurde eine Testflüssigkeit bzw. ein Testobjekt dadurch vorbereitet, daß etwa 5 g einer Saccharoselösung mit der gleichen Reinheit und Konzentration wie vorstehend erwähnt mit 1 bis 2 % von mehr oder weniger feuchter pulverförmiger Saccharose sanft gerührt wird, wobei diese pulverförmige Saccharose auf einer Saccharoselösung basiert, wobei die pulverförmige Saccharose durch
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Zentrifugieren von Saccharose-Kristallen mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 200 mesh in einem Alkohol erhalten wurde, wodurch die Saccharose-Kristalle in der Saccharoselösung suspendiert werden. Diese TestflUssigkeit wurde in die Probenzelle 9 gegeben und der Bestimmung der Sättigungstemperatur unterworfen.
Tabelle 1
Messung
Verfahren
1 2 3 4 5 Mittel
wert
Streuung
Erfindung 63,1 63,9 64,2 63,4 63,6 63,64°C + 0,38°C
übliche
Technik
60,2 63,2 62,0 58,5 61,3 61,04°C ΐ 1,6°C
Für eine Saccharoselösung, die getestet wurde und eine Konzentration von 75% hatte, beträgt der theoretische Wert for die Sättigungstemperatur 64 C (wie Herzfeld berichtet).
Vorliegende Erfindung wurde typischerweise gemäß vorstehender Erläuterung ausgeführt.
Als einfache Maßnahme zur Bewirkung einer schnellen Ablagerung einer dUnnen Schicht S aus feinen Kristallen des aufgelösten Stoffes auf der lichtdurchlässigen Bodenfläche der Probenzelle 9 kann die vorstehend erläuterte Technik, die auf die Verdampfung des Lösungsmittels zurückgreift, durch eine Technik ersetzt werden, nach der ein Klebeband an der lichtdurchlässigen Bodenfläche befestigt wird und welche es gestattet, daß die feinen Kristalle des aufgelösten Stoffes mit kleiner Dicke schnell auf die viskose Innenseite des Klebebandes gelegt werden oder es kann eine Technik eingesetzt werden, eine nichttrocknende Paste auf die lichtdurchlässige Bodenfläche zu legen und auf ähnliche Weise die feinen Kristalle schnell auf die Pastenschicht aufbringen zu lassen. Obgleich die Technik,
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die ein Klebeband verwendet, eine geringfügig größere Streuung der festgestellten Werte als diejenige Technik beinhaltet, die auf das Verdampfen des Lösungsmittels zurückgreift oder diejenige Technik, bei welcher eine nichttrocknende Paste aufgelegt wird, so ist die Vergrößerung der Streuung nicht so stark, als daß sich daraus vom praktischen Gesichtspunkt irgendein Problem ergibt. Die Technik, die eine nichttrocknende Paste benutzt, liefert Ergebnisse bei der Bestimmung der Sättigungstemperatur, die ohne weiteres vergleichbar sind mit den Ergebnissen, die durch die Technik erhalten werden, die auf die Verdampfung des Lösungsmittels zurückgreift, wenn die Wahl der paste geeignet vorgenommen wird. Bei einem Versuch mit der Technik, bei welcher das Lösungsmittel gemäß vorstehender Erläuterung verdampft wird, wurde Aceton als Lösungsmittel benutzt. Dies bedeutet nicht, daß Aceton das einzige Lösungsmittel ist. Abhängig von der Art und Weise des verwendeten aufgelösten Stoffes kann auch ein anderes geeignetes Lösungsmittel ausgewählt werden, indem die Temperatur der Aufwärmung der Probenzelle 9 und die Geschwindigkeit der Verdampfung des Lösungsmittels berücksichtigt werden.
Die Vorrichtung zur Zuführung vorerwärmter Luft durch den Luftkanal 11 kann in geeigneter Weise durch eine Vorrichtung ersetzt werden, die imstande ist, die Luft durch eine separate Einheit vorzuwärmen oder durch eine Einrichtung, welche direkt die von einer externen, einstellbaren Heizquelle erwärmte Luft in den leeren Raum 10 führt und die verbrauchte Luft von dem Raum 10 wegeführt; es kann auch eine andere Einrichtung benutzt werden, welche das wesentliche Erfordernis erfüllt, daß die Luft mit einer eingestellten Temperatur zu dem Raum 10 geführt und aus dem Raum 10 entfernt wird, und zwar mit einer festen Strömungsgeschwindigkeit. Die Leichtigkeit, mit der die Probenzelle 9 in das Gerät eingesetzt und entfernt werden kann, wird dadurch noch verbessert, daß dem oberen Glas 12 ein
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kleinerer Durchmesser als dem unteren Glas 12' gegeben wird, wie dies in Fig. 5c dargestellt ist und daß eine kleine Aufnahmeöffnung (Aufnehmeröffnung) 24 an einem freiliegenden Abschnitt der oberen Fläche der Scheibe 13 vorgesehen wird.
Die folgenden Arbeitsbeispiele sollen typische Ausfuhrungsformen gemäß der Erfindung erläutern.
Beispiel 1
Eine Probenzelle wurde auf eine heiße Platte mit 90 C aufgelegt. Eine Suspension, die durch Suspendieren pulverförmiger Saccharose mit einer Partikelgröße von 200 mesh mit einer Konzentration von etwa \% in Aceton bereitet wurde, wurde in Form von Tropfen in die Probenzelle 9 hinzugegeben und verdampft, um eine sehr dünne, gleichmäßige Schicht S zu ergeben, die schnell auf der Probenzelle niedergeschlagen ist.Nach Abkühlen der Probenzelle 9 wurde eine abweichende TestflUssigkeit, die nachfolgend angegeben ist, in die Probenzelle 9 gebracht. Die Probenzelle 9 wurde auf einer Befestigungsbasis 8 in der Vorrichtung nach Fig. 1 zur Bestimmung der Sättigungstemperatur befestigt. Das Gerät wurde dadurch in Betrieb gesetzt, OaB die vorerwärmte oder vorerhitzte Luft in den Raum 10 gefuhrt wurde, wodurch die Temperatur der TestflUssigkeit mit einer Temperaturerhöhungsrate von 3 C pro Minute erhöht wurde. Die TestflUssigkeit wurde dadurch bereitet, daß die Melasse (hergestellt von Memuro Plant of Nippon Tensaiseito Kabushiki Kaisha) in einem Kühlschrank 60 Tage lang bei 5 C stehengelassen wird, daß die Saccharose der abgekühlten Melasse zugegeben wird und das sich ergebende Gemisch nach Rühren in einem konstanten Temperaturbad (exakt innerhalb von 0,5 C geregelt) 72 Stunden stehengelassen wird, wodurch das Geraisch mit einem Überschuß an kristallinem Zucker gesättigt wird.
Testflüssigkeit A - Badtemperatur 60°C, tatsächliche Saccharose-Reinheit 56%,
130052/0583
TestflUssigkeit B - Badtemperatur 70 C, tatsächliche Saccharose-
Reinheit 60%.
Testergebnisse (in C)
Messung 1 2 2 - 3 4 5 Mittelwert
Probe A
Probe B
61,2
69,8
60,5
69,0
60,3
69,0
61,6
69,3
60,3
70,1
60,8 + 0,53
69,4 + 0,41
Beispiel
Ein zweiseitiges Klebeband (Nichiban KK) wurde zum exakten Abdecken der inneren Bodenfläche der Probenzelle 9 aufgebracht. Eine pulverförmige Saccharose mit einer Partikelgröße von 200 mesh wurde auf das Klebeband in der Testzelle 9 aufgebracht und mit Luft angeblasen, um lose Saccharose-Teilchen herauszuschleudern und hinter einer sehr dünnen Schicht S aus feinen Kristallen zu belassen, die auf die Probenzelle 9 schnell abgelagert wurden. Die gleiche Probe wie beim Beispiel 1 wurde in die Probenzelle 9 gebracht, die dem Test entsprechend dem Verfahren nach dem Beispiel 1 ausgesetzt wurde, wobei die Temperaturerhöhung auf 3 C pro Minute festgesetzt war.
Testergebnisse (in C)
Messung 1 3 2 3 4 5 Mittelwert
Probe A
Probe B
61,8
71,2
61,0
72,1
60,9
69,8
59,8
72,0
62,6
70,8
61,2 + 1,1
71,8 + 0,95
Beispiel
Eine nichttrocknende Paste (Nogawa Chemical KK, Diabond 605 #■ )
130052/0583
wurde auf eine dünne Schicht auf den inneren Boden der Probenzelle aufgelegt. Ein Saccharose-Pulver mit einer Partikelgröße von 200 nesh (200 mesh-through) wurde auf die nichttrocknende Paste in der Probenzelle 9 gelegt und durch Luft angeblasen, um die losen Saccharose-Teilchen herauszuschleudern und hinter einer sehr dünnen Schicht S aus feinen Kristallen zu lassen, die auf die Probenzelle schnell abgelagert wurden, die ihrerseits dem Test nach dem Verfahren gemäß dem Beispiel 1 ausgesetzt wurde, wobei die Temperaturerhöhung 3 C pro Minute betrug.
Testergebnisse (in C)
Nessung 1 2 3 4 5 Mittelwert
Probe A
Probe B
60,2
70,1
59,4
69,5
61,1
69,0
60,5
69,8
60,7
70,5
60,4 + 0,57
69,8 + 0,51
130052/0583

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    U Verfahren zur optischen Bestimmung der Sättigungstemperatur einer bestimmten Substanz in einer Lösung, die einem Test ausgesetzt wird, bei dem die Lösung in eine Probenzelle gebracht wird und feine Kristalle des in der Lösung aufgelösten Stoffes in der Lösung suspendiert werden, wodurch eine TestflUssigkeit vorbereitet wird, bei dem ferner die Probenzelle mit der Testflüssigkeit auf einer Befestigungsbasis in einer bezüglich der Temperatur einstellbaren Heizeinrichtung befestigt wird, wobei die Temperatur der TestflUssigkeit allmählich erhöht wird und ein Lichtstrahl nach oben auf die TestflUssigkeit gerichtet wird, bei dem der durch die TestflUssigkeit durchgehende Lichtstrahl auf ein fotoelektrisches Element gerichtet und die Sättigungstemperatur abhängig von der Temperatur der Testflüssigkeit und dem Betrag der im fotoelektrischen Element erzeugten Elektrizität berechnet wird,
    S/br 130052/0583
    3105989
    dadurch gekennzeichnet/ daß die feinen Kristalle der Lösung dazu gebracht werden, sich schnell in Form einer dUnnen Schicht (S) auf der lichtdurchlässigen Oberfläche der Probenzelle niederzuschlagen,daß anschliessend die Lösung auf die niedergeschlagene dUnne Schicht zur Vorbereitung einer TestflUssigkeit verbracht bzw. geschüttet wird, daß die Probenzelle mit der TestflUssigkeit auf der Befestigungsbasis befestigt wird, daß allmählich die Temperatur der TestflUssigkeit erhöht wird und daß ein Lichtstrahl nach oben auf die TestflUssigkeit gerichtet wird, daß auf der Probenzelle ein leerer bzw. freier Raum als geschlossener leerer Raum ausgebildet wird und daß vorerwärmte Luft durch den geschlossenen Raum geleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Ablagerung der feinen Kristalle in Form einer dUnnen Schicht durch Suspendieren der feinen Kristalle des aufgelösten Stoffes in dem Lösungsmittel, durch Abtropfen der Suspension auf die lichtdurchlässige Fläche der Probenzelle und durch nachfolgendes Verdampfen des Lösungsmittels ausgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerung der feinen Kristalle durch Befestigung eines Klebebandes auf der lichtdurchlässigen Fläche der Probenzelle und dadurch erreicht wird, daß die feinen Kristalle sich schnell auf dem Klebeband niederschlagen.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerung der feinen Kristalle dadurch erreicht wird, daß ein Klebemittel auf die lichtdurchlässige Fläche der Probenzelle aufgebracht wird und daß die feinen Kristalle dazu gebracht
    130052/0583
    werden, sich schnell auf der Klebeschicht niederzuschlagen.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, einer in einem Strahlenweg angeordneten Einrichtung zur Erwärmung, einer Basis zur Befestigung der Probenzelle und mit einer lichtempfangenden Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß eine luftdichte Einrichtung (7) auf der Basis (6) zur Befestigung der Probenzelle angeordnet ist, daß ein leerer Raum (1O) gebildet ist, der durch die luftdichte Einrichtung (7) abgedichtet wird, und daß durch den leeren Raum (1O) eine kontinuierliche Luftströmung gefuhrt ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftführungskanal (Tl), der von der Einrichtung (1) zur Erwärmung weggeht, in den leeren Raum (1O) führt.
    130052/0583
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