DE3505745C2 - - Google Patents

Description

Für viele Prozesse physikalischer und chemischer Natur ist die Gewichtsänderung einer oder mehrerer der be­ teiligten Komponenten ein aussagekräftiger Parameter für deren Verlauf.

Eine Meßvorrichtung, die diese Art Untersuchungen ermög­ licht, wurde in unserem Patent DE-PS 31 23 655 gegeben, wobei die zu untersuchenden Proben aus einzelnen bzw. mehreren an einen Träger fixierten Stücken bestehen. So werden präzise grundsätzliche Erkenntnisse über den Verlauf verschiedener heterogener Prozesse, wie z. B. Wachstum und Auflösung von Kristallen, Korrosions­ verhalten von Werkstoffen usw., erreicht. Für viele Fäl­ le wäre es darüber hinaus wünschenswert, die Ermittlun­ gen der in Frage kommenden Zusammenhänge unter solchen Bedingungen zu realisieren, die den praktischen Ver­ fahren näherstehen. Zum Beispiel werden durch Kristal­ lisation meistens kornartige Produkte gewonnen, was im allgemeinen komplizierter verläuft als die Züchtung einzelner Kristalle. Die bei "idealen" Bedingungen ge­ wonnenen Erkenntnisse lassen sich nicht ohne weiteres auf industrielle Anlagen übertragen.

Dies rechtfertigt die Aufgabe, eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, die Gewichtsänderungen von in flüssigem Medium schwebenden Kristallkörnern zu verfolgen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur gravimetrischen Untersuchung von Gewichtsänderungen frei in einer Flüssigkeit schwebender Festkörperkörner in einem Gefäß mit einer Waage und einer Aufhängeein­ richtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Reaktionsgefäß vorgesehen ist, welches aus einem fest angeordneten becherförmigen Teil und einem Korb be­ steht, welche Teile über einen Verschluß miteinander verbunden sind, wobei der Korb mit einem Wägetrapez fest verbunden ist, das ein steuerbares elektromagne­ tisches Hebelsystem und eine Aufhängekupplung zum Lastarm der Waage aufweist.

Besonders vorteilhaft besteht der Verschluß aus einem Kernteil und dem Sitz eines Kugelventils mit kugelför­ miger Dichtung der Sektorfläche, wobei der Kern am un­ teren Ende des Korbes und der Sitz auf dem zylindri­ schen Teil über der Zuleitung fest angeordnet ist.

Durch die Erfindung wird die Bestimmung der Gewichts­ änderung von Festkörperteilchen infolge eines bestimm­ ten Prozesses in entsprechendem flüssigem Medium als Zeitfunktion bei sonst möglichst konstant gehaltenen aller in Frage kommenden Einflußfaktoren dargestellt. Das Wiegen erfolgt in gewünschten Zeitabständen, und zwar unter geringem Zeitaufwand ohne Auswirkungen auf den Ablauf des untersuchten Prozesses. Es wird außerdem eine bequeme Umstellung der Versuchsbedingungen ange­ strebt, so daß bei verschiedenen Bedingungen an dersel­ ben Probe die Messungen durchgeführt werden können. Ein wichtiger Vorteil ist, daß durch Einsatz der Gravi­ metrie eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht werden kann; z. B. entspricht eine Gewichtszunahme von 1 mg bei 10 g schweren Körnern mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Dichte von 2,5 g/ml einer linearen Wachstumsrate von ca. 0,02 µm. Diese mit anderen Meß­ methoden schwierig zu bestimmende Wachstumsrate ist mit der Vorrichtung der Erfindung problemlos bestimmbar.

Im Hinblick auf einen effektiven Einsatz der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist diese auch vorteilhafterweise mit einer automatischen Gesamtsteuerung ausgerüstet.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung als Beispiel schematisch dargestellt. Das Kristallisationsgefäß 1 besteht aus einem fest ange­ ordneten becherförmigen Teil 2, in dem ein beweglicher Korb 3 angeordnet ist, der unten einen porösen Boden 4 aufweist und an seinem oberen Rand mit einem Wägetra­ pez 5 fest verbunden ist.

An dem Boden 4 weist der bewegliche Korb 3 noch einen zu öffnenden Verschluß 6 auf, von dem eine Ausführungsform in Fig. 2 als Beispiel schematisch dargestellt ist, die weiter unten detailliert beschrieben ist. Der becher­ förmige Teil 2 des Kristallisationsgefäßes 1 weist in seinem oberen Teil unterhalb des Flüssigkeitsniveaus eine Ableitung 7 auf, die zu einem Lösungsgenerator 8 führt, der über Leitung 9, Pumpe 10 und Magnetventil 11 und Leitung 12 mit dem Verschluß 6 verbunden ist. Das mit dem oberen Rand des Korbes 3 fest verbundene Wäge­ trapez 5 endet oben in einer Aufhängekupplung 13, die mit einem an dem Lastarm der Waage 14 befestigten Gegen­ stück 15 zusammenwirkt. Innerhalb des Wägetrapezes 5 ist ein elektromagnetisch gesteuertes Hebelsystem 16 angeordnet, unter dem sich ein Rührwerk 18 befindet, das mittels Hebelsystem 17 vertikal bewegt werden kann.

Zur Thermostatisierung seines Inhalts kann der becher­ förmige Teil 2 des Kristallisationsgefäßes 1 von einem Mantel 19 umgeben sein, dessen unterer Teil über Lei­ tung 20 mit den Thermostaten 21 verbunden ist, von dem die Zuleitung 22 über Pumpe 23 in den Mantel 19 zurück­ führt.

Die einzelnen Funktionen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung werden durch den entsprechend programmierten Com­ puter 113 gesteuert, der außerdem die Meßergebnisse aufnimmt und an den Schreiber 112 weitergibt. Hierzu ist der Computer 113 über die elektrischen Leitungen 114 bis 119 mit der Waage 14, den Hebelsystemen 16 und 17, dem Rührwerk 18, der Pumpe 23, dem Magnetventil 11 und der Pumpe 10 verbunden.

Der in Fig. 2 dargestellte Verschluß 6 besteht aus dem am unteren Ende des Korbes 3 befestigten und nach oben orientierten Kernteil 202 eines Kugelschiffs und aus dem Sitz 201 des Kugelschliffs, der nahezu randständig auf einem kurzen Zylinderteil 204 befestigt ist, das über der Einmündung der Leitung 12 in dem Boden des Gefäßes 2 angeordnet ist.

Das Hebelsystem 16 besteht aus einem ungleichschenk­ ligen Hebel. Die Lastseite hebt das Wägetrapez 5 mit dem Korb 3 so an, daß der Verschluß 6 geschlossen wird. Gleichzeitig wird die Waage 14 entlastet. Das dafür be­ nötigte Moment wird auf der Kraftseite durch ein ver­ schiebbares Gewicht eingestellt. Die Senkung der Last­ seite zur Öffnung des Verschlusses 6 und gleichzeitige Aufhängung des Wägetrapezes 5 auf den verlängerten Arm 15 der Waage 14 durch die Kupplung 13 geschieht durch Einschalten eines auf die Kraftseite des Hebels wirken­ den Elektromagneten.

Das Hebelsystem 17 besteht aus einer Halterung zur Auf­ nahme des Rührwerks 18, die durch einen Gleichstrom­ motor auf- bzw. abbewegt wird. Die Hubhöhe wird mittels zweier verstellbarer Endschalter festgelegt. Diese be­ tätigen gleichzeitig einen Polwandler zum Wechsel der Drehrichtung des Motors. Der Motor wird durch einen von dem Computer 113 ausgehenden Impuls geschaltet.

Das Wiegen geschieht in mit dem Computer 113 festgelegten Zeittakten, die gewöhnlich zwischen 0,25 und 2 h liegen. Kurz vor dem Zeitpunkt (in der Regel 20 sec) wird die Pumpe 10 gestoppt und gleichzeitig das elektromagneti­ sche Ventil 11 geschlossen. Es folgt mittels Hebelsy­ stem 17 die Entfernung des Rührers 18 aus dem Reaktions­ bereich des Korbes 3.

Gleich danach wird durch das Hebelsystem 16 das Wägetrapze 5 mit dem Korb 3 entsprechend gesenkt, um diese am Verschluß 6 von dem becherförmigen Teil 2 zu trennen. Gleichzeitig wird das Wägetrapez 5 mit dem Korb 3 durch die Aushängekupplung 13 freischwebend auf die Waage aufgehängt. Nach einer programmierten Beruhigungszeit erteilt der Computer 113 den Befehl zum Ausdrucken des ermittelten Gewichts. Dann wird die Anlage in den Ursprungszustand zurückversetzt. Das Hebelsystem 16 zieht das Wägetrapez 5 mit dem Korb 3 nach oben, um die Zufuhr von frischer Lösung durch den Anschluß 6 zu sichern sowie auch die Waage 14 zu entlasten. Gleich danach wird der Rührer 18 durch das System 17 gesenkt und eingeschaltet. Es folgt die Öffnung des Ventils 11 und die Einschaltung der Pumpe 10. Nach der festgelegten Zeit wiederholt sich periodisch der Wiegevorgang, wobei die 0-Lage der Waage mit ausgedruckt wird. Während der gesamten Versuchszeit werden die Arbeitsbedingungen mit dem Computer 113 gesteuert und kontrolliert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Es wurde ein Kristallwachstumsversuch mit Kaliumsulfat­ körnern (0,50 bis 0,63 mm Ausgangsdurchmesser) in einer wäßrigen Kaliumsulfatlösung bei einer Temperatur von 39,71°C durchgeführt. Die Übersättigung betrug 1,69 g/l, was einer Differenz zwischen Sättigungs- und Kristalli­ sationstemperatur 1,05°C entspricht. Die Schwankungen dieser Differenz blieben im Bereich von 0,03°C. Die Er­ mittlung der Gewichtszunahme geschah in Zeittakten von 30 min, wobei jeder Wert ein Durchschnitt von 15 einzel­ nen Wägungen war, die hintereinander automatisch durch­ geführt wurden. Anschließend wurde immer der Nullpunkt der Waage ausgedruckt. Das Ausgangsgewicht der Kalium­ sulfatkörner betrug 4,9968 g. Spezifisch für dieses Bei­ spiel ist, daß das Rührwerk impulsartig gearbeitet hat - nach allen 6 sec Lauf wurde eine Pause von 4 sec fest­ gelegt. Die primär gewonnenen Ergebnisse sind mit fol­ genden Werten gegeben:

Ausgangswert
Waage: 90.7178
Gewichtszunahme in Zeittakten von 30 min:

 1:+ 93.6229  2:+  0.0001  3:+ 93.9722  4:+  0.0001  5:+ 94.2372  6:+  0.0000  7:+ 94.5055  8:+  0.0001  9:+ 94.7871 10:+  0.0000 11:+ 95.0827 12:-  0.0000 13:+ 95.3875 14:+  0.0001 15:+ 95.9652 16:-  0.0001 17:+ 96.0206 18:-  0.0000 19:+ 96.3552 20:-  0.0000 21:+ 96.6901 22:-  0.0001 23:+ 97.0300 24:+  0.0000 25:+ 97.3774 26:+  0.0001 27:+ 97.7320 28:+  0.0001 29:+ 98.1029 30:-  0.0000 31:+ 98.4732 32:-  0.0001 33:+ 98.8449 34:+  0.0001 35:+ 93.2262 36:-  0.0001 37:+ 99.6162 38:+  0.0002 39:+100.0153 40:-  0.0002 41:+100.4237 42:+  0.0002 43:+100.8348 44:+  0.0002 45:+101.2530 46:+  0.0000 47:+101.6849 48:+  0.0001 49:+102.1271 50:+  0.0003

Hieraus ergibt sich, daß die Körner nach 12 h ein Gewicht von 19,6235 g erreicht haben, was unter Berücksichtigung des Auftriebseffektes berechnet wird. Die Zwischenwerte können für den kontinuierlichen Ablauf des Wchstums dienen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur gravimetrischen Untersuchung von Ge­ wichtsänderungen frei in einer Flüssigkeit schweben­ der Festkörperkörner in einem Gefäß mit einer Waage und einer Aufhängeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktionsgefäß (1) vorgesehen ist, welches aus einem fest angeordneten becherförmigen Teil (2) und einem Korb (3) besteht, welche Teile über einen Verschluß (6) miteinander verbunden sind, wobei der Korb (3) mit einem Wägetrapez (5) fest verbunden ist, das ein steuerbares elektromagnetisches Hebel­ system (16) und eine Aufhängekupplung (13) zum Lastarm (15) der Waage (14) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (6) aus einem Kernteil (202) und dem Sitz (201) eines Kugelventils mit kugelförmiger Dichtung der Sektorfläche besteht, wobei der Kern (202) am unteren Ende des Korbes (3) und der Sitz (201) auf dem zylindrischen Teil (204) über der Zuleitung (12) fest angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet durch ein Rührwerk (18), welches mit einem steuer­ baren Hebelsystem (17) ausgerüstet ist, das eine vertikale Verschiebung des Rührwerks (18) ermög­ licht.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hebelsysteme (16) und (17), das Rührwerk (18), die Pumpe (10) und das Magnetven­ til (11) von einem Computer (113) gesteuert werden, der auch mit der Anzeigeeinrichtung der Waage (14) und einem Drucker (112) verbunden ist.