DE3922380A1 - Apparatur zum gravimetrischen bestimmen von sorptionsgleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalten in einer dampfatmosphaere - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur gravimetrischen Messung der Adsorption, Desorption und Absorption von Dämpfen durch feste Güter (Sorbens) bei verschiedenen Drücken und Temperaturen, zur Aufnahme der vollständigen Sorptionsisotherme, insbesondere bei hohen relativen Feuchten des Umgebungsmediums.

Die Erfindung findet Anwendung in der Laborpraxis zur Sorptions­ datengewinnung von Gütern der Textilindustrie, Nahrungsmittel­ industrie, Futtermittelindustrie, chemischen Verfahrenstechnik u. a.

In Sorptionsmeßanlagen, die nach der gravimetrischen Methode Sorp­ tionsdaten in einer Dampfatmosphäre ermitteln , wird die stati­ sche Einstellung und Konstanthaltung des Dampfdruckes (gleich Sorptionsdruck gleich Totaldruck in der Apparatur) dadurch reali­ siert, daß sich die gereinigte Flüssigkeit, deren Dampf das Sorptiv bildet, in einem Vorratsbehälter befindet, welcher durch einen Thermostaten für den Zeitraum der Angleichzeit mittels einer Regelung auf einer bestimmten konstanten Temperatur gehalten wird.

Die relative Feuchte wird dabei definiert als Quotient aus dem Sättigungsdruck bei der Temperatur der Flüssigkeit oder deren fester Phase im Vorratsbehälter zum Sättigungsdruck eines thermostatischen Sorbensraumes bei dessen Temperatur.

In der DE PS 11 29 734 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gravimetrischen Bestimmung der Gassorption beschrieben, welches auch die Aufnahme von Sorptionsisothermen mit Dämpfen von Flüssig­ keiten oder ihrer festen Phase gestattet.

Dabei wird die Temperatur im Temperaturbad zur Erzeugung der Sorbenstemperatur und im Thermostaten zur Temperierung des Vorratsgefäßes getrennt gesteuert und die Größe der Temperatur an beiden Stellen absolut bestimmt. Diese Vorgehensweise und Vorrichtung ist nur für große Temperaturdifferenzen zwischen Tem­ peraturbad und Thermostat zur Temperierung des Vorratsgefäßes geeignet. Beim Erzeugen von hohen relativen Feuchten, z. B. von 0,97 und größer, wird die einzuhaltende Temperaturdifferenz sehr klein. Bei dieser getrennten Regelung wird der Meßfehler wegen der be­ grenzten Genauigkeit der Temperaturmessung und auftretender Regel­ schwankungen zu groß. Ebenfalls ist nicht gewährleistet, daß die Temperaturschwankungen der beiden Flüssigkeitsreservoire im gleichen Richtungssinn erfolgen, so daß keine konstante einge­ stellte Temperaturdifferenz gewährleistet werden kann. Dies führt zu stark fehlerbehafteten Ergebnissen der Gleichgewichts­ feuchtigkeitsgehaltsbestimmung, besonders an solchen Sorbens, bei denen die Adsorption von einer Absorption, z. B. wenn sie von Quellungsvorgängen begleitet ist, überlagert wird.

Somit sind Messungen von Sorptionsgleichgewichtsfeuchtigkeits­ gehalten vorzugsweise in der Nähe der maximal hygroskopischen Gutsfeuchte reproduzierbar damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Apparatur zu schaffen, die es gestattet, von festen Gütern gravimetrisch Sorptionsgleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalte vorzugsweise in der Nähe der maximal hygroskopischen Gutsfeuchte zu ermitteln. Dazu ist es notwendig, daß das feste Gut (Sorbens) einer kon­ stanten relativen Feuchte nahe 1,0 über Stunden ausgesetzt wird. Dies wiederum erfordert, eine konstante Temperaturdiffe­ renz zwischen der Sorbenstemperatur und der Temperatur der Flüssigkeit oder deren festen Phase im Vorratsbehälter (im folgenden als Dampfquelle bezeichnet) zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannten Mittel gelöst. Weitere wesent­ liche Merkmale der Erfindung enthalten die Ansprüche 2-3.

Die Wägeschälchen werden von den Meßstutzen der Waage umschlossen, wobei diese in einem temperierten Bad zwecks Einstellung einer bestimmten konstanten Sorbenstemperatur hängen. Die Waage ist über einen Rezipienten mit der Dampfquelle verbunden. Die Dampf­ quelle besteht aus einem Körper von gut wärmeleitfähigem Material, der einen Hohlraum besitzt, um ein relativ kleines Volumen einer Flüssigkeit oder deren fester Phase aufnehmen zu können. Der Hohlraum ist mit dem Rezipienten verbunden.

Der Dampfquelle ist eine Kühl- und Heizeinrichtung zugeordnet. Zwei gleiche Temperaturfühler, z. B. Widerstandsthermometer, dienen als Signalgeber für die Temperaturregelung. Ein Temperatur­ fühler befindet sich im temperierten Bad, das der Erzeugung der Sorbenstemperatur dient, der zweite ist in der Dampfquelle unter­ gebracht. Diese Signalgeber sind über eine geeignete Regelung gleichsinnig miteinander gekoppelt und dienen der Realisierung der gewünschten Temperaturdifferenz. Temperaturschwankungen des Bades zur Erzeugung der Sorbenstemperatur werden aufgrund der ge­ ringen Menge Flüssigkeit oder deren festen Phase in der Dampfquelle fast trägheitslos von dieser nachvollzogen. Zur Absolutanzeige der Temperatur der Flüssigkeit oder deren festen Phase in der Dampf­ quelle ist ein weiteter Temperaturfühler in diese montiert. Somit wird ständig über die Dauer des Sorptionsvorganges eine Temperatur­ differenz wirksam, deren Konstanz wesentlich besser als bei den bekannten angewandten Apparaturen ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, wobei als Sorptiv Wasserdampf dient. Die Zeichnung zeigt das Gesamtschema der Apparatur.

Hierin ist mit 1 die evakuierbare registrierende Mikrowaage be­ zeichnet. An den Enden des Waagenbalkens 2 hängen an Gehängedrähten 3 die beiden Wägeschälchen 4, und zwar in ca. 25 cm langen abnehm­ baren Meßstutzen 5 aus Glas, die den Sorbensraum 6 bilden. Das Sorbens 7 wird in eines der Wägeschälchen 4 eingebracht. Diese Einwaage kann elektromagnetisch kompensiert werden, oder es wird in das verbleibende Wägeschälchen 4 ein Gegengewicht mit vernach­ lässigbar kleiner Oberfläche eingegeben. Die beiden Meßstutzen 5 befinden sich in einem temperierten Bad 8 mit kreisförmiger Grund­ fläche, das der Erzeugung der Sorbenstemperatur dient.

Zur exakten Temperierung des Sorbens 7 befinden sich um die Meß­ stutzen 5 zwei Kupferhülsen 9, und zwar so, daß ein Ringspalt mit einer Spaltbreite von ca. 8 mm entsteht, durch den die Wärme­ trägerflüssigkeit, hier Wasser, fließt, das von einem nicht dar­ gestellten Thermostaten kommt und über die Einlaufstutzen 10 in das temperierte Bad 8 eintritt.

Durch die am unteren Teil der Kupferhülse 9 am Umfang eingebrach­ ten Öffnungen 11 umfließt ein Teil des ankommenden Wassers den äußeren Mantel der Kupferhülse 9 in Richtung des Ablaufstutzens 12. Dadurch ergibt sich ein vernachlässigbarer Temperaturunter­ schied vom Innern der Kupferhülse 9 zu ihrem äußeren Mantel. Der Ablaufstutzen 12 ist zentrisch im temperierten Bad 8 angeordnet. Von ihm sind nach beiden Seiten, in gleichen Abständen auf einer Geraden liegend, die beiden Einlaufstutzen 10 angeordnet.

Über einen Rezipienten 13 aus Glas ist die Mikrowaage 1 mit der Dampfquelle 14 verbunden. Diese besteht aus einem Block von gut wärme­ leitfähigem Material 15, hier aus einem geraden prismatischen Kupfer­ block, in welchen an einer Stirnseite eine Bohrung 16 eingebracht ist, die ein kleines Volumen Wasser 17, vorzugsweise 1,5 cm³, auf­ nimmt. An den drei rechteckigen Flächen des Kupferblockes 15 sind je eine Kühl- und Heizeinrichtung 18, hier je ein Peltier-Kühlsatz, zur Temperaturregelung desselben, bei Beobachtung eines guten Wärme­ überganges, befestigt.

Zwei gleich Platinwiderstandsthermometer, hier Pt 100-Wider­ standsthermometern, dienen als Signalgeber für die Temperaturrege­ lung. Ein Pt 100-Widerstandsthermometer 19 befindet sich im Ringspalt des temperierten Bades 8 genau in der Höhe des Sorbens 7, das zwei Pt 100-Widerstandsthermometer 20 ist dicht neben der Bohrung 16 der Dampfquelle 14 angebracht. Das Pt 100-Widerstands­ thermometer 19 dient als Sollwertgeber, das Pt 100-Widerstands­ thermometer 20 als Istwertgeber für den Temperaturregler mit Anzeige 21.

Ein dritter Pt 100-Widerstandsfühler 22, ebenfalls direkt neben der Bohrung 16 der Dampfquelle 14 angebracht, dient der Absolut­ anzeige der Temperatur des Wassers.

Der Temperaturregler mit Anzeige 21 in Verbindung mit den beiden Pt 100-Widerstandsthermometern 19; 20 ist so aufgebaut, daß er die Temperatur der Dampfquelle 14 auf 0,01 K der Temperatur des temperierten Bades 8 (gleich Sorbenstemperatur) nachführt. Der in Reihe mit dem Pt 100-Widerstandsthermometer 20 geschaltete Präzisions-Kurbelwiderstand 23 gestattet die Einstellung einer Tem­ peraturdifferenz zwischen dem temperierten Bad 8 und der Dampfquelle 14.

Die digital einstellbare kleinste Temperaturdifferenz beträgt rund 0,026 K. Die am Präzisions-Kurbelwiderstand 23 durch Widerstandsänderung eingestellte scheinbare Temperaturdifferenz regelt der Temperaturregler mit Anzeige 21 mit Hilfe der Pel­ tier-Kühlsätze 18 so aus, daß genau diese gewählte Temperatur­ differenz zwischen temperiertem Bad 8 und der Dampfquelle 14 wirksam wird.

Temperaturschwankungen des temperierten Bades 8 werden aufgrund der geringen Wassermenge in der Dampfquelle 14 fast trägheits­ los von dieser nachvollzogen. Somit besteht ständig über die Dauer des Sorptionsvorganges eine konstante Temperaturdifferenz. Nach kurzer Zeit, nachdem die Dampfquelle 14 dem Rezipienten 13 zugeschaltet wird, besteht nur noch ein äußerst geringer Wärme- und Stoffaustausch in der Dampfquelle 14.

Gleichzeitig stellt sich bei erfindungsgemäßer Apparatur in der Dampfquelle 14 ein vernachlässigbar geringer Temperaturgra­ dient ein. Somit ist die Temperatur des Wassers in der Bohrung 16 praktisch gleich der Temperatur der Pt 100-Widerstandsthermo­ meter 20; 22.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 evakuierbare registrierende Mikrowaage
2 Waagebalken
3 Gehängedraht
4 Wägeschälchen
5 Meßstutzen
6 Sorbensraum
7 Sorbens
8 temperiertes Bad
9 Kupferhülsen
10 Einlaufstutzen
11 Öffnung
12 Ablaufstutzen
13 Rezipient
14 Dampfquelle
15 Block aus gut wärmeleitfähigem Material
16 Bohrung
17 Volumen einer Flüssigkeit oder deren festen Phase
18 Kühl- und Heizeinrichtung
19 Signalgeber für Temperatursollwert
20 Signalgeber für Temperaturistwert
21 Temperaturregler mit Anzeige
22 Signalgeber zur Absoluttemperaturanzeige
23 Präzisions-Kurbelwiderstand

Claims (3)

1. Apparatur zum gravimetrischen Bestimmen von Sorptionsgleich­ gewichtsfeuchtigkeitsgehalten in einer Dampfatmosphäre, wobei sich das Sorbens in einem temperierten Bad befindet und durch einen Rezipienten mit einer Dampfquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfquelle (14) ein fast trägheits­ loses temperaturregelbares Volumen einer Flüssigkeit oder deren festen Phase (17) enthält.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Flüssigkeit oder deren festen Phase (17) der Dampfquelle (14) von 0,5 bis 5 cm³, vorzugsweise 1,5 cm³, beträgt.

3. Apparatur nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur fast trägheitslosen Temperaturregulierung des Volumens der Flüssigkeit oder deren festen Phase (17) der Dampfquelle (14) sich jeweils miteinander regelungstechnisch gleichsinnig gekoppelten Signalgeber (19; 20) im temperierten Bad (8) und in der Dampfquelle (14) befinden und daß der Dampfquelle (14) eine Kühl- und Heizeinrichtung (18) zugeordnet ist.