DE4225981A1

DE4225981A1 - Prodn. of accurately formulated gas mixts. - partic. where one component is to be present in very low concn. and can be weighed out in solid or liq. phase

Info

Publication number: DE4225981A1
Application number: DE4225981A
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing Grad Rebhan; Herbert Dipl Ing Geipl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1992-08-06
Filing date: 1992-08-06
Publication date: 1994-02-10

Abstract

Process for prodn. of a gaseous mixt. partic. one contg. one or more very low concn. component(s) is novel in that the low concn. component(s) to be mixed is (are) pre-measured doses and that each dose is added to produce a fixed quantity of mixt.. A filling system for gas mixts. of 50% v/v argon, 50% v/v helium and 0.05% v/v carbon dioxide has a pressure vessel (11) fed He and Ar by lines (2,3), and is provided with a valued feed hopper (12), by which pre-weighed quantities of CO2 can be charged into the vessel (11). The CO2 is sublimed by the Ar/He flow to give the required final mixt. composition in the receiver cylinder (1). For high purity mixts. the vessel (11) can be evacuated and/or purged with inert gas via valved connection (14,15). USE/ADVANTAGE - Prepn. of special gas mixts. e.g. shielded arc-weld protection gases, and other specialist mixts., partic. involving extremely low contents of CO2, O2 or N2. Allows accurate measurement of small amts. of gases, partic. by weighing out the liq. or solid phase gas as appropriate.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gasgemisches, insbesondere eines Gemisches, das eine oder gegebenenfalls mehrere Zumischkomponenten in sehr geringer Konzentration enthält.The invention relates to a method of manufacture a gas mixture, in particular a mixture that a or possibly several admixing components in very contains low concentration.

Die Herstellung von Gasgemischen, bei denen eine Mischkompo nente in relativ geringen Konzentrationen enthalten sein soll, bereitet noch heute in der Praxis Schwierigkeiten. Solche Mischungen sind beispielsweise spezielle Schweißschutzgas- Mischungen oder Gasmischungen für besondere Anwendungen. Die besagten Schwierigkeiten rühren zum einen von dem Problem her, daß bei einem dynamischen Mischen mehrere Gase aus mehreren Behältern bei stark unterschiedlichen Anteilsmengen ein exakt dosiertes Mischen nicht mehr möglich ist, und zum anderen, daß die bekannte Wägemethode zur Zudosierung von Gasen nur mehr ungenau zum Ziel führt. Bei der Wägemethode wird nämlich das Gewicht des Gasbehälters samt Inhalt erfaßt und dann die gewünschte Menge eines weiteren Gases zugeleitet. Hierbei liegt das Problem also in der Messung kleiner Gewichtsunter schiede bei großem Begleitgewicht. Beispielsweise ist eine exakte Mischungseinstellung bei einem Gasgemisch, das große Anteile an Helium und Argon und einen festen, unter 0.1 Vol% liegenden Anteil eines weiteren Gases, z. B. Kohlendioxid (CO₂) oder Sauerstoff (O₂), aufweist, nicht mehr gewährleistet.The production of gas mixtures, in which a mixing component is to be contained in relatively low concentrations, is still a problem in practice today. Such mixtures are, for example, special welding shielding gas mixtures or gas mixtures for special applications. The difficulties mentioned arise, on the one hand, from the problem that with dynamic mixing several gases from several containers with very different proportions, an exactly metered mixing is no longer possible, and, on the other hand, that the known weighing method for metering in gases is only imprecise Goal leads. With the weighing method, the weight of the gas container and its contents are recorded and then the desired amount of another gas is supplied. The problem here is therefore the measurement of small weight differences with a large accompanying weight. For example, an exact mixture setting for a gas mixture that has large proportions of helium and argon and a fixed proportion below 0.1 vol% of another gas, e.g. B. carbon dioxide (CO ₂ ) or oxygen (O ₂ ), no longer guaranteed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gasgemischen anzugeben, welches mit möglichst geringem Aufwand die gleichbleibend hochgenaue Zumischung niedriganteiliger Mischkomponenten ermöglicht.The invention is therefore based on the object of a method specify for the production of gas mixtures, which with as consistently high-precision as possible Mixing of low-proportioning mixing components enables.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die konzentrationsniedrig zuzumischende(n) Komponente(n) - exakt dosiert - portionsweise bereitgestellt wird (werden) und daß jeweils eine Portion bei der Herstellung einer bestimmten Quantität der Gasmischung zugegeben wird.This object is achieved in that the low-concentration component (s) to be mixed - exactly dosed - is provided in portions and that one portion each when making a particular one Quantity of gas mixture is added.

Erfindungsgemäß wird also ein Quantum der konzentrationsnie drig zuzugebenden Gaskomponente, beispielsweise aus einem großen Speicherbehälter entnommen und in exakter Dosierung in einen Zwischenspeicher eingebracht. Durch diesen Zwischen schritt wird die zuzumischende Menge eigenständig zur Verfügung gestellt, und es ist somit beim eigentlichen Mischvorgang hinsichtlich dieser Gasmenge keine weitere Dosierung oder Dosismessung mehr erforderlich. Diese portionsweise Bereitstellung von Zumischgas erfolgt zum Beispiel sehr vorteilhaft in Form von geeignet gefüllten, einzelnen Gaspatronen.According to the invention, a quantum of the concentration never gas component to be added, for example from a large storage container removed and in exact dosage introduced a buffer. Through this intermediate step the quantity to be mixed becomes independent Provided, and so it is the real thing Mixing process regarding this amount of gas no further Dosage or dose measurement more required. This Admixing gas is provided in portions for Example very advantageous in the form of suitably filled, individual gas cartridges.

In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung werden die Portionen an Zumischgas in festem oder flüssigem Aggregatzustand bereitgestellt. Dies beruht auf dem Gedanken, daß gerade für die Dosierung geringer Mengen eines Stoffes der feste oder flüssige Aggregatzustand wegen der besseren Quan tifizierbarkeit vorteilhafter sein kann als der gasförmige. Dies hat sich, wie die Anmelderin durch Versuche ermittelt hat, in einer Reihe von Anwendungsfällen als besonders vor teilhaft bestätigt und bezieht den Umstand mit ein, daß eine Reihe von Gasen problemlos in andere Aggregatzustände über führbar sind bzw. in Lieferform ohnehin in anderer Phase vor liegen - z. B. CO₂, N₂ und O₂. Somit ergibt sich auf dieser Basis eine weitere, teilweise besonders günstige Möglichkeit zur Herstellung von Gasmischungen im Sinne der Erfindung.In a particularly advantageous variant of the invention, the portions of admixing gas are provided in a solid or liquid state. This is based on the idea that the solid or liquid state of matter can be more advantageous than the gaseous just for the metering of small amounts of a substance because of the better quantifiability. This has, as the applicant has determined through tests, confirmed in a number of applications as particularly advantageous and includes the fact that a number of gases can easily be converted into other states of aggregation or in the delivery form anyway in another phase lie - e.g. B. CO ₂ , N ₂ and O ₂ . This results in a further, in some cases particularly favorable, possibility of producing gas mixtures in the sense of the invention on this basis.

Die Quantifizierung der einzelnen, bereitzustellenden Portionen des Zumischgases wird durch Druck-, Volumen- oder Mengenmessung, bei letzterem insbesondere durch Gewichts messung, bewerkstelligt. Insbesondere bei der Ermittlung der Zugabemenge im Falle des festen Aggreagtzustandes ist die Gewichtsmessung bzw. Wägung das einfachste, genaueste und problemloseste Meßprinzip.The quantification of the individual to be provided Portions of the admixing gas is by pressure, volume or Quantity measurement, in the latter in particular by weight measurement, accomplished. Especially when determining the The amount added in the case of the solid aggreed state is Weight measurement or weighing the simplest, most accurate and most problem-free measuring principle.

Im Falle, daß die konzentrationsniedrig zuzumischende(n) Gaskomponente(n) in festem oder flüssigem Zustand bereitge stellt ist, besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß diese Komponente geeignet dosiert und unterkühlt in eine gasdichte Druckkammer eingebracht wird und das zu befüllende Mischgasbehältnis per Durchfluß der wei teren Mischungskomponenten durch besagte Druckkammer befüllt wird. Durch das Vorbeifließen der Hauptmischkomponenten am Zumischmedium in der Druckkammer wird dessen Vergasung bewirkt und so entsteht in sehr vorteilhafter Weise - gute Durchmi schung - die gewünschte, hinsichtlich der niedriganteiligen Komponente exakt eingestellte Gasmischung. Dadurch, daß eine gasdichte Druckkammer für die Zugabe vorgesehen wird, ergibt sich die Möglichkeit, diese Kammer in ein Gasleitungssystem einzubeziehen (beispielsweise parallel oder in Reihe zu einer Gasleitung) und so das Zumischmedium günstig einzuleiten. Bei Anwendung einer solchen Druckkammer wird zweckmäßigerweise diese nach Einbringen des Zumischmediums von Fremdgasen freigespült.In the event that the low concentration to be mixed Gas component (s) in solid or liquid state is a particularly advantageous embodiment the invention in that this component dosed appropriately and supercooled is introduced into a gas-tight pressure chamber and the mixed gas container to be filled by the flow of white other mixture components filled by said pressure chamber becomes. By flowing the main mixing components on Mixing medium in the pressure chamber causes its gasification and so in a very advantageous way - good mix schung - the desired, in terms of the low proportion Component exactly adjusted gas mixture. The fact that a gastight pressure chamber is provided for the addition results the possibility of turning this chamber into a gas pipe system to be included (for example, in parallel or in series with one Gas line) and thus to introduce the admixture cheaply. At Use of such a pressure chamber is advisable this after introducing the admixture medium of foreign gases washed away.

Es kann mit besonderen Vorteilen einhergehen, wenn die besagte Druckkammer bedarfsgemäß gekühlt oder beheizt werden kann, denn damit ist eine Beeinflussung der Phasenänderung des Mediums in der Druckkammer möglich, beispielweise kann ein schnelleres Vergasen bewirkt werden. In gleicher Hinsicht ist die Möglich keit vorteilhaft, daß die vorbeifließenden Hauptkomponenten der herzustellenden Mischung hinsichtlich ihrer Temperatur variiert werden können.There may be special advantages if the said Pressure chamber can be cooled or heated as required, because this is an influence on the phase change of the medium in the pressure chamber possible, for example a faster one Gasification can be effected. The same is possible speed advantageous that the flowing main components the temperature of the mixture to be produced can be varied.

Anhand der Figur wird die Erfindung im folgenden beispielhaft näher beschrieben.The invention is illustrated below with reference to the figure described in more detail.

Die Figur zeigt ein Füllsystem zum Befüllen einer Gasflasche 1 mit einem Gasgemisch aus beispielsweise ca. 50 Vol-% Argon, 50 Vol-% Helium sowie 0,05 Vol-% Kohlendioxid. Das gezeigte Füllsystem besteht aus einer Gaszuleitung 2 für Helium, einer Gaszuleitung 3 für Argon sowie aus einer gemeinsamen Hauptleitung 4, in die die Zuleitungen 2 und 3 münden. In der Hauptleitung 4 ist stromabwärts ein Anschlußventil 5 ange ordnet, über das gewöhnlich - gegebenenfalls über eine zusätzliche Verbindungsleitung 8 - die Verbindung zur Gas flasche 1 mit ihrem Anschlußventil 9 hergestellt wird.The figure shows a filling system for filling a gas bottle 1 with a gas mixture of, for example, approximately 50% by volume argon, 50% by volume helium and 0.05% by volume carbon dioxide. The filling system shown consists of a gas supply line 2 for helium, a gas supply line 3 for argon and a common main line 4 , into which the supply lines 2 and 3 open. In the main line 4 , a connection valve 5 is arranged downstream, through which the connection to the gas bottle 1 with its connection valve 9 is usually established - optionally via an additional connection line 8 .

Gemäß der Erfindung ist jedoch an das Anschlußventil 5 der Hauptleitung 4 eine Zudosiereinheit 10 angeschlossen, die aus einer Druckkammer 11, einer Zufuhrschleuse 12 und einem ausgangsseitig in der Druckkammer angeordneten Sieb 13 besteht. Vor und hinter dieser Zudosiereinheit sind zudem Abzweigleitungen 14, 15 im zugehörigen Hauptleitungsteil 6 vorgesehen, welche eine Spülen der Druckkammer 11 vor dem ei gentlichen Füllen der Gasflasche 1 ermöglichen. Zum Anschluß der Gasflasche 1 über die Verbindungsleitung 8 ist stromab wärts der Druckkammer 11 und der Abzweigleitung 15 außerdem ein weiteres Anschlußventil 7 an die Leitung 6 gekoppelt. Der erfindungsgemäße Verfahrensvorschlag führt also in der gezeig ten, apparativen Ausgestaltung zu einem, mit einem an sich bekannten Füllsystem in Reihe geschalteten Anlagenteil.According to the invention, however, a metering unit 10 is connected to the connecting valve 5 of the main line 4 and consists of a pressure chamber 11 , a feed lock 12 and a sieve 13 arranged on the outlet side in the pressure chamber. In front of and behind this metering unit, branch lines 14 , 15 are also provided in the associated main line part 6 , which enable the pressure chamber 11 to be flushed before the gas bottle 1 is actually filled. To connect the gas bottle 1 via the connecting line 8 , a further connection valve 7 is also coupled to the line 6 downstream of the pressure chamber 11 and the branch line 15 . The proposed method according to the invention thus leads, in the apparatus shown, to an installation part connected in series with a known filling system.

Das erfindungsgemäße Füllen der dargestellten Gasflasche 1 wird nun wie folgt durchgeführt:The inventive filling of the gas bottle 1 shown is now carried out as follows:

Das berechnete oder in Versuchen empirisch ermittelte CO₂- Quantum bzw. Gewicht wird in Form von lockerem CO₂-Schnee oder auch als gepreßte CO₂-Körner oder CO₂-Pellets 9 in die Druckkammer 11 über die Zufuhreinrichtung 12, etwa eine Drehschieberschleuse oder ein Kugelhahn, eingebracht. Darauf folgend kann, falls dies aus Gasreinheitsgründen erforder lich ist, das Volumen der Druckkammer von nicht erwünschten Fremdgasen durch Spülen über die Abzweigleitungen 14 und 15 mit einem geeigneten Spülgas, z. B. Argon, befreit werden. Nach Verschließen der Abzweigleitungen 14 und 15 durch in diesen Leitungen vorhandene Verschlußventile kann der Gasfluß aus den Zuleitungen 2 und 3 durch die Druckkammer 11 und über die Verbindungsleitung 8 zur Gasflasche 1 eröffnet werden. Die Gasflasche 1 ist zudem - vor allem wiederum bei hohen Reinheitsansprüchen - vorausgehend einer Vorbehandlung mit z. B. Ausheizen und Evakuieren zu unterziehen. Die Haupt anteile der in die Gasflasche 1 einzufüllenden Gasmischung, im vorgegebenen Beispiel Helium und Argon, durchfließen schließlich beim Füllvorgang auf ihrem Weg zur Gasflasche 1 die Druckkammer 11, in der sich der zuzumischende Kohlen dioxidanteil in Form von CO₂-Pellets 9, befindet. In diesem Füllgasstrom sublimieren nach und nach die besagten Pellets, wobei durch das in der Druckkammer 11 vorhandene Sieb 13 ein Mitreißen von CO₂-Teilchen in die Hauptleitung 4 verhindert wird. Im Verlauf des Füllvorgangs der Flasche 1 wird schließlich der gesamte CO₂-Pellet-Vorrat sublimiert und befindet sich dann, wie gewünscht, als Mischungsanteil in der Gasflasche.The calculated or empirically determined CO ₂ quantum or weight is in the form of loose CO ₂ snow or as compressed CO ₂ grains or CO ₂ pellets 9 in the pressure chamber 11 via the feed device 12 , such as a rotary valve or a ball valve. Subsequently, if this is necessary for gas purity reasons, the volume of the pressure chamber of undesired foreign gases by purging via the branch lines 14 and 15 with a suitable purge gas, for. B. argon, are freed. After the branch lines 14 and 15 have been closed by closure valves in these lines, the gas flow from the supply lines 2 and 3 can be opened through the pressure chamber 11 and via the connecting line 8 to the gas bottle 1 . The gas bottle 1 is also - especially in turn with high purity requirements - preliminary treatment with z. B. To undergo heating and evacuation. The main portions of the gas mixture to be filled in the gas bottle 1 , in the given example helium and argon, finally flow through the pressure chamber 11 in the filling process on their way to the gas bottle 1 , in which the carbon dioxide portion to be mixed in the form of CO ₂ pellets 9 is located. The said pellets gradually sublimate in this filling gas stream, wherein the sieve 13 present in the pressure chamber 11 prevents CO ₂ particles from being entrained into the main line 4 . In the course of the filling process of bottle 1 , the entire CO ₂ pellet supply is finally sublimed and is then, as desired, a mixture component in the gas bottle.

Für den obengenannten Mischungsanteil von 0,05 Vol-% Koh lendioxid wird, im Falle einer 50 Liter Gasflasche, gerade eine Menge von ca. 9 g an festem Kohlendioxid oder Trockeneis benötigt. Die gute Dosierbarkeit des Kohlendioxids in seinem festen Aggregatzustand und insbesondere in Form der körnigen Pellets, ermöglicht dabei grundsätzlich eine einfache und sehr genaue Zumischung des jeweiligen Zumischgases.For the above-mentioned mixture proportion of 0.05 vol% Koh In the case of a 50 liter gas bottle, the level of dioxide becomes straight a quantity of approx. 9 g of solid carbon dioxide or dry ice needed. The good meterability of the carbon dioxide in his solid state and especially in the form of granular Pellets, basically allows a simple and very exact admixture of the respective admixing gas.

Ebenso im Sinne der Erfindung und des beschriebenen Beispiels ist jedoch auch, wenn anstelle von Feststoff bestimmte Mengen an Flüssigkeit in die besagte, gegebenenfalls geringfügig abgewandelte Druckkammer 11 zugeführt werden. Flüssigkeiten sind ebenso wie Feststoffe durch Wägung oder andere allgemein bekannte Mengenbestimmungsmethoden, beispielsweise über spritzenartige Einrichtungen, gut, genau und problemlos do sierbar. Daher ist der flüssige Aggregatzustand ebenfalls sehr vorteilhaft im Sinne der Erfindung und in Analogie zum beschriebenen Beispiel anwendbar.Likewise in the sense of the invention and the example described, however, if instead of solid, certain amounts of liquid are fed into said pressure chamber 11 , which may be slightly modified. Liquids, like solids by weighing or other well-known quantity determination methods, for example via syringe-like devices, can be done well, precisely and without problems. Therefore, the liquid state of aggregation can also be used very advantageously in the sense of the invention and in analogy to the example described.

Allerdings ist die, der Erfindung ganz allgemein zugrunde liegende Vorgehensweise, nämlich die konzentrationsniedrig zuzumischende Gaskomponente eigenständig, portionsweise bereitzustellen und eine Portion bei der Herstellung einer bestimmten Mischungsquantität zuzugeben, auch mit gasförmig bereitgestellten Zumischungen vorteilhaft anwendbar. Dabei wäre - im Hinblick auf die apparative Ausgestaltung - unter Weglassung der Zudosiereinheit 10, z. B. ein geeigneter Anschluß für Gaspatronen an die Fülleitung 8, wie sie in der Figur gezeigt ist, vorzusehen.However, the procedure on which the invention is based in a very general way, namely the gas component to be mixed in at a low concentration independently, can be provided in portions and a portion can be added in the production of a certain quantity of mixture, even with admixtures provided in gaseous form. It would be - with regard to the apparatus design - omitting the metering unit 10 , z. B. provide a suitable connection for gas cartridges to the filling line 8 , as shown in the figure.

Anwendungsbezogen wird - in Verbindung mit der Erfindung - vor allem an die Herstellung von Gasmischungen mit extrem niedrigen CO₂, O₂ oder N₂-Gehalten gedacht. Die Erfindung kann jedoch prinzipiell für alle Gase angewendet werden. Grundsätzlich stellt der erfindungsgemäße Vorschlag, wie sich gezeigt hat, einen ausgesprochen vorteilhaften Weg zur Herstellung der besagten Gasmischungen dar.In connection with the invention, application-related consideration is given above all to the production of gas mixtures with extremely low CO ₂ , O ₂ or N ₂ contents. In principle, however, the invention can be applied to all gases. In principle, the proposal according to the invention, as has been shown, represents an extremely advantageous way of producing the gas mixtures mentioned.

Claims

1. A process for the preparation of a gas mixture, in particular a gas mixture which contains one or, if appropriate, a plurality of admixing components in a very low concentration, characterized in that the component (s) to be admixed at low concentrations are provided in portions - exactly metered - and that one portion each is added when producing a certain quantity of mixture.

2. The method according to claim 1, characterized in that the portionwise provision in the form of suitable filled, individual gas cartridges.

3. The method according to claim 1, characterized in that the portions of admixing gas in solid or liquid Physical state are provided.

4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the dosage of the individual, portions of the admixing gas to be provided by pressure, Volume or quantity measurement, the latter in particular by Weight measurement, is accomplished.

5. The method according to any one of claims 3 or 4, characterized characterized in that the portion of low concentration admixed gas component (s) supercooled and solid or is introduced liquid into a gas-tight pressure chamber and the mixed gas container to be filled by the flow of other mixture components through said pressure chamber is filled.

6. The method according to claim 5, characterized in that the pressure chamber after adding the portion of Foreign gases are flushed out.

7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that that the gas-tight pressure chamber is cooled as required or is heated.

8. The method according to claim 5, 6 or 7, characterized records that the main components flowing by the mixture to be produced in terms of its temperature can be varied.