DE60032968T2

DE60032968T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Elementaranalyse mit Steuerung des Sauerstoffs

Info

Publication number: DE60032968T2
Application number: DE60032968T
Authority: DE
Inventors: Luigi Ragaglia; Giacinto Zilioli
Original assignee: Thermo Electron SpA
Current assignee: Thermo Fisher Scientific SpA
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: EP1061366A3; EP1061366A2; DE60032968D1; EP1061366B1; IT1312312B1; ITMI990997A1; US6441365B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Gehaltsanalyse von C, H, N und S in Proben durch deren Schnellverbrennung in Sauerstoff.
Vorrichtungen der erwähnten Art sind bekannt und werden Elementaranalysatoren genannt, wobei sie grundsätzlich aus einer so genannten Verbrennungskammer bestehen, die auf hohen Temperaturen (um 900°C) gehalten wird und in die die zu analysierende Probe eingeführt wird.
Die normalerweise mittels eines Inertgasstroms ausgespülte Kammer wird mit Sauerstoff gefüllt, um die Schnellverbrennung durchzuführen, deren Produkte dann zu einem Reduktionsreaktor und der Vorrichtung zur chemischen Analyse geleitet werden.
Es ist aus Gründen der Analysekosten und für die Aufrechterhaltung der Wirksamkeit des im Reduktionsreaktor vorhandenen Reduktionskupfers sehr wichtig, eine Sauerstoffversorgung bereitzustellen, die auf die zur Durchführung der Probenverbrennung tatsächlich benötigte Menge kalibriert ist.
Die Aufnahme einer bestimmten Sauerstoffmenge in einer Leitung (Schleife) wurde bereits in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 586 969 vorgeschlagen, wobei diese nach Durchleiten von Inertgas der Verbrennungskammer zuzuführen ist.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 586 969 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Probe in einer Verbrennungskammer verbrannt und anschließend der Stickstoffgehalt der Probe bestimmt wird. Die Probe wird mit Hilfe eines Proben nehmers in die Verbrennungskammer eingeführt, während gleichzeitig ein vorher festgelegtes Sauerstoffvolumen durch eine Schleife zugeführt wird, die ein vom Gewicht der Probe abhängendes Volumen aufweist. Der Druck innerhalb der Schleife wird in Abhängigkeit vom Gewicht der in die Verbrennungskammer eingeführten Probe gesteuert.
Die vorher festgelegte Sauerstoffmenge muss so gewählt werden, dass die Verbrennung jeder Probenart und jedes Gewichts garantiert werden kann, und folglich wird bei Proben, die weniger Sauerstoff erfordern, oder bei solchen mit weniger Gewicht ein Teil des angebotenen Sauerstoffs nicht zur Verbrennung herangezogen und gelangt in das nachgeschaltete System, wobei er die Reduktionsschicht oxidiert und daher sowohl einen unzulässigen Mehrverbrauch an Kupfer als auch einen unzulässigen Mehrverbrauch an Sauerstoff verursacht.
Um zu vermeiden, dass dies geschieht, wurde vorgeschlagen (europäische Patentanmeldung Nr. 0 940 677), den Sauerstoff direkt durch ein Ventilsystem zuzuführen und zunächst die Menge zu bestimmen, wobei die Beschaffenheit und das Gewicht der zu analysierenden Probe zu berücksichtigen sind. Dies erlaubt die exakte Bemessung des benötigten Sauerstoffs, erfordert aber zunächst die Kenntnis der Probenbeschaffenheit und bedingt auch das Vorhandensein einer Steuerungssoftware mit einer langwierigen und komplexen Vorbereitung. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Menge an jeweils zugeführtem Sauerstoff zu steuern, so dass diese ungeachtet der Kenntnis über die Probeneigenschaften mit den Erfordernissen der Verbrennung (Beschaffenheit und Menge der Probe) korreliert, und einzugreifen, um die Sauerstoffversorgung jeweils dann zu stoppen, wenn die Verbrennung vollständig ist.
Zum Erreichen des Vorstehenden betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 8.
Zur Durchführung eines solchen Verfahrens kann der Parameter, der angewandt wird, um Einfluss auf den zeitlichen Verlauf auszuüben, aus der durch die Verbrennung im Verbrennungsreaktor verursachten Helligkeit bestehen, aus der Temperatur in diesem Verbrennungsreaktor oder schließlich aus dem Druck im Verbrennungsreaktor oder oberhalb davon im Gasversorgungskreislauf. Die verschiedenen Arten der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert, wobei:
1 ein Diagramm eines Elementaranalysators ist, bei dem die Steuerung der Sauerstoffversorgung auf Basis der Helligkeit des Verbrennungsreaktors erfolgt;
2 ein Diagramm des Elementaranalysators ist, bei dem die Steuerung der Sauerstoffversorgung auf Basis der Temperatur des Verbrennungsreaktors erfolgt;
3 ein Diagramm des Elementaranalysators ist, bei dem die Steuerung der Sauerstoffversorgung auf Basis des Drucks im Verbrennungsreaktor oder unmittelbar oberhalb davon erfolgt.
Betrachtet man die Figuren, so umfasst das allgemeine Diagramm der Vorrichtung einen Verbrennungsreaktor 1, der mit einer Probe 2 beschickt wird und mit einem nachgeschalteten Reduktionsreaktor 3 verbunden ist, dessen Ausgang mit einer Reihe von Filtern 4 und nachfolgend mit einer Gaschromatographiesäule 5 mit einem Vergleichsdetektor verbunden ist, wobei alle an sich bekannt sind.
Im Stadium vor der Analyse wird ein aus einer Quelle 6 stammender Inertgasstrom (zum Beispiel Helium) dem Probennehmer 2 und dem Verbrennungsreaktor 1 zugeführt, wobei der Strom nacheinander ein 3-Wege-Ventil 7, einen Durchflusssensor 8 und ein Proportionalventil 9 passiert, ehe er den Probennehmer 2 erreicht. Auch Helium wird durch eine Leitung 10, einen Durchfluss sensor 11 und ein Proportionalventil 12 kontinuierlich dem Detektor des gaschromatographischen Systems zugeführt, wobei diese die als Bezugsleitung dienen. Nach Verlassen des Detektors wird das Helium durch eine Leitung 13 mit einem Ventil 14 zur Spülung des Probennehmers 2 geleitet.
Durch eine Sauerstoffquelle 15, an deren Ausgangsleitung 16 ein Ventil 17 angebracht ist, wird auch das 3-Wege-Ventil 7 beschickt, dessen Umschalten je nach Zeitpunkt der Analyse das Durchleiten von Helium oder alternativ von Sauerstoff zum Probennehmer und zum Verbrennungsreaktor 1 ermöglicht.
Insbesondere zu Beginn einer jeden Analyse werden die Ventile 17 und 7 umgeschaltet, um Sauerstoff in den Verbrennungsreaktor 1 zu leiten. Nach wenigen Sekunden wird die Probe über den Probennehmer 2 in den Reaktor getropft, der bereits auf hoher Temperatur ist (um 900°C), wo in Gegenwart von O₂ die Verbrennung der Probe erfolgt. Diese Verbrennung führt zu verschiedenen Phänomenen mit nachfolgender Veränderung entsprechender Parameter, insbesondere Helligkeit, Temperatur und Gasdruck. Das Aufzeichnen der zeitlichen Veränderungen solcher Parameter ermöglicht, wie in den Figurendiagrammen gezeigt, die Steuerung der Menge des zugeführten Sauerstoffs, so dass diese aus den anfangs erwähnten Gründen nicht im Überschuss derjenigen vorhanden ist, die für die Verbrennung notwendig ist, indem man die Ventile 7 und 17 umschaltet, um zu den Bedingungen vor der Analyse zurückzukommen.
Insbesondere ist in 1 ein Photodetektor 18 bereitgestellt, der auf die Helligkeit innerhalb des Verbrennungsreaktors 1 anspricht. Diese Helligkeit nimmt während der Verbrennung kontinuierlich oder pulsierend zu, aber stets mit einem maximalen Endwert. Durch entsprechendes Einstellen des Photodetektors 18 mittels einer rechnergesteuerten Vorrichtung zur Steuerung des Systems 19 kann das Umschalten der Ventile 7 und 17 zum bestgeeigneten Zeitpunkt veranlasst werden.
Anstelle des Photodetektors 18 oder zusätzlich zu diesem ist es möglich, einen Temperatursensor 20 (2) im Innern des Verbrennungsreaktors 1 einzusetzen, der den von der Probenverbrennung herrührenden Temperaturanstieg erfasst und beim Erreichen des Maximalwerts oder zu Beginn eines nachfolgenden Absinkens über den Rechner 19 durch Umschalten der Ventile 7 und 17 als Steuerung fungiert, um die Sauerstoffversorgung zu stoppen.
Schließlich zeigt 3 die Bereitstellung einer digitalen elektronischen Vorrichtung 21, die im Verbrennungsreaktor 1 oder – wie gezeigt – unmittelbar oberhalb davon in der Gasversorgungsleitung (Helium oder Sauerstoff) zu diesem Reaktor angeordnet werden kann.
Es lässt sich feststellen, dass der Druck nach Einführung der Probe in den Reaktor 1 für einige Sekunden zu steigen beginnt, um dann zurück zum Anfangswert zu sinken. Während des Absinkens steigt bei einem bestimmten, mit dem Gewicht und der Beschaffenheit der eingeführten Probe in Verbindung stehenden Punkt der Druck wieder für einige Sekunden an, um dann noch einmal auf seinen Anfangswert zu sinken. Dieser Anstiegspunkt zeigt das Ende der Probenverbrennung an, und durch die Vorrichtung werden die Ventile 7 und 17 zum gleichen Zeitpunkt wie dieser Anstieg durch diese erkannt wird über den Rechner 19 umgeschaltet, um die Bedingungen vor der Analyse wiederherzustellen.
Durch dieses Verfahren wird das gewünschte Messen der zugeführten Sauerstoffmenge erreicht, die auf diejenige kalibriert ist, die für eine vollständige Verbrennung der Probe benötigt wird, ohne dass man auf eine Vorbestimmung dieser Menge gemäß Beschaffenheit und Gewicht der Probe zurückgreifen muss.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Sauerstoffversorgung im Verbrennungsreaktor (1) eines Elementaranalysators unter Verwendung eines Ventilsteuerungssystems zur Versorgung mit Inertgas und Sauerstoff (7, 17), wobei das Verfahren die folgenden Schritte, eingeleitet in der folgenden Reihenfolge, umfasst: – Öffnen der Sauerstoffversorgung (7, 17) zum Verbrennungsreaktor (1); – Einführen der Probe in den Verbrennungsreaktor (1); – zeitliches Überwachen des Zustands wenigstens eines Parameters, dessen Veränderung durch die Schnellverbrennung der Probe im Verbrennungsreaktor (1) bestimmt wird; und – Stoppen der Sauerstoffversorgung (7, 17) in Abhängigkeit vom überwachten Zustand im Zeitablauf.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter die Helligkeit im Verbrennungsreaktor (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter die Temperatur im Verbrennungsreaktor (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter der Druck im Verbrennungsreaktor (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter der Druck oberhalb des Verbrennungsreaktors (1) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffversorgung bei oder nahe bei Rückkehr auf die Ausgangswerte des erfassten Parameters nach einem normalen oder anormalen Anstieg seiner Werte unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffversorgung während eines zweiten Druckanstiegs im Anschluss an einen ersten Anstieg und einem Absinken hin zum Ausgangswert unterbrochen wird, was unmittelbar nach dem Einsetzen der Verbrennung geschieht.
Vorrichtung zur Elementaranalyse, umfassend. – einen Verbrennungsreaktor (1); – einen Gasversorgungskreislauf, umfassend einen ersten Gaseinlass (6) zur Sauerstoffversorgung und einen zweiten Gaseinlass (15) zur Inertgasversorgung und einen Gasauslass, der in fluider Verbindung mit dem Verbrennungsreaktor (1) ist, wobei der Gasversorgungskreislauf eine erste Konfiguration aufweist, bei der der erste Gaseinlass durch den Gasauslass in fluider Verbindung mit dem Verbrennungsreaktor (1) ist und der zweite Gaseinlass (15) nicht, und eine zweite Konfiguration, in der der zweite Gaseinlass durch den Gasauslass in fluider Verbindung mit dem Verbrennungsreaktor (1) ist und der erste Gaseinlass nicht; – einen Rechner, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren umfasst: – wenigstens einen Sensor, der so angeordnet ist, dass er den Zustand wenigstens eines der durch die Verbrennung der Probe im Verbrennungsreaktor veränderten Parameter erfasst, und dass der Rechner (19) so angeordnet ist, dass er die Ausgabe des Sensors aufzeichnet und den Gasversorgungskreislauf je nach Wert oder zeitlichem Verlauf des Werts des Parameters oder der Parameter zwischen den beiden Konfigurationen hin- und herschaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Photodetektor (18) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperaturdetektor (20) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine digitale elektronische Vorrichtung (21) zur Erfassung des Drucks ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale elektronische Vorrichtung (21) oberhalb des Verbrennungsreaktors (1) in der Nähe desselben auf der Inertgas- und Sauerstoff-Versorgungsleitung zum Verbrennungsreaktor angeordnet ist.