WO2001065250A1 - Verfahren und vorrichtung zur konditionierung von gasgemischen - Google Patents

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WO2001065250A1
WO2001065250A1 PCT/AT2001/000057 AT0100057W WO0165250A1 WO 2001065250 A1 WO2001065250 A1 WO 2001065250A1 AT 0100057 W AT0100057 W AT 0100057W WO 0165250 A1 WO0165250 A1 WO 0165250A1
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gas
compressor
control valve
absolute pressure
gas mixture
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PCT/AT2001/000057
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Johannes Villinger
Werner Federer
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V & F Analyse- Und Messtechnik G.M.B.H.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0016—Sample conditioning by regulating a physical variable, e.g. pressure or temperature
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    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0018—Sample conditioning by diluting a gas

Definitions

  • the invention relates to a method for converting real, reactive gas mixtures with a highly variable fugacity into a stable, inert gas state of constant and low fugacity at atmospheric pressure and temperatures below 150 ° C. and dew points below 60 ° C., and a device for carrying out the method ,
  • the concentration determinations of gaseous emissions from fuel cells which according to the current state of the art represent the most promising way to achieve emission values of so-called "zero emission vehicles", which will be required in the future , a great challenge for measurement technology, because the formation of molecular hydrogen from liquid fuels results in considerable changes in the composition of the gaseous emissions.
  • the concentrations of water, oxygen, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methanol lie in ranges between 0 and 60%, that of the C1 to C4 hydrocarbons between 0 and 5%.
  • the gas measuring systems are subject to interferences due to the considerable concentration variations.
  • dilution systems are necessary to remain in the linear range of the detection systems.
  • the following table lists the most important components that occur when reforming methanol or gasoline in the fuel cell processor.
  • gas mixers are used, preferably known for the area of application in air measurement stations.
  • the gas flow is regulated by means of restrictors, the fine adjustment with a manometer and manual pressure regulator.
  • the amount of the dilution gas is set by a flow meter.
  • this system is primarily intended for use in the area of test gases.
  • the disadvantages of gas mixing systems are complex measuring of the flows using a gas bubble meter (flow meter), which results in setting errors due to reading errors. Changing the dilution ratio is only possible manually, and there are also strong temperature dependencies in the restrictor, which make expensive heating necessary.
  • the flows of the two gases to be diluted are set using the mass flow controller.
  • the gas flow to be controlled or part of it passes through a thin-walled stainless steel tube, which is inductively heated at the entry point. This also heats the gas.
  • Temperature sensors are installed at the location of the heater and somewhat downstream of it. Physically, the amount of gas to be controlled is determined by your heat transport. However, this means that the specific heat capacity of the gas is the underlying measurement quantity, and this is of course not constant in the gas mixtures to be examined. That Flow controllers will never make sense in this application because they are very imprecise (+/- 15% in practice). They are sensitive to moisture and contamination and show long-term and temperature drifts, although according to the basic measuring principle, the temperature should not be included in the measurement.
  • the gas flow is set with gas dividers via critical nozzles, the gases reaching the speed of sound. Since the speed of sound is a function of the matrix or the medium and the temperature, the gas type dependency of such systems becomes clear, ie linearity and reproducibility are difficult to achieve. The dilution levels are switched mechanically, which leads to a continuous wear of the seals. Complex electronics for controlling the many solenoid valves are also required.
  • the object of the present invention is a method and an apparatus for carrying it out, in which gases with a highly variable composition and very high fugacity (i.e. in their properties far away from those of ideal gases) can be conditioned in this way while avoiding the disadvantages of known systems mentioned above that a precise quantitative analysis of the gas compositions or one of their components is possible.
  • gases with a highly variable composition and very high fugacity i.e. in their properties far away from those of ideal gases
  • the transport of the gas mixtures over longer pipelines at atmospheric pressure and temperatures below 150 ° C and dew points below 60 ° C to the analysis devices should also be included.
  • At least a partial stream of the original gas mixture is discharged into a high vacuum and then compressed to an absolute pressure of 1 to 2 atm in at least one inert compression stage with the addition of an inerting gas.
  • this also ensures that heterogeneous catalytic effects are largely prevented, and the features of the present invention are also among others.
  • the inert i.e. Without oil as the operating medium, compression ensures that hydrocarbons of all kinds can also be measured.
  • the minimum volume flow is between 10 and 200 ml / min.
  • the gas mixture is advantageously flushed past the control valve in this case by means of a pump.
  • the gas mixture has a phase transition to an absolute pressure of 1 to 7 mbar and a temperature temperature is subjected to 60 to 80 ° C, the state closest to an ideal gas (Fugazitat close to or equal to 1) is reached.
  • the gas mixture is then compressed in a high vacuum to an absolute pressure of approximately 15 to 20 mbar in at least one step, an inerting gas preferably being additionally supplied. Due to the increase in the gas volume compared to the dead volumes of the device and pump parts, response times can be achieved faster.
  • the compression takes place in several, preferably two, stages.
  • the gas mixture is brought to an absolute pressure of approximately 200 mbar in at least one further compression stage, with inert gas additionally being supplied.
  • the inerting gas is preferably supplied in an amount of 2 to 50 l / min.
  • the gas mixture is brought to an absolute pressure of 1 to 2 atm in at least one further compression stage.
  • An atomic gas in particular argon, is preferably used as the inerting gas, because atomic gases come closest to the ideal state.
  • Argon is particularly advantageous because it avoids the poor pumping power or high diffusion coefficient of helium and is a more economical choice than neon, xenon or krypton.
  • the device for converting real, reactive gas mixtures with a highly variable fugacity into a stable, inert gas state of constant and low fugacity at atmospheric pressure and temperatures below 150 ° C. and dew points below 60 ° C., with at least one inlet for the gas mixture and one inerting gas and At least one outlet for the inert gas mixture is characterized according to the invention by a control valve downstream of the inlet for the gas mixture, preferably a gas volume control valve, an adjoining high vacuum section and at least one subsequent inert compressor.
  • a pump for the gas mixture is connected to the control valve and is vented into the environment via a further bypass outlet.
  • the high vacuum section is designed for an absolute pressure of 1 to 7 mbar and a temperature of 60 to 80 ° C, it can be used to set a state closest to the ideal gas.
  • At least two compressors are preferably provided, a gas sensor independent of the gas type being inserted behind the first compressor and being connected to the control valve, which is preferably designed as a proportional control valve.
  • the device is characterized in that at least three compressors are provided, the next compressor downstream of the pressure sensor and the subsequent section of the device being designed for an output absolute pressure of approximately 15 to 20 mbar. This increases the gas volume compared to the system's dead spaces and achieves a faster response.
  • the device is characterized by at least four compressors, the second compressor and the subsequent section of the device being designed for an outlet absolute pressure of approximately 15 to 20 mbar, the third compressor and the subsequent section of the device being designed for an outlet absolute pressure of approx. 200 mbar and the fourth compressor is designed for an initial absolute pressure of approx. 1 to 2 atm.
  • a feed line for the inerting gas opens into the area behind the compressor downstream of the pressure sensor.
  • the main quantity of the inerting gas is advantageously supplied in such a way that a supply line for the inerting gas opens into the area in front of the compressor immediately preceding the outlet of the device.
  • a control valve preferably a gas volume control valve, is used in at least one of the supply lines for the inerting gas, preferably in the supply line in the area in front of the compressor immediately preceding the output of the device.
  • the further supply line advantageously extends from the control valve into the area behind the compressor connected downstream of the pressure sensor.
  • the optimum amount of inerting gas can be ensured in a simple and reliable manner by using a pressure sensor which is independent of the type of gas between the last and penultimate compressor of the device and is connected in a controlling manner to the second control valve, which is preferably designed as a proportional control valve.
  • the individual control valves and compressors are advantageously independent of one another.
  • the gas flows can have up to 6 bar at 200 ° C.
  • the different gas flows can be selected via switching valves 4.
  • the gas mixtures in particular from reformers and fuel cells, are highly variable in their composition of the individual components from 0 to 40 or 60 vol% and have a very high degree of fugacity - their properties are therefore far away from those of ideal gases. They are typically under 4 bar at up to 300 Celsius. This means that when you relax in the atmosphere and at low temperatures, you experience a major change in your condition.
  • the gas mixtures are subject to catalytic effects at the interfaces of the gas lines - e.g. B. formic acid will
  • the adsorption isotherms ie the adsorption coefficients of the individual species on surfaces, are very different in these gas mixtures, which leads to strong temporal signal smearing in the measuring devices and the dew points in the gas mix so high that condensation occurs.
  • One or more of the points listed preclude an accurate quantitative analysis of the gas compositions or one of their components.
  • the selected gas flow preferably flows around a proportional gas volume control valve 5.
  • the minimum volume flow must be between 10 and 200 ml / min. If the gases are only available at atmospheric pressure, the gas can be flushed past the control valve 5 by activating the pump 6 to which the bypass line 7 leading out of the device I is connected.
  • the control valve 5 gives a small partial flow of the gas to the high vacuum in the line section 8. This gas flow is in the range 10 to 200 ml.
  • the phase transition to an absolute pressure of 1 to 7 mbar and a temperature of 60 to 80 C takes place at this control valve 5. This is the step to the ideal gas state that every real gas experiences in the transition from pressure to zero
  • this absolute pressure is determined by a capacitive and therefore gas-independent pressure sensor 10 and converted into an electrical signal with a resolution of 100 mV / mbar. This signal is compared in an operational amplifier with a setpoint and controls the magnetic current and thus the stroke or the opening of the control valve 5 via current drivers. This is the step for compensating for fugacity variations which, as viscosity variations, change the gas quantity through the control valve 5.
  • a small gas stream of inerting gas is supplied via a capillary throttle 12, so that the absolute pressure of the gas mixture in section 13 increases to approximately 15 to 20 mbar. This serves to increase the gas volume compared to the dead volumes of the pump parts and results in faster response times of the overall system.
  • the inerting gas is supplied via line 14, in which the throttle 12 is inserted.
  • the main flow of the inerting gas is now fed to the system as a gas quantity of 2 to 50 l / min via a further proportional control valve 16, which is also controlled by comparing a setpoint with the signal value of a further absolute pressure sensor 17.
  • the inertized gas mixture is brought to an absolute pressure of 1 to 2 atm. This means that tized gas mixture at the output section 19 in the desired state lowest Fugazitat available.
  • the individual compression stages 9, 11, 15, 18 of the arrangement can be viewed as impedance converters in electronics. It is technically crucial that the individual gas control stages of the input, i.e. of the valve 5, and the dilution can work independently. This decoupling is made possible by the successive, independent compressor stages 9, 11, 15, 18.
  • an atomic gas - especially argon - as an inerting gas is of great importance because atomic gases are closer to the ideal state than diatomic or polyatomic gases.
  • the use of helium is ruled out because of the poor pump performance or because of the high diffusion coefficient, neon .crypton, xenon because of the high costs.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überführung realer, reaktiver Gasgemische mit stark variabler Fugazität in einen stabilen, inerten Gaszustand konstanter und niedriger Fugazität bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C beschrieben. Um Gase mit hoch variabler Zusammensetzung und sehr hoher Fugazität derart konditionieren zu können, dass eine genaue quantitative Analyse der Gaszusammensetzungen oder einer ihrer Komponenten sowie der Transport der Gasgemische über grössere Leitungsstrecken bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C zu den Analyseeinrichtungen möglich ist, wird zumindest ein Teilstrom des ursprünglichen Gasgemisches in ein Hochvakuum abgegeben und anschliessend in zumindest einer inerten Verdichtungsstufe unter Zugabe eines Inertisierungsgases auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm verdichtet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung von Gasgemischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überführung realer, reaktiver Gasgemische mit stark variabler Fugazitat in einen stabilen, inerten Gaszustand konstanter und niedriger Fugazi- taet bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Gegensatz zu den heutigen Emissionsmessungen in der Automobilindustrie, betreffend hauptsächlich deren Abgase, bedeuten die Konzentrationsbestimmungen von gasförmigen Emissionen von Brennstoffzellen, die nach dem gegenwärtigen Stand der Technik die vielversprechendste Möglichkeit darstellen Emissionswerte von sogenannten, in Zukunft geforderten, „zero emission vehicles" zu erreichen, eine große Herausforderung an die Meßtechnik. Bei der Bildung von molekularem Wasserstoff aus flüssigen Brennstoffen entstehen nämlich erhebliche Veränderungen in den Zusammensetzungen der gasförmigen Emissionen. Während der Startphase und nicht stationären Bedingungen liegen die Konzentrationen von Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methanol in Bereichen zwischen 0 und 60 %, die der C1 bis C4 Kohlenwasserstoffe zwischen 0 und 5 %.
Unabhängig vom Meßprinzip unterliegen die Gasmeßsysteme Interferenzen aufgrund der erheblichen Konzentrationsvariationen, zusätzlich sind Verdünnungssysteme nötig, um im linearen Bereich der Detektionssysteme zu verbleiben. Um die erheblichen Konzentrationssprünge zu verdeutlichen, die in dieser Technologie auftreten, sind in der nachfolgenden Tabelle die wichtigsten Komponenten angeführt, die bei Reformierung von Methanol bzw. Benzin im Brennstoffzellenprozessor auftreten.
Tabelle: Emissionen von Reformierungsreaktionen min [rel%] max [rel%]
Reformierung H20 0 50 von Methanol 0 70
Methanol o2 0 25
N2 0 80
CO 0 15
C02 0 30
H2 0 60
Reformierung H20 0 80 von o2 0 25
Benzin N2 0 80 C02 0 25 H2 0 45 CH4 0 2
Gegenwärtig bestimmen im wesentlichen drei Systeme den Stand der Technologie. Zum einen kommen Gasmischer (sog. Kalibratoren) zum Einsatz, vorzugsweise bekannt für das Einsatzgebiet in Luftmeßstationen. Die Regelung des Gasdurchflusses erfolgt mittels Restricto- ren, die Feineinstellung mit Manometer und manuellem Druckregler. Die Menge des Verdünnungsgases, entweder Nullluft aus speziellen Gasgeneratoren oder synthetische Luft aus Gasflaschen wird durch ein Flowmeter eingestellt. Dieses System ist jedoch in erster Linie für den Einsatz im Bereich von Prüfgasen gedacht. Die Nachteile von Gasmischsystemen sind aufwendiges Ausmessen der Durchflüsse mittels Gasblasenzahler (Flowmeter), wodurch sich Einstellfehler durch Ablesefehler ergeben. Eine Änderung des Verdünnungsverhältnisses ist nur manuell möglich, außerdem treten starke Temperaturabhängigkeiten im Restrictor auf, welche aufwendige Heizungen erforderlich machen.
In Systemen mit Gasmischern mit Mass-Flow Controllern werden die Durchflüsse der beiden zu verdünnenden Gase (Trägergas und Meßgas) per Massflow-Controller eingestellt. Der zu regelnde Gasstrom oder ein Teil davon durchlauft ein duennwandiges Edelstahlrohr, das an der Eingangsstelle induktiv erwaermt wird. Damit wird auch das Gas erwaermt. An der Stelle der Heizung sowie etwas stromabwaerts davon sind Temperaturfuehler angebracht. Physikalisch wird also die zu regelnde Gasmenge ueber Ihren Waermetransport bestimmt. Damit aber ist die spezifische Waermekapazitaet des Gases die zu Grunde liegende Messgrösse, und die ist natuerlich in den zu untersuchenden Gasmischungen nicht konstant. D.h. Flowcontroller werden in dieser Anwendung niemals sinnvoll sein, da sie sehr ungenau (+/- 15 % in der Praxis) sind. Sie sind empfindlich gegen Feuchtigkeit und Verunreinigung und zeigen Langzeit- und Temperaturdriften, obwohl nach dem zugrundeliegenden Meßprinzip die Temperatur nicht in die Messung eingehen sollte.
Der Gasdurchfluß wird in der dritten bekannten Variante mit Gasteilern über kritische Düsen eingestellt, wobei die Gase Schallgeschwindigkeit erreichen. Da die Schallgeschwindigkeit eine Funktion der Matrix bzw. des Mediums und der Temperatur ist, wird die Gasartabhängigkeit solcher Systeme deutlich, d.h. Linearität und Reproduzierbarkeit sind schwer zu erreichen. Die Umschaltung der Verdünnungsstufen erfolgt mechanisch, was zu einem kontinuierlichen Ver- schleiß der Dichtungen führt. Eine aufwendige Elektronik zur Ansteuerung der vielen Magnetventile ist ebenfalls erforderlich.
Konzentrationsbestimmungen von Emissionen von Brennstoffzellen in der automobilen Forschung und Entwicklung , vor allem mit den beiden zuletzt genannten Systemen, versagten bisher weitgehend. Der Grund dafür liegt in erster Linie in den erheblichen Gehaltsänderungen der verschiedenen Matrices (vgl. Tab. 1).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchem unter Vermeidung der oben genannten Nachteile bekannter Systeme Gase mit hoch variabler Zusammensetzung und sehr hoher Fugazitat (also in Ihren Eigenschaften weit weg von denen idealer Gase) derart konditioniert werden können, dass eine genaue quantitative Analyse der Gaszusammensetzungen oder einer ihrer Komponenten möglich ist. Auch der Transport der Gasgemische über größere Leitungsstrecken bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C zu den Analyseeinrichtungen soll dabei mit umfasst sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Teilstrom des ursprünglichen Gasgemisches in ein Hochvakuum abgegeben und anschließend in zumindest einer inerten Verdichtungsstufe unter Zugabe eines Inertisierungsgases auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm verdichtet wird. Damit ist zusätzlich zur Lösung der obigen Aufgabe auch gewährleistet, dass heterogene katalytische Effekte weitestgehend unterbunden sind, und die Merkmale der gegenständlichen Erfindung sind auch u.a. zur Linearisierung der Lang- muirschen Adsorptionsisothermen, zum Erreichen eines Taupunktes kleiner 60 °C und zum Absenken der Partialdrücke der Einzelkomponenten des Gemisches in Konzentrationsbereiche, bei denen Reaktionsgeschwindigkeiten von Sekundärreaktionen zwischen den Komponenten gegen null gehen, geeignet. Die inerte, d.h. ohne Öl als Betriebsmittel, Verdichtung stellt sicher, dass auch Kohlenwasserstoffe jeglicher Art messbar sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der minimale Volumenstrom zwischen 10 und 200 ml/min beträgt.
Um auch Gasgemische behandeln zu können, die nur unter im wesentlichen Atmosphärendruck vorliegen, wird in diesem Fall vorteilhafterweise das Gasgemisch mittels einer Pumpe am Regelventil vorbeigespült.
Wenn im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens das Gasgemisch bei der Abgabe ins Hochvakuum einem Phasenübergang zu einem Absolutdruck von 1 bis 7 mbar und einer Tem- peratur von 60 bis 80 °C unterworfen wird, ist der einem idealen Gas nächstkommende Zustand (Fugazitat nahe oder gleich 1) erreicht.
Vorteilhafterweise ist gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal vorgesehen, dass das Gasgemisch nach der Abgabe ins Hochvakuum anschließend in zumindest einem Schritt auf einen Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar verdichtet wird, wobei vorzugsweise zusätzlich das ein Inertisierungsgas zugeführt wird. Aufgrund der Erhöhung des Gasvolumens gegenüber den Totvolumina der Vorrichtungs- und Pumpenteile können schneller Ansprechzeiten erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Verdichtung in mehreren, vorzugsweise zwei, Stufen.
Vorteilhafterweise ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass das Gasgemisch in zumindest einerweiteren Verdichtungsstufe auf einen Absolutdruck von ca. 200 mbar gebracht wird, wobei zusätzlich Inertisierungsgas zugeführt wird.
Dabei wird vorzugsweise das Inertisierungsgas in einer Menge von 2 bis 50 l/min zugeführt.
Um das Gasgemisch zuletzt in dem für die nachfolgende Analyse gewünschten Zustand zu haben, ist vorgesehen, dass das Gasgemisch in zumindest einerweiteren Verdichtungsstufe auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm gebracht wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft und wichtig, dass die einzelnen Entspannungs-, Ver- dünnungs- und Verdichtungsstufen voneinander unabhängig arbeiten.
Vorzugsweise wird als Inertisierungsgas ein atomares Gas, insbesonders Argon, verwendet, weil atomare Gase dem idealen Zustand am nächsten kommen. Argon ist besonders vorteilhaft, da es die schlechte Pumpleistung bzw. den hohen Diffusionskoeffizienten von Helium vermeidet und eine wirtschaftlichere Wahl ist als etwa Neon, Xenon oder Krypton.
Die Vorrichtung zur Überführung realer, reaktiver Gasgemische mit stark variabler Fugazitat in einen stabilen, inerten Gaszustand konstanter und niedriger Fugazitaet bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C, mit zumindest je einem Eingang für das Gasgemisch und ein Inertisierungsgas und zumindest einem Ausgang für das inertisierte Gasgemisch, ist zur Lösung der oben beschriebenen Aufgaben erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein dem Eingang für das Gasgemisch nachgeschaltetes Regelventil, vorzugsweise ein Gasvolumen-Regelventil, einen daran anschließenden Hochvakuum- Abschnitt und zumindest einen nachfolgenden inerten Verdichter. Zur Behandelbarkeit von Gasgemischen auch unter im wesentlichen nur Atmosphärendruck ist die Vorrichtung vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe für das Gasgemisch mit dem Regelventil verbunden und über einen weiteren Bypass-Ausgang in die Umgebung entlüftet ist.
Wenn der Hochvakuum-Abschnitt für einen Absolutdruck von 1 bis 7 mbar und eine Temperatur von 60 bis 80 °C ausgelegt ist, kann darin ein dem idealen Gas am nächsten kommender Zustand eingestellt werden.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Verdichter vorgesehen, wobei hinter dem ersten Verdichter ein gasartunabhängiger Drucksensor eingesetzt und mit dem vorzugsweise als Propor- tional-Regelventil ausgelegten Regelventil steuernd verbunden ist.
Gemäß einer noch vorteilhafteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Verdichter vorgesehen sind, wobei der dem Drucksensor nachgeschaltete nächste Verdichter und der nachfolgende Abschnitt der Vorrichtung für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar ausgelegt sind. Dadurch wird das Gasvolumen gegenüber den Toträumen des Systems erhöht und ein schnelleres Ansprechen erreicht.
Idealerweise ist die Vorrichtung gekennzeichnet durch zumindest vier Verdichter, wobei der zweite Verdichter und der nachfolgende Abschnitt der Vorrichtung für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar ausgelegt sind, der dritte Verdichter und der nachfolgende Abschnitt der Vorrichtung für einen Ausgangs-Absolutdruck von ca. 200 mbar ausgelegt sind und der vierte Verdichter für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 1 bis 2 atm ausgelegt ist.
Um die Erhöhung des Gasvolumens vorteilhafterweise in die Inertisierung des Gasgemisches miteinzubeziehen, ist vorgesehen, dass eine Zufuhr-Leitung für das Inertisierungsgas in den Bereich hinter dem, dem Drucksensor nachgeschalteten Verdichter mündet.
Die Hauptmenge des Inertisierungsgases wird jedoch vorteilhafterweise derart zugeführt, dass eine Zufuhr-Leitung für das Inertisierungsgas in den Bereich vor dem, dem Ausgang der Vorrichtung unmittelbar vorhergehenden Verdichter mündet.
Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass in der Zufuhr-Leitung eine Drossel eingesetzt ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in zumindest einer der Zufuhr-Leitungen für das Inertisierungsgas ein Regelventil, vorzugsweise ein Gasvolumen-Regelventil, eingesetzt, vorzugsweise in der Zufuhrleitung in den Bereich vor dem, dem Ausgang der Vorrichtung unmittelbar vorhergehenden Verdichter. Vorteilhafterweise geht vom Regelventil die weitere Zufuhr-Leitung in den Bereich hinter dem, dem Drucksensor nachgeschalteten Verdichter aus.
Die optimale Menge an Inertisierungsgas kann in einfacher und verlässlicher Weise dadurch sichergestellt werden, dass zwischen dem letzten und vorletzten Verdichter der Vorrichtung ein gasartunabhängiger Drucksensor eingesetzt und mit dem vorzugsweise als Proportio- nal-Regelventil ausgelegten zweiten Regelventil steuernd verbunden ist.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Regelventile und Verdichter voneinander unabhängig-
Eine Inertisierung mit einem Gas, welches dem idealen Gas am nächsten kommt, ist möglich, wenn ein Anschluß an oder direkt eine ein Quelle eines atomaren Inertisierungsgases vorgesehen ist, vorzugsweise eine Argongas-Quelle. Argon ist dabei die wirtschaftlichste Alternative und vermeidet die physikalisch ungünstigen Eigenschaften von Helium.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei die Zeichnung eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier Verdichterstufen ist.
Am Eingang der Vorrichtung I stehen vier heiße Einlasse 1 für das Gasgemisch, ein Kalibriergaseinlaß 2 und der Gasanschluß 3 für das Inertisierungs- bzw. Verdünnergas zur Verfügung. Die Gasströme können bis zu 6 bar bei 200 °C haben. Über Schaltventile 4 lassen sich die unterschiedlichen Gasströme anwählen. Die Gasgemische, insbesonders aus Reformern und Brennstoffzellen sind hoch variabel in Ihren Zusammensetzungen der Einzelkomponenten von 0 bis 40 bzw 60 Vol% und haben eine sehr hohe Fugazitat - sind also in Ihren Eigenschaften weit weg von denen idealer Gase. Sie stehen typischerweise unter 4 bar bei bis zu 300 Celsius. Damit erleben sie beim Entspannen in die Atmosphäre und zu niederen Temperaturen eine große Änderung ihrer Zustandssumme. Darüberhinaus unterliegen die Gasgemische auf Grund der hohen Konzentrationen reaktiver Spezies katalytischen Effekten an den Grenzflächen der Gasleitungen - z. B. wird sich Ameisensaure aus
CO+H20— >HCOOH und
C02+H2 >HCOOH in den Gasleitungen bilden.
Schließlich sind in diesen Gasgemischen die Adsorptionsisothermen, d.h. die Adsorptionskoeffizienten der einzelnen Spezies an Oberflächen sehr unterschiedlich, was zu starken zeitlichen Signalverschmierungen in den Meßgeräten führt und liegen die Taupunkte im Gas- gemisch so hoch, daß Kondensationen erfolgen. Einer oder mehrere der angeführten Punkte vereiteln eine genaue quantitative Analyse der Gaszusammensetzungen oder einer ihrer Komponenten.
Der ausgewählte Gasstrom umspült vorzugsweise ein Proportionalgasvolumenregelventil 5. Der minimale Volumenstrom muß je nach Einstellung der Anlage zwischen 10 und 200 ml/min betragen. Stehen die Gase nur bei Atmosphärendruck zur Verfügung, kann durch Aktivieren der Pumpe 6, an die die aus der Vorrichtung I hinausgeführten Bypass-Leitung 7 angeschlossen ist, das Gas am Regelventil 5 vorbeigespült werden. Das Regelventil 5 gibt einen kleinen Teilstrom des Gases an das Hochvakuum im Leitungsabschnitt 8. Dieser Gasstrom liegt im Bereich 10 bis 200 ml . An diesem Regelventil 5 findet der Phasenübergang zu einem Absolutdruck von 1 bis 7 mbar und einer Temperatur von 60 bis 80 C statt. Dies ist der Schritt zum idealen Gaszustand, den jedes reale Gas im Übergang von Druck gegen 0 erfährt
Danach folgt ein erster Verdichter 9, wobei entscheidend ist, dass diese und alle anderen Pumpstufen des Systems inert sind, d.h. ohne Öl als Betriebsmittel ausgefuehrt sind. Anderenfalls würde der Wasserstoff im Gasgemisch nicht nur dieses Öl veraendern, sondern es wäre auch die Messbarkeit von Kohlenwasserstoffen ziemlich jeder Art unmöglich. Nach der ersten Kompressionsstufe 9 wird dieser Absolutdruck von einem kapazitiven und damit gasartunab- hängigen Drucksensor 10 bestimmt und mit einer Auflösung von 100 mV/mbar in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird in einem Operationsverstärker mit einem Sollwert verglichen und steuert über Stromtreiber den Magnetstrom und damit den Hub bzw. die Öffnung des Regelventils 5. Dies ist der Schritt zur Kompensation von Fugazitätsvariationen, die als Viskositätsvariationen die Gasmenge durch das Regelventil 5verändem.
Nach der nächsten, zweiten Kompressionsstufe 1 1 wird ein kleiner Gasstrom von Inertisierungsgas über eine Kapillardrossel 12 zugeführt, sodaß sich der Absolutdruck des Gasgemisches im Abschnitt 13 auf ca. 15 bis 20 mbar erhöht. Dies dient zur Erhöhung des Gasvolumens gegenüber den Totvolumina der Pumpenteile und resultiert in schnelleren Ansprechzeiten des Gesamtsystems. Die Zuführung des Inertisierungsgases erfolgt über die Leitung 14, in der die Drossel 12 eingesetzt ist.
Nach der dritten Kompressionsstufe 15 wird nun der Hauptstrom des Inertisierungsgases über ein weiteres Proportionalregelventil 16, welches ebenso über den Vergleich eines Sollwertes mit dem Signalwert eines weiteren Absolutdrucksensors 17 gesteuert wird, als Gasmenge von 2 bis 50 l/min dem System zuführt. In der vierten Kompressorstufe 18 schließlich wird das inertisierte Gasgemisch auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm gebracht . Damit steht das iner- tisierte Gasgemisch am Ausgangsabschnitt 19 im gewünschten Zustand niedrigster Fugazitat zur Verfügung.
Die einzelnen Kompressionsstufen 9, 11 , 15, 18 der Anordnung können wie Impedanzwandler in der Elektronik angesehen werden. Es ist technisch entscheidend, daß die einzelnen Gasregelstufen des Eingangs, d.h. des Ventils 5, sowie der Verdünnung voneinander unabhängig arbeiten können. Diese Entkoppelung wird durch die aufeinanderfolgenden, unabhängigen Verdichterstufen 9, 1 1 , 15, 18 ermöglicht.
Von großer Bedeutung ist die Verwendung eines atomaren Gases -speziell des Argons als Inertisierungsgas, weil atomare Gase dem idealen Zustand näher sind als zwei- oder mehratomige Gase. Die Verwendung von Helium scheidet wegen der schlechten Pumpleistung bzw. wegen des hohen Diffusionskoeffizienten aus, Neon .Krypton, Xenon wegen der hohen Kosten.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Überführung realer, reaktiver Gasgemische mit stark variabler Fugazitat in einen stabilen, inerten Gaszustand konstanter und niedriger Fugazitaet bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des ursprünglichen Gasgemisches in ein Hochvakuum abgegeben und anschließend in zumindest einer inerten Verdichtungsstufe unter Zugabe eines Inertisierungsgases auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Volumenstrom zwischen 10 und 200 ml/min beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch zwangsweise, insbesonders mittels einer Pumpe, am Regelventil vorbeigespült wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch bei der Abgabe ins Hochvakuum einem Phasenübergang zu einem Absolutdruck von 1 bis 7 mbar und einer Temperatur von 60 bis 80 °C unterworfen wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch nach der Abgabe ins Hochvakuum anschließend in zumindest einem Schritt auf einen Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar verdichtet wird, wobei vorzugsweise zusätztlich ein Inertisierungsgas zugeführt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung in mehreren, vorzugsweise zwei, Stufen erfolgt.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in zumindest einerweiteren Verdichtungsstufe auf einen Absolutdruck von ca. 200 mbar gebracht wird, wobei zusätzlich Inertisierungsgas zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertisierungsgas in einer Menge von 2 bis 50 l/min zugeführt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in zumindest einer weiteren Verdichtungsstufe auf einen Absolutdruck von 1 bis 2 atm gebracht wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Entspannungs-, Verdünnungs- und Verdichtungstufen voneinander unabhängig arbeiten.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertisierungsgas ein atomares Gas, insbesonders Argon, verwendet wird.
12. Vorrichtung zur Überführung realer, reaktiver Gasgemische mit stark variabler Fugazitat in einen stabilen, inerten Gaszustand konstanter und niedriger Fugazitaet bei atmosphärischem Druck und Temperaturen kleiner 150 °C und Taupunkten kleiner 60 °C, mit zumindest je einem Eingang für das Gasgemisch und ein Inertisierungsgas und zumindest einem Ausgang für das inertisierte Gasgemisch, gekennzeichnet durch ein dem Eingang (1) für das Gasgemisch nachgeschaltetes Regelventil (5), vorzugsweise ein Gasvolumen- Regelventil, einen daran anschließenden Hochvakuum-Abschnitt (8) und zumindest einen nachfolgenden inerten Verdichter (9, 11 , 15, 18).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (6) für das Gasgemisch mit dem Regelventil (5) verbunden und über einen weiteren Bypass-Ausgang (7) in die Umgebung entlüftet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvakuum- Abschnitt (8) für einen Absolutdruck von 1 bis 7 mbar und eine Temperatur von 60 bis 80 °C ausgelegt ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Verdichter vorgesehen sind, wobei hinter dem ersten Verdichter (9) ein gasartu- nabhängiger Drucksensor (10) eingesetzt und mit dem vorzugsweise als Proportional- Regelventil ausgelegten Regelventil (5) steuernd verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Verdichter vorgesehen sind, wobei der dem Drucksensor (10) nachgeschaltete nächste Verdichter (11) und der nachfolgende Abschnitt (13) der Vorrichtung für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar ausgelegt sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter (1 1) und der nachfolgende Abschnitt der Vorrichtung für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 15 bis 20 mbar ausgelegt sind, der dritte Verdichter (15) und der nachfolgende Abschnitt der Vorrichtung für einen Ausgangs-Absolutdruck von ca. 200 mbar ausgelegt sind und der vierte Verdichter (18) für einen Ausgangs- Absolutdruck von ca. 1 bis 2 atm ausgelegt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr-Leitung (14) für das Inertisierungsgas in den Bereich hinter dem, dem Drucksensor (10) nachgeschalteten Verdichter (1 1) mündet.
19. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr-Leitung für das Inertisierungsgas in den Bereich vor dem, dem Ausgang (19) der Vorrichtung unmittelbar vorhergehenden Verdichter (18) mündet.
20. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zufuhr-Leitung (14) eine Drossel (12) eingesetzt ist.
21. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Zufuhr-Leitungen für das Inertisierungsgas ein Regelventil (16), vorzugsweise ein Gasvolumen-Regelventil, eingesetzt ist, vorzugsweise in der Zufuhrleitung in den Bereich vor dem, dem Ausgang (19) der Vorrichtung unmittelbar vorhergehenden Verdichter (18).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass vom Regelventil (16) die weitere Zufuhr-Leitung (14) in den Bereich hinter dem, dem Drucksensor (10) nachgeschalteten Verdichter (11) ausgeht.
23. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem letzten (18) und vorletzten (15) Verdichter der Vorrichtung ein gasartu- nabhängiger Drucksensor (17) eingesetzt und mit dem vorzugsweise als Proportional- Regelventil ausgelegten zweiten Regelventil (16) steuernd verbunden ist.
24. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Regelventile und Verdichter voneinander unabhängig sind.
25. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluß (3) an oder direkt eine ein Quelle eines Inertisierungsgases vorgesehen ist, vorzugsweise eine Argongas-Quelle.
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