WO2010003661A1 - Test stand with controllable or regulable restrictors - Google Patents
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- G01N35/1095—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices for supplying the samples to flow-through analysers
Definitions
- the present invention relates to the control or regulation of fluid streams in test stands, which comprise a multiplicity of reaction vessels arranged in parallel, which are connected to a fluid supply common to all reaction vessels.
- the test stands according to the invention are preferably used in the field of high-throughput analysis of catalysts.
- the test stand comprises at least two, preferably at least four, more preferably at least six reaction vessels arranged in parallel.
- each reaction vessel comprises at least one feed line (upstream of the reaction vessel, seen in the direction of flow of the supplied fluid) and at least one discharge line (downstream of the reaction vessel, viewed in the direction of flow of the supplied fluid).
- all the reaction vessels of the test stand are connected to at least one fluid supply common to all the reaction vessels.
- the supply lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance in each case.
- At least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which in each case has the restrictor (or the restrictors, if two or more restrictors are connected to at least one heating / cooling means) a different temperature can heat (cool) than the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel.
- the restrictors are preferably capillary restrictors.
- restrictors that is to say of flow resistances or flow restrictors for regulating or limiting fluid flows
- This principle of fluid control is based on that a differential pressure (often referred to as “pressure difference” or “pressure drop”) via a restriction, ie a flow resistance, is specified and thus the flow of fluid through the restrictor is determined or limited.
- pressure difference often referred to as "pressure difference” or “pressure drop”
- restriction ie a flow resistance
- Such fluid restriction can be achieved with a variety of different types of restrictors, such as needle valves (flow restrictors), mass flow controllers (controllable and / or variable flow resistors), pinhole diaphragms or capillary restrictors, ie narrow tubes.
- restrictors arranged in parallel are preferably used for this purpose.
- this patent discloses a flow divider with the aid of which a fluid flow can be subdivided into a plurality of smaller subunits, wherein the distribution of the flows is effected by a corresponding number of parallel arranged capillary ducts.
- the parallel arranged Kapillar grisle screw
- a six-fold parallel reactor with a single common fluid supply is disclosed in Figure 1 on page 159 and in the accompanying text
- the educt fluid is split in the splitter "S” and in interaction with the mass flow controllers "FC" as flow resistances
- FC mass flow controllers
- six equal flows enter the six parallel reactors, with the mass flow controllers representing the largest flow resistances in the system and thus producing the largest (and equal) pressure drop required for equal distribution in the six para llelen reactors six different catalysts under otherwise identical conditions to be investigated.
- the advantage of such actively controllable and controllable mass flow controller is that not only an equal distribution can be achieved, but also each desired (same) educt flows can be set or changed during the reaction.
- WO 99/64160 Passive (ie non-controllable) restrictors in the form of capillary restrictors, pinhole diaphragms or microchannels for use in parallel test stands are disclosed in WO 99/64160 as equivalent and interchangeable with active mass flow controllers (see for example page 7, lines 11-20 and page 13, lines 18-26). WO 99/64160 also relates to the parallel investigation of catalysts under the same conditions.
- one of the objects of the present invention is to provide test stands for the high-throughput research of catalysts which are as variable as possible in the setting of experimental parameters, in particular also with respect to the educt gas flow through the - A -
- test stand comprises at least two, preferably at least four, more preferably at least six, parallel arranged reaction vessels.
- each reaction vessel comprises at least one feed line (upstream of the
- Reaction vessel seen in the flow direction of the supplied fluid
- at least one discharge downstream of the reaction vessel, seen in the flow direction of the supplied fluid
- all the reaction vessels of the test stand are connected to at least one fluid supply common to all the reaction vessels.
- Each reaction vessel comprises at least one restrictor, which preferably has the same flow resistance in each case.
- at least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which in each case heat the restrictor to a different temperature
- the restrictors are capillary restrictors.
- At least two restrictors are in thermal and / or physical contact with at least one heating and / or cooling means which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature than the ambient temperature and the temperature of the respective reaction vessel.
- the particular advantage of controlling and / or cooling a restrictor in a controlled and separate manner from the other components of the test rig is that it allows the flow through the restrictors without moving mechanical components, such as those in valves or flow regulators, to be easily controlled can, primarily by the fact that the temperature dependence of the viscosity of fluids is utilized.
- At least two means for heating (and / or cooling) are present per test stand, which are each in thermal and / or physical contact with at least one restrictor. Furthermore, at least one means for heating / cooling is independent of at least one other means for heating / cooling, i. in particular adjustable to a different temperature. In this embodiment, it is possible to control two or more identical restrictors in a test stand with a single Eduktfluidzussel by applying different temperatures to different flow resistance and thus flows.
- all restrictors each comprise a means for heating, which are each independently controllable and / or controllable.
- This embodiment makes it possible to set each of the restrictors to a different flow resistance and thus the flows or to control the GHSV individually by the restrictors, but without the need for mechanically moving parts, and all this using a single fluid supply for all reaction vessels.
- the (capillary) restrictors controllable or controllable via means for heating and / or cooling can preferably also be integrated into at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup in each case comprising at least two, more preferably at least three, more preferably at least four reaction vessels arranged in parallel includes.
- each reaction vessel of the at least two subgroups comprises at least one supply line and at least one discharge line.
- all reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one fluid supply common to all reaction vessels.
- the feed lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance within each subgroup, it being preferred that the flow resistance between the restrictors of the subgroups is different (under otherwise identical conditions, ie the same pressure and temperature ).
- at least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature than the ambient temperature and the temperature of the respective reaction vessel.
- the restrictors are capillary restrictors.
- FIG. 1 shows different embodiments for capillary restrictors: capillary restrictor (01) comprises six windings, capillary restrictor (02) three windings and capillary restrictor (03) two windings; (04), (05) and (05 ') are capillary restrictors whose input and output
- FIG. 1 shows a schematic section through a Kapillarrestriktor (31), which is enclosed by a temperature sensor (501) comprising means for heating (21), wherein the conduit (701) is the connecting line to the heating controller or for control.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a heatable capillary restrictor module comprising five capillary restrictors, the capillary restrictors being screwed into the housing of a capillary restrictor module.
- the five capillary restrictors can have the same lengths and inside diameters or in length and the
- Inner diameters differ from each other.
- FIG. 4 shows the top view of a capillary restrictor module, wherein the capillary restrictors are fastened in a holding web (604), whereby they are secured against rotation.
- Figure 5 shows the EMSR scheme of a capillary heating control equipped with a heating jacket.
- FIG. 6 shows a schematic representation of a catalytic converter which comprises ten reaction vessels (101, 102,... 110) connected in parallel and which is equipped with two different types of controllable capillary restrictors (220-229).
- the capillary restrictors (220, 221, ... 224) have a greater flow resistance than the capillary restrictors (225, 225) at the same operating temperature and under the same pressure conditions.
- FIG. 7 shows an apparatus corresponding to FIG. 6, wherein the apparatus is additionally provided with pressure-holding gas and pressure-buildup gas, which are indicated only schematically.
- capillary restrictors are flow resistances, which geometrically characterized in that they can be described in the interior substantially as “tubular” (ie have a characteristic mean inner diameter), and that they have a characteristic length which is at least a hundred times, preferably a thousand times, preferably two thousand times larger or ten thousand times larger as the characteristic mean diameter.
- the pressure drop of a flowing fluid is essentially determined by the so-called "Hagen-Poiseuille" law, ie the pressure drop increases substantially linearly with the length of the capillary restrictors and increases substantially to the fourth power As the diameter of the capillary restrictors decreases, the longer and / or narrower the capillary restrictors, the greater the pressure drop or flow resistance.
- the characteristic mean inner diameter of capillary restrictors is preferably at least by a factor of two or three, preferably by a factor of five or by a factor of ten smaller than the inner diameter of those pipelines leading to these capillary restrictors or also away from the capillary restrictors, ie the zu and derivatives.
- the internal diameter of preferred capillary restrictors in the context of the present invention is less than 250 ⁇ m, preferably the internal diameter is less than or equal to 150 ⁇ m and more preferably less than or equal to 100 ⁇ m.
- the length of the capillary restrictors is preferably in a range of 0.05 to 30 m, with a length of 0.1 m to 15 m being preferred; particularly preferred is a length of 0.2 m to 6 m.
- Capillary restrictors with a diameter in the micrometer range and a length in the meter range can be within the meaning of the present invention particularly well with respect to the pressure drop, ie the flow resistance generated, regulate or control, since the fluid is heated or cooled over a long distance can, and thus a larger amount of fluid can be heated or cooled, so a major change in the flow can be achieved (the flow resistance itself is independent of the volume and depends only on the viscosity of the medium and the length and Diameter of the capillary restrictors).
- it is preferred that to increase the flow resistance not primarily the diameter of the capillary restrictor is reduced, but primarily its length is increased.
- a capillary restrictor As a flow resistance, it is advantageous if the capillary and the fluid contained in the capillary experience the most uniform possible through-heating.
- tempering inhomogeneities of the heating
- a statistical averaging is done in this regard and, consequently, this shortcoming does not (so much) affect the overall resistance of the restrictor.
- the radial heating takes place at inner diameters of the capillary up to 500 ⁇ m within a capillary length of a few centimeters. Among other things, this is one reason why the use of capillaries is particularly advantageous if their diameter is less than 500 ⁇ m.
- the flow resistance of a restrictor in particular of a capillary restrictor, can be calculated assuming laminar tube flow in particular according to the following relationship:
- the flow resistance is the quotient of [viscosity of the flowing medium x length of the capillary] and [radius of the capillary to the fourth power] (see for example, chapter 3.3.3 of the physics textbook "Physics” by Gerthsen, Kneser and Vogel, 15th edition, Springer Verlag, 1986).
- the flow resistance is thus an intrinsic property of the restrictor, in particular, as in the case of the equation given above, of a capillary restrictor, and can be assigned to any capillary restrictor absolutely. If, for the purposes of the present invention, flow resistances are to be compared with one another, they should be compared under the same conditions, unless they are explicitly stated otherwise, in particular at the same pressure and at the same temperature.
- a "same" flow resistance it is meant that the flow resistances compared with otherwise identical conditions (in particular at the same temperature and at the same pressure) with respect to one and the same medium flowing through them with a fault tolerance of ⁇ 10% are the same.
- two flow resistances are regarded as "different” if they are at least 10%, preferably at least 20%, under the conditions given above, ie in particular when flowing through the same fluid and at the same pressure and the same temperature in the flow resistance. , more preferably by at least 50%, and more preferably by at least 100%.
- microchannels correspond in terms of geometry and effect as a restrictor to the pipeline-based capillary restrictors, such microchannels are also regarded as "capillary restrictors" for the purposes of the present invention.
- capillary restrictors used are glass capillary restrictors, ceramic capillary restrictors or stainless steel capillary restrictors, the use of glass capillary restrictors or ceramic capillary restrictors being preferred.
- capillary restrictors which consist of an "elastic” ceramic material, that is to say a ceramic material with a modulus of elasticity ("Young's Modulus") of less than 90 GPa, preferably less than 70 GPa.
- These capillary restrictors preferably consist of "drawn” glass and in particular preferably of "fused silica” or “fused quartz” or mixtures of these and other ceramic materials.
- Such ceramic capillary restrictors are actually known in another technical field, namely the field of chromatography as support materials for gas chromatographic separation columns. Due to the high commercial relevance of chromatographic methods, these capillary restrictors are well developed and cost-effectively available on the market. It has now been shown that these actually come from another application ceramic capillary restrictors just Also suitable for use in test stands for high-throughput testing of catalysts.
- Such restrictors in particular fused silica capillary restrictors, can also be wound up well on rolls or turned into spirals ("wound
- Wrapped capillaries are described by the column length, the number of turns per unit length and the mean diameter of a turn.
- the turns have an average diameter in the range of 5 cm to
- Wound or twisted capillary restrictors can be heated particularly effectively and in a space-saving manner by the heating effect of adjacent windings.
- At least one means for heating and / or cooling comprises at least one temperature sensor (“thermocouple”) and / or comprises at least one restrictor, preferably capillary restrictor, at least one temperature sensor.
- the means for heating and / or cooling and the temperature sensors of at least two or more capillary restrictors are each connected to the same control device, it being preferred that the means for heating and / or cooling and temperature sensors for each at least four capillary restrictors each having the same temperature control or control device are connected. In particular, it is preferred that the means for heating and / or cooling and temperature sensors of at least eight capillary restrictors are each connected to the same temperature control or control device.
- means for heating and / or cooling are preferably used for the purposes of the present invention, wherein the means for heating preferably comprise heating foils, heating plugs, heating cords, heating tapes or heating casings. Heating tapes or heating cords may, for example, enclose capillary restrictors or be turned into a coil together with the capillary restrictors. It is also preferred that a capillary restrictor is first turned into a coil independently of the means for heating and subsequently encased by the heating element.
- Means for cooling are preferably realized via a heat exchanger, for example a fluid cooling.
- a means for heating is to be regarded as a "means for changing the temperature", and therefore also includes a means for cooling or for heating and for cooling.
- metal capillary restrictors are used as restrictors, they are preferably flowed through directly by electric current, so that the
- Capillary restrictors can act as a means of heating itself. Furthermore, it is preferable to position the capillary restrictors in a metal jacket tube and connect this jacket tube - analogous to the aforementioned metal capillary restrictors - directly to a power source and to use as a means for heating. Inside the heating jacket tube, capillary restrictors should preferably be made of electrically insulating materials.
- Capillary restrictors made of electrically insulating materials for example fused silica capillary restrictors, are preferably provided with a temperature-resistant, electrically conductive layer, which can then be used for heating.
- the individual windings are preferably electrically insulated both side by side and in layers, so that no unheated loops can be formed by electrical bridging.
- a coating of a heat-resistant lacquer is used for electrical insulation.
- the capillary restrictor or the metal tube enclosing the capillary restrictor is used both as a means for heating and as a temperature sensor, with the proviso that the metal has a temperature-dependent resistance.
- the temperature of the individual capillary restrictors is preferably absorbed by temperature sensors which are in direct contact with at least part of the restrictor, for example a capillary wall. It is also possible that a single capillary restrictor is provided with a plurality of temperature sensors, or the heating element itself is the thermocouple.
- the temperature of the individual capillary restrictors can preferably be varied within a range from room temperature to 350 ° C. If the Kapillarrestriktor consists of a heat-resistant material, eg. Stainless steel, the Kapillarrestriktor can also be operated at temperatures above 350 0C. Capillary restrictors are preferably also cooled.
- the reaction products flowing out of the reaction vessels and / or (unreacted) starting materials are analyzed in at least one analyzer (eg a hot gas flow analyzer). It is preferred that the outflows of the individual reaction vessels, and thereby the outflows of individual reaction vessels, each can be analyzed separately, for example by using at least one selection valve, which the outflow of each reaction vessel to at least one Detector can switch, while the outflow of the other reaction vessels is not analyzed or otherwise analyzed.
- the use of parallel detectors as an analyzer is preferred.
- Further preferred detectors may be: ND-IR (non-dispersive IR spectrometer), IR (dispersive IR spectrometer), GC (gas chromatography), GC-MS (gas chromatograph with mass spectrometer coupling), MS (mass spectrometer), UV (ultraviolet spectrometer) , FID (Flame Ionization Detector), WLD (Thermal Conductivity Detector), Heat Capacitance Detector, ECD (Electron Capture Detector for High Electronegative Group Components), PID (Photoionization Detector), PED (Photoemission Detector).
- ND-IR non-dispersive IR spectrometer
- IR disersive IR spectrometer
- GC gas chromatography
- GC-MS gas chromatograph with mass spectrometer coupling
- MS mass spectrometer
- UV ultraviolet spectrometer
- FID Fluor
- WLD Thermal Conductivity Detector
- the analyzer is preferably connected to a process controller, wherein in a preferred embodiment it is possible to adjust the flow resistance of individual capillary restrictors by calibrating the analyzer's signal from the process controller to control at least one means for heating and / or cooling is used to adjust by settings of a predetermined Schut. Cooling power desired flow amounts of fluid flow, which flows through the capillary restrictors to control or regulate.
- the adjustment of the flow rate per restrictor is preferably carried out via a feedback circuit with the analyzer, more preferably before the actual catalytic examination is started.
- a gaseous substance (a so-called “tracer component") unaffected by the reaction, to which the analyzer reacts selectively, can serve as a reference fluid for adjusting the flow resistance by temperature regulation.
- the means for heating / heating or the means for heating / cooling at least to some extent allows the active setting and / or calibration of a basically "passive" Restriktorimplantations, in particular a Kapillarrestriktors.
- the present invention relates to a capillary reactor module (07) and its use.
- the capillary reactor module is preferably a solid frame in which two or more, preferably four or more, capillary restrictors are installed against rotation and grouped next to one another.
- Such a module is characterized by a high degree of flexibility and easy handling in connection with assembly and maintenance work to be carried out on a catalytic converter.
- Capillary restrictors are often delicate components that are subject to heavy stress due to extreme chemical and thermal conditions and high pressures, and thus may be susceptible to wear and aging.
- the term "extreme" chemical conditions implies that the capillary restrictors are reactive chemical substances may be exposed, which cause a change in the surface structure or can lead to a blocking of the restrictor by deposits.
- Valves are attached are delicate and filigree.
- the capillary restrictors may cause defects and / or blocking and consequent disturbances or leaks.
- the defect sites are often difficult to find and a complex troubleshooting can cause delays in the
- the capillary restrictors are provided in capillary restrictor modules according to a preferred embodiment of the present invention, which are compact frames having two or more capillary restrictor elements and which comprise at least one heating and / or cooling means and at least one temperature probe per module.
- each individual Restriktorelement is preferably equipped with its own means for heating and / or cooling and / or its own temperature sensor.
- all capillary restrictors of a module with a means common to all these capillary restrictors for heating and / or cooling are in thermal or physical contact.
- the advantage of the capillary restrictor module is that it is a compact and robust component that is easy to handle, as it can preferably be mounted in the catalytic converter by means of metal or quick connect couplings in a time-saving and trouble-free manner.
- the testing and testing of the capillary reactor module on its functionality and the determination of its technical properties can be carried out before its installation in the catalytic converter with the aid of a separate test stand, see above that the time for the construction or maintenance of the catalytic converter can be considerably shortened.
- This separate test rig is simpler in construction, so that the measuring time on the catalytic converter itself can be minimized for the testing of capillary restrictors.
- two or more capillary restrictors are combined to form a module (07), preferably four or more capillary restrictors.
- the frame (600) or the housing of the module comprises a good heat-conducting material, so that over the block also a temperature control of the capillary restrictors is possible.
- the temperature of the block and thus also the capillary restrictors therein is preferably carried out on the side surfaces mounted heating plates.
- the module can also be heated by cartridge heaters inserted in the block. For heating the usual control circuits are used in the art.
- the capillary module (07) preferably comprises a metal block.
- the metal block is made of a good heat conducting material, such as copper, aluminum or brass.
- the largest surfaces are preferably parallel to each other.
- Grooves (601) are preferably introduced into the metal block in the plane of the largest surfaces ("side surfaces"). These grooves serve to accommodate capillary restrictors, for example made of steel, plastic or quartz.
- An even number of threaded holes are preferably introduced in the planes of the smaller surfaces ("upper or lower surface”) .
- the bores serve to receive a respective screwdriver (605, 605 '), preferably two of the threaded bores with one side open
- the screwdriver With the screwdriver, the fluidic connection of the module takes place on the one side, and the capillary restrictor (s) are sealed with the side turned into the thread of the metal block, so that the (optionally filigree) capillary restrictor module is no longer required.
- Capillary restrictors themselves, but rather only the screwdrivers are sealed. If gaps should occur in the grooves between two adjacent capillary restrictors, it is preferable to fill them by means of a compound (for example silicone) in order to ensure direct, thermally conductive contact with the capillary restrictors.
- At least one screwdriver comprises regularly divided and at least triangularly arranged surfaces between the two threads, wherein the surfaces are preferably quadrangular and more preferably hexagonal (see FIG. 4).
- the surfaces are preferably quadrangular and more preferably hexagonal (see FIG. 4).
- the screwdriver is equipped with a larger number of holding surfaces. These surfaces are used for mounting with a wrench and after completion of the recording as anti-rotation (see (604) in Figure 4).
- a pressure distribution disc (602, 602 ') on the base of the threaded bore.
- the fluidic sealing of a capillary restrictor at the bottom of the bore preferably occurs via sealing cones (603, 603 ') made of graphite or another sealing material which the person skilled in the art typically uses for the production of compression seals. Preferred materials are Teflon, fiber-densified polymers or PEEK.
- the actual sealing takes place via the compression of the sealing cone generated by the screwing force. After the drivers (605) have been tightened with the torque required to compress the sealing cones, they are secured against further rotation and thus against excessive tightening or against loosening during the assembly of the fluidic inlets and outlets by applying an anti-rotation device (604).
- leads and leads leading to the module and away from the module are provided with quick couplings.
- Catalyst tests in which the Kapillarrestriktoren invention and Kapillarrestriktormodule be used are preferably laboratory tests, with which in usually between 0.1 g and 50 g of catalyst are tested. It is preferred to use the capillary restrictors of the invention in conjunction with catalysis tests in which 0.2 g to 2 g of catalyst are tested, preferably less than 2 g of catalyst. However, it is advantageous that the Kapillarrestriktormodule invention are in principle suitable for catalytic tests in which - in relation to the laboratory scale - relatively large amounts of catalyst are tested.
- a problem frequently encountered in practice in the use of capillary restrictors relates to the fact that the channels of the capillary restrictors may possibly be easily blocked without this being directly noticeable. This leads to a greater variation or systematic shifts in the measurement data quality.
- the modularization and the heatability of the capillary restrictors according to the present invention helps to better characterize and monitor their properties so that an improved intervention in the occurrence of errors is possible.
- a further advantage of the use of capillary restrictors over the use of active mass flow controllers in test stands is that the capillary restrictors in the construction according to the invention can be operated at higher temperatures and pressures than is the case with active mass flow controllers. It is thus possible to control the catalytic test stands under operating conditions that are technically otherwise difficult to implement.
- the mechanical bending of capillary restrictors is another parameter by means of which the flow through the capillary restrictors can be controlled in addition to the thermal control or alternatively to the thermal control in a certain range.
- the bending consists either in the reversible shape change from a stretched to a wound capillary restrictor or the change in the winding number or the winding diameter.
- Such "bending” is preferably used in conjunction with “elastic” capillary restrictors (Young's modulus below 90 GPa or 70 GPa), in particular with "fused silica” capillaries.
- a preferred arrangement for heating a capillary restrictor using the capillary restrictor as a temperature sensor consists of the following components, which are also shown in the EMSR scheme in Figure 7: heating element (300) (with integrated capillary) with terminals (301, 304), take-off points (302 , 303), reference point (305) of a subtractor (306), an S & H stage (307) (S & H stage), a P [ID] controller (308), an inhibit stage (310), an actuator (311), a power supply for the heating element (312), a constant current source (315), a freewheel device for the constant current source (314) and a higher-level timer (309).
- a constant current source (315) provides a current that is passed through the heating element (300).
- the feeding of the constant current is carried out as far as possible from the ends of the heating element.
- the earth-side (301) and the voltage-side (304) feed-in point are used for feeding in.
- the voltage required for heating is supplied via the same feed-in points. Due to the electrical resistance of the heating element is formed via the heating element between the feed points, a voltage drop, which runs directly proportional to the resistance of the heating element according to the Ohm's law.
- the acceptance points (302 and 303) for this voltage are applied as close as possible to the feed points for the constant current (IT), by means of which the resistance is measured. This arrangement of the feed points results in the largest removable voltage and thus the largest measurement accuracy or measurement sensitivity.
- the acceptance points for UT (302 and 303) are associated with a subtracting stage (306). In this stage, the difference between the two acceptance points of UT is formed. As a result, disturbing influences, such as the electromotive force EMF suppressed from thermal stresses.
- the thus corrected signal is temporarily stored in the S & H stage (307).
- the task of the S & H stage (307) is to store the voltage representing the temperature during the time in which the heating voltage is applied.
- the S & H stage is connected to the actual value input of an at least Pl controller, preferably a PID controller (308).
- the control value output of the PID controller communicates with an inhibit stage (310), which signals the forwarding of the output signal the actuator (311) can completely suppress. In the activated state of the inhibit stage, the setpoint output can communicate directly with the actuator (312).
- the actuator (312) When the actuator (312) is deactivated by the inhibit stage (310), current flow through the actuator is suppressed to a technically feasible level.
- the leakage current supplied by the actuator is less than at least 1/1000 of the constant current IT.
- the control input of the actuator is in communication with the inhibit stage.
- the actuator is on the input side with the Schuputs provoke (312) and the output side with the tube acting as a heating element (300) in combination.
- the processing of UT in the described components can be realized both analogously as individual circuits and also digitally in a microprocessor system.
- the representation of the realization of the process in a digital microprocessor can be seen in FIG.
- the effective currents and voltages for heating as well as for the temperature measurement depend on the material and the electrically conductive cross-section of the capillary restrictor.
- Another aspect pertaining to the invention or an aspect directly related to the invention is a calibration device, wherein in a preferred embodiment the device is in an oven.
- the operation of the heating control cycle for the inventively heated Kapillarrestriktoren can be exemplified as follows:
- the subtractor is permanently fed the signal of the terminals UT.
- the temperature signal is available at the output of the subtracting during the time in which the actuator is disabled via the Inhibitch.
- the actuator closes the heating circuit, a significantly larger current flows through the heating element, so that also at the terminals UT a significantly larger voltage is applied.
- this significantly larger voltage has no significance for the temperature measurement, this period is advantageously hidden.
- the blanking takes place in the S & H stage, which is controlled via the higher-level timer (see FIG. 7).
- a higher-level timer synchronizes the sequence of the o.g. Operations.
- the timer activates the S & H stage and at the same time blocks the inhibit stage. This ensures that the heating element is only flowed through by the constant current of the constant current source.
- the voltage value applied after all transient effects of the electronics is stored in the S & H stage at the moment of their deactivation. Thus, at the S & H stage, after their deactivation, the stored signal is available regardless of any changes in the input signal.
- the actuator is activated via the inhibit stage and a heating cycle is performed.
- the S & H stage is activated and a new measurement cycle is thus carried out.
- the time for the complete cycle of a cycle should be short compared to the thermal inertia of the heating element.
- the thermal inertia of the heating element tT is given by the time in which the temperature in K decreases by 3% from the current value. In short, this means that the cycle tZ in tT is traversed at least ten times. It therefore applies tT ⁇ 10 * tZ.
- the restrictors are usually located in a surrounding oven, which itself has a temperature control device, this oven can be used in addition to control device for calibrating the device.
- the surrounding furnace is able to produce the desired temperatures.
- the capillary restrictors respectively tubes are at the same temperature as set on the regulator of the furnace. It must therefore be prevented, for example, that the Kapillarrestriktoren or pipes on any suspension points significantly heat is removed, or that the furnace heats unevenly. If the heater is not automatically located in a surrounding oven, it must be placed in an oven for calibration. It should be noted that the conditions are observed with respect to the mentioned uniform heating.
- the furnace control is set one after the other in the temperature range to be controlled later. After each new setting of a temperature is waited until a temperature equilibration has taken place. If the temperature compensation has taken place, the temperature voltage UT is measured by means of the processing system and the corresponding voltage value is stored in a memory; the same applies to the temperature value. After passing through a cycle of several different temperatures, at least two different temperatures, and preferably more than two, results in a collection of values by means of which the voltage values can be retrieved for later temperature determination. In a preferred implementation of the method according to the invention, the furnace is first set to the temperature in which the calibration is to be performed.
- This range is between 20 0 C and 500 0 C, preferably between 50 ° C and 300 0 C and in particular between 5O 0 C and 200 0 C. It is assumed that the temperature distribution of the furnace used is present, so that the temperature of calibrating Kapillarrestriktor or serving as a heater tube with an accuracy of +/- 0.5 K can be predicted.
- the temperature value serves as a reference value for temperature calibration.
- the temperature voltage is measured after the equilibration time has elapsed.
- the temperature voltage is assigned to a temperature in a memory.
- the test stand comprises at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup comprising at least two, more preferably at least three, more preferably at least four, parallel arranged reaction vessels.
- each reaction vessel of the at least two subgroups comprises at least one supply line and at least one discharge line.
- all reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one fluid supply common to all reaction vessels.
- the feed lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance within each subgroup, it being preferred that the flow resistance between the restrictors of the subgroups be different.
- At least one restrictor is preferably present in at least one subgroup, preferably all restrictors in this subgroup are in thermal and / or physical contact with at least one heating and / or cooling means which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature, as the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel.
- the restrictors are capillary restrictors.
- At least one heating means for at least one subgroup preferably per subgroup (in each case), which is common to at least one or preferably all of the restricers of the respective subgroup (s).
- at least one means for heating and / or cooling is the a subset independent of at least one other means for heating and / or cooling the at least one other subgroup to another temperature regulated.
- restrictors with different flow resistances in at least two subgroups offers the advantage that with respect to the test rig a larger regime at different flow rates or GHSV conditions (namely at least two) can be adjusted, despite this variability in the flow through the reaction vessels one and the same fluid supply can be used.
- a subgroup of restrictors there is at least one means for heating (and / or cooling) which is in thermal and / or physical contact with at least one restrictor.
- there is at least one heating / cooling means per subgroup at least one means for heating being independent of at least one other means for heating, i. in particular adjustable to a different temperature.
- old restrictors each comprise a means for heating, which are each independently controllable and / or controllable.
- This embodiment makes it possible to set each of the restrictors to a different flow resistance and thus to regulate the flows through the restrictors individually.
- the particular advantage of being able to heat and / or cool a restrictor in a controlled manner and separately from the other components of the test stand, in particular restrictors of a subgroup, is that the flow through the restrictors without movable mechanical components, such as those in valves, for example or flow regulators can be easily controlled, namely, that the temperature dependence of the viscosity of fluids is utilized.
- all the restrictors of the one subgroup are in thermal and / or physical contact with a first heating and / or cooling means common to all these restrictors, whereas all the restrictors of the at least one other subgroup are with one of the first means for heating and / or Cooling various second means for heating and / or cooling in thermal and / or physical contact, which can be regulated and / or controlled independently of the first means for heating and / or cooling preferably.
- this embodiment requires only one means for heating and / or cooling per subgroup of restrictors (and correspondingly only one control / control circuit), so it is particularly easy to set up and to handle.
- this comparatively simple construction in the two subgroups, by heating or cooling the restrictors in one (and “non-heating” or “non-cooling” or “different-heating” or “different-cooling” in the other Subgroup) at least two different fluid flows are set by the reaction vessels, and in each case the same educt flow (since all supply lines are in communication with a common fluid supply).
- all of the restrictors of at least one of the at least two subgroups are not in thermal and / or physical contact with a heating and / or cooling means which could heat (cool) the restrictors to a different temperature than the temperature the surroundings and as the temperature of the respective reaction vessel, whereas all restrictors of the at least one other subgroup are in thermal and / or physical contact with a means for heating and / or cooling common to these restrictors.
- the restrictors within each of the at least two subgroups at the same other conditions each have the same flow resistance, whereas the flow resistance of the restrictors of at least one subgroup of the flow resistance of at least one other subgroup to at least 10% different, preferably by at least 20%, more preferably by at least 50%.
- a catalytic test stand in the context of the present embodiment, it is preferred, as described above, for a catalytic test stand to comprise at least two subgroups of two, four, eight or more reaction vessels, that is to say a total of a large number of capillary restrictors. It will also be appreciated that improved and easy handling of the capillary restrictors is of great economic interest.
- a test rig having sixteen reactors in parallel may be equipped with 16 to 64 capillary restrictor elements (since capillary restrictors are not only used for reaction chamber inlet side fluid control as described above, but also reaction exit side for pressure reduction or uniform distribution of holding gas in many applications ), which then twice as many Kapillarrestriktorend Publishede and thus twice as many joints, ie 32 to 128 connection points, between capillary lines and connecting cables has.
- capillary restrictor module two or more capillary restrictors each comprise a means for heating and / or cooling or all capillary restrictors a common means for heating and / or cooling.
- test rig for parallel testing of catalysts under different flow conditions
- the test rig comprises at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup comprising at least two or three or four reaction vessels arranged in parallel and each reaction vessel of the at least two subgroups comprising at least one Supply line and at least one derivative includes and all Reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one reaction vessel common fluid supply, wherein the supply lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor, characterized in that the restrictors have the same flow resistance under the same other conditions within a subgroup, but between at least two subgroups have a different flow resistance.
- the restrictors are capillary restrictors.
- At least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which can respectively heat or cool the restrictor to a different temperature than the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel.
- At least one means for heating be independent of the at least one other means for heating and / or cooling, i. is adjustable to a different temperature.
- each subgroup comprises at least four or at least six reaction vessels and at least four or at least six restrictors.
- all restrictors of at least one subgroup each comprise a heating means common to all these restrictors.
- the flow resistance of the restrictors of the one subgroup is different from the flow resistance of the at least one other subgroup by at least 10%, preferably by at least 20%, more preferably by at least 50%. It is preferred that the restrictors are capillary restrictors having a characteristic length which is at least five hundred times greater than the characteristic mean diameter.
- the internal diameter of the capillary restrictors is preferably less than or equal to 250 ⁇ m and preferably the length of the capillary restrictors ranges from 1 m to 6 m.
- the Kapillarrestriktoren consist of a ceramic material having a modulus of elasticity or Young's modulus less than 90 GPa, preferably less than 70 GPa, and preferably consist of drawn glass, and further preferably consist of fused silica or fused quartz.
- At least one means for heating and / or cooling and / or at least one restrictor comprises at least one temperature sensor.
- reaction products flowing out of the reaction vessels and / or unreacted educts and / or specially added "tracer" fluids are analyzed in at least one analyzer and the control and / or regulation of the test stand is suitable for the flow resistance of individual capillary restrictors by adjusting or calibrating the signal of an analyzer by the controller and / or controller for controlling or controlling at least one means for heating and / or cooling, by setting a predetermined or calculated heating or Cooling power predetermined flow amounts of fluid flow passing through the Kapillarrestriktoren to control or regulate.
- capillary restrictors each equipped with a heating element and a temperature sensor were installed in a test stand.
- the capillary restrictors used in this case are fused silica capillary restrictors with an internal diameter of 75 ⁇ m and a length of 2 m.
- the capillary restrictors used in the experimental apparatus were connected to a compressed gas line, via a pressure regulator a desired Pressure difference along the individual capillary restrictors from the input side to the output side has been set.
- nitrogen was used as the compressed gas and a pressure difference of 20 bar was set.
- the temperature of the capillary restrictors was increased from 11O 0 C to 190 0 C, wherein in each case in temperature stages of 20 K, a determination of the flow rate was made.
- the flow rates are summarized in the table. By increasing the temperature by only 70 K, the flow can thus be reduced by about 30% by an otherwise unchanged capillary restrictor, ie set quasi active. In contrast to an active restrictor, for example, a flow controller with Nadeliochengstelle, but this no mechanically moving parts are necessary.
- Embodiment 2 In another series of tests, capillary restrictors were just installed in a test rig and the flow characteristics of gases in relation to the winding parameters were investigated. The results of the study are shown in Table 2.
- the capillary restrictors used in this case are fused silica capillary restrictors with an internal diameter of 75 ⁇ m and a length of 1.5 m.
- the capillary restrictors used in the experimental apparatus were connected to a compressed gas line, wherein a desired pressure difference along the individual Kapillarrestriktoren was adjusted from the input side to the output side via a pressure regulator.
- nitrogen and helium were used as the pressurized gas and various pressure differences were set.
- the capillary restrictors were tested at 25 ° C. Subsequently, the capillaries were wound up differently and also tested at different pressures.
- Table 2 lists the various winding parameters, number of windings, winding radius and winding length and the fluxes measured at different pressure differences, using nitrogen as the gas.
- the in the table 2 made pressure refers to the overpressure.
- the difference between the wound length and the total length of the capillary gives the length of the unwound capillary part.
- a loss (relative loss of flow rate) is calculated by comparing the measurements of un-wound capillary with those of the wound capillary. This is a maximum of 18.4%.
- Connection to the line (54) may be present - electronic connection line to the controller or control program of the apparatus - controller or control unit for controlling or controlling the heatable capillary restrictors - 110 - Reaction vessels - 210 - connecting lines between the controllable or controllable capillary restrictors and the reaction vessels - 229 - controllable or controllable capillary restrictors - heating element, 304 - connections, 303 - acceptance points - reference points for circuits (316) and (312) - subtraction stage - S & H stage (Sample & Hold stage is the same as sample memory,
- 602 602 'insert elements (for example washers)
- 605 'two-sided screw thread can at least be provided on one side with quick coupling or bayonet closure
- 607, 607 'screw connection with bushing (union nut) 608, 608 ', 609 "- corresponds to (605) (here with ⁇ eckiger mother and 12eckiger
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Abstract
The present invention relates to the control or regulation of fluid flows in test stands which comprise a multiplicity of reaction vessels which are arranged in parallel and which are connected to a fluid supply which is common to at least two reaction vessels. The test stands according to the invention are preferably used in the field of high-throughput testing of catalytic converters. Here, the test stand comprises at least two reaction vessels which are arranged in parallel. Here, each reaction vessel comprises at least one inlet line and at least one outlet line. Here, all the reaction vessels are connected to at least one fluid supply which is common to all the reaction vessels. The inlet lines to each reaction vessel comprise in each case at least one restrictor which preferably has in each case the same flow resistance. Here, each restrictor is in thermal and/or physical contact with at least one heating (cooling) means which can heat (cool) the restrictor in each case to a temperature which differs from the temperature of the environment and from the temperature of the respective reaction vessels.
Description
Teststand mit steuerbaren oder regelbaren Restriktoren Test stand with controllable or adjustable restrictors
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung beziehungsweise Regelung von Fluid- strömen in Testständen, welche eine Vielzahl von parallel angeordneten Reaktionsgefäßen umfassen, welche mit einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden sind. Die erfindungsgemäßen Teststände werden bevorzugt auf dem Gebiet der Hochdurchsatzuntersuchung von Katalysatoren eingesetzt.The present invention relates to the control or regulation of fluid streams in test stands, which comprise a multiplicity of reaction vessels arranged in parallel, which are connected to a fluid supply common to all reaction vessels. The test stands according to the invention are preferably used in the field of high-throughput analysis of catalysts.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Teststand zumindest zwei, vorzugsweise zumindest vier, weiter vorzugsweise zumindest sechs parallel angeordnete Reaktionsgefäße. Dabei umfasst jedes Reaktionsgefäß zumindest eine Zuleitung (stromaufwärts vom Reaktionsgefäß, in Flussrichtung des zugeführten Fluids gesehen) sowie zumindest eine Ableitung (stromabwärts vom Reaktionsgefäß, in Flussrichtung des zugeführten Fluids gesehen). Dabei sind alle Reaktionsgefäße des Teststands mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden. Die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß umfassen jeweils zumindest einen Restriktor, der vorzugsweise jeweils den gleichen Strömungswiderstand hat. Dabei steht zumindest ein Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches den Restriktor (beziehungsweise die Restriktoren, falls zwei oder mehr Restriktoren mit zumindest einem Mittel zum Heizen/Kühlen in Verbindung stehen) jeweils auf eine andere Temperatur heizen (kühlen) kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes.According to one embodiment of the present invention, the test stand comprises at least two, preferably at least four, more preferably at least six reaction vessels arranged in parallel. In this case, each reaction vessel comprises at least one feed line (upstream of the reaction vessel, seen in the direction of flow of the supplied fluid) and at least one discharge line (downstream of the reaction vessel, viewed in the direction of flow of the supplied fluid). In this case, all the reaction vessels of the test stand are connected to at least one fluid supply common to all the reaction vessels. The supply lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance in each case. At least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which in each case has the restrictor (or the restrictors, if two or more restrictors are connected to at least one heating / cooling means) a different temperature can heat (cool) than the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Restriktoren im Sinne der vorliegenden Erfindung um Kapillarrestriktoren.For the purposes of the present invention, the restrictors are preferably capillary restrictors.
Die Verwendung von Restriktoren, also von Strömungswiderständen oder Strömungsdrosseleinrichtungen zum Regulieren bzw. Begrenzen von Fluidströmen ist prinzipiell bekannt. Dieses Prinzip der Fluidsteuerung bzw. -regelung beruht darauf, dass
ein Differenzdruck (oft auch als „Druckdifferenz" bzw. „Druckabfall" bezeichnet) über eine Restriktion, also einen Strömungswiderstand, vorgegeben wird und damit der Durchfluss von Fluid durch den Restriktor bestimmt bzw. begrenzt wird. Eine solche Fluid- Restriktion kann mit einer Vielzahl von verschiedenen Arten von Restriktoren erreicht werden, beispielsweise mit Nadelventilen (Strömungsdrosseleinrichtungen), Massenflussreglern (Steuer- und/oder regelbaren Strömungswiderständen), Lochblenden oder Kapillarrestriktoren, also engen Rohren.The use of restrictors, that is to say of flow resistances or flow restrictors for regulating or limiting fluid flows, is known in principle. This principle of fluid control is based on that a differential pressure (often referred to as "pressure difference" or "pressure drop") via a restriction, ie a flow resistance, is specified and thus the flow of fluid through the restrictor is determined or limited. Such fluid restriction can be achieved with a variety of different types of restrictors, such as needle valves (flow restrictors), mass flow controllers (controllable and / or variable flow resistors), pinhole diaphragms or capillary restrictors, ie narrow tubes.
Soll ein einziger Fluidstrom auf eine Vielzahl von getrennten Einzelströmen aufgeteilt werden, so werden hierzu bevorzugt parallel angeordnete Restriktoren eingesetzt.If a single fluid stream is to be divided into a plurality of separate individual streams, restrictors arranged in parallel are preferably used for this purpose.
Dieses grundlegende Prinzip der Verwendung von Restriktoren zur Aufteilung von Fluid- strömen ist beispielsweise in der US 2 583 177 offenbart. Gemäß Spalte 1 , Zeilen 35 -This basic principle of using restrictors for dividing fluid streams is disclosed, for example, in US Pat. No. 2,583,177. According to column 1, lines 35 -
50 offenbart diese Patentschrift einen Strömungsteiler, mit dessen Hilfe ein Fluidstrom in eine Vielzahl von kleineren Untereinheiten unterteilt werden kann, wobei die Aufteilung der Ströme durch eine entsprechende Anzahl an parallel angeordnete Kapillarleitungen erfolgt. Die parallel angeordneten Kapillarleitungen weisen vorzugsweise die gleiche50, this patent discloses a flow divider with the aid of which a fluid flow can be subdivided into a plurality of smaller subunits, wherein the distribution of the flows is effected by a corresponding number of parallel arranged capillary ducts. The parallel arranged Kapillarleitungen preferably have the same
Geometrie (Länge, Durchmesser) und damit die gleiche Restriktionswirkung, also den gleichen Strömungswiderstand auf. Somit wird ein einziger eintretender Fluidstrom in eine entsprechende Vielzahl gleicher Teilströme aufgeteilt. Die Viskosität des fluiden Mediums soll in den parallel angeordneten Kapillarleitungen gleich sein, damit in einer solchen Vorrichtung der gleiche Strömungswiderstand resultiert. In der Regel bedeutet dies, dass sich die Kapillaren auf gleicher Temperatur befinden müssen.Geometry (length, diameter) and thus the same restriction effect, so the same flow resistance. Thus, a single incoming fluid flow is divided into a corresponding plurality of equal partial flows. The viscosity of the fluid medium should be the same in the parallel capillary lines, so that the same flow resistance results in such a device. Usually, this means that the capillaries must be at the same temperature.
Eine ähnliche Vorrichtung zum Aufteilen von Fluidströmen ist in der US 2 676 603 gezeigt (siehe insbesondere Figur 5 und zugehörige Beschreibung in Spalte 5, Zeilen 13 - 28).A similar device for splitting fluid streams is shown in US 2 676 603 (see in particular Figure 5 and related description in column 5, lines 13-28).
Aufgrund der Tatsache, dass durch fest in eine Anlage eingebaute Kapillarrestriktoren der Strömungswiderstand (im Wesentlichen bestimmt durch den Durchmesser und die Länge der Kapillarrestriktoren) vorgegeben und fest ist, kann allerdings außer durch Auswechseln der Kapillarrestriktoren der Eduktfluss durch die einzelnen Kapillarrestriktoren (und damit auch der Zufluss an Fluid zu gegebenenfalls nachgeschalteten Reaktoren) nicht separat gesteuert oder geregelt werden.
Eine Weiterentwicklung dieses grundlegenden Prinzip der Verwendung von Restriktoren zur Aufteilung von Fluidströmen (insbesondere zur Gleichverteilung) speziell für Teststände mit parallelen Reaktoren ist beispielsweise in „Selective Catalytic Reduction ..." von L. Singoredjo et al., Catalysis Today 7 (1990) Seiten 157 - 165 offenbart. In Figur 1 auf Seite 159 und im zugehörigen Text hierunter wird ein Sechsfach- Parallelreaktor mit einer einzigen gemeinsamen Fluidzufuhr offenbart. Das Edukt-Fluid wird im Splitter „S" aufgeteilt und im Zusammenspiel mit den Massenflussreglern „FC" als Strömungswiderständen so einreguliert, dass sechs gleiche Flüsse in die sechs parallelen Reaktoren gelangen. Dabei stellen die Massenflussregler jeweils die größten Strömungswiderstände im System dar und erzeugen somit den für Gleichverteilung notwendigen größten (und gleichen) Druckabfall. Eine solche Gleichverteilung der Flüsse ist vorliegend besonders sinnvoll, da in den sechs parallelen Reaktoren sechs unterschiedliche Katalysatoren unter ansonsten gleichen Bedingungen untersucht werden sollen. Der Vorteil solcher aktiv regel- und steuerbarer Massenflussregler ist dabei, dass nicht nur eine Gleichverteilung erreicht werden kann, sondern auch jeweils gewünschte (gleiche) Eduktflüsse eingestellt beziehungsweise auch während der Reaktion geändert werden können. Das Einstellen von verschiedenen Flüssen durch verschiedene parallele Reaktoren ist z.B. dann vorteilhaft, wenn gleiche Katalysatoren im Rahmen von kinetischen Untersuchungen bei variablen Bedingungen, beispielsweise ansteigender GHSV, untersucht werden sollen. Andererseits sind solche Massenflussregler typischerweise kostenaufwändig und, insbesondere bei hohen Temperaturen, gegebenenfalls störungsanfällig.Due to the fact that the flow resistance (essentially determined by the diameter and the length of the capillary restrictors) is predetermined and fixed by capillary restrictors permanently installed in a system, the educt flow through the individual capillary restrictors (and thus also the capillary restrictors) can be changed except by exchanging the capillary restrictors Inflow of fluid to optionally downstream reactors) can not be separately controlled or regulated. A further development of this basic principle of using restrictors for distributing fluid streams (in particular for uniform distribution) especially for parallel reactor test stands is, for example, in "Selective Catalytic Reduction ..." by L. Singoredjo et al., Catalysis Today 7 (1990) pages 157 - 165. A six-fold parallel reactor with a single common fluid supply is disclosed in Figure 1 on page 159 and in the accompanying text The educt fluid is split in the splitter "S" and in interaction with the mass flow controllers "FC" as flow resistances Thus, six equal flows enter the six parallel reactors, with the mass flow controllers representing the largest flow resistances in the system and thus producing the largest (and equal) pressure drop required for equal distribution in the six para llelen reactors six different catalysts under otherwise identical conditions to be investigated. The advantage of such actively controllable and controllable mass flow controller is that not only an equal distribution can be achieved, but also each desired (same) educt flows can be set or changed during the reaction. The setting of different flows through different parallel reactors is advantageous, for example, if identical catalysts are to be investigated within the framework of kinetic investigations under variable conditions, for example increasing GHSV. On the other hand, such mass flow controllers are typically expensive and, in particular at high temperatures, possibly prone to failure.
Passive (d.h. nicht steuer-/regelbare) Restriktoren in Form von Kapillarrestriktoren, Lochblenden oder Mikrokanälen zum Einsatz in parallelen Testständen sind in der WO 99/64160 als gleichwertig und austauschbar zu aktiven Massenflussreglern offenbart (siehe beispielsweise Seite 7, Zeilen 11 - 20 und Seite 13, Zeilen 18 - 26). Auch die WO 99/64160 betrifft das parallele Untersuchen von Katalysatoren unter gleichen Bedingungen.Passive (ie non-controllable) restrictors in the form of capillary restrictors, pinhole diaphragms or microchannels for use in parallel test stands are disclosed in WO 99/64160 as equivalent and interchangeable with active mass flow controllers (see for example page 7, lines 11-20 and page 13, lines 18-26). WO 99/64160 also relates to the parallel investigation of catalysts under the same conditions.
Im Lichte dieses Standes der Technik besteht eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, Teststände für die Hochdurchsatzforschung von Katalysatoren bereitzustellen, die möglichst variabel hinsichtlich der Einstellung von experimentellen Parametern sind, insbesondere auch bezüglich des Eduktgasflusses durch die
- A -In the light of this prior art, one of the objects of the present invention is to provide test stands for the high-throughput research of catalysts which are as variable as possible in the setting of experimental parameters, in particular also with respect to the educt gas flow through the - A -
Reaktoren, während gleichzeitig die Dimensionierung und die Kosten des Teststandes gering gehalten werden sollen.Reactors, while at the same time the dimensions and costs of the test stand should be kept low.
Die hier genannten und weitere Aufgaben werden gemäß einer Ausführungsform dadurch gelöst, dass der Teststand zumindest zwei, vorzugsweise zumindest vier, weiter vorzugsweise zumindest sechs parallel angeordnete Reaktionsgefäße umfasst. Dabei umfasst jedes Reaktionsgefäß zumindest eine Zuleitung (stromaufwärts vomThe tasks mentioned here and further objects are achieved according to one embodiment in that the test stand comprises at least two, preferably at least four, more preferably at least six, parallel arranged reaction vessels. In this case, each reaction vessel comprises at least one feed line (upstream of the
Reaktionsgefäß, in der Flussrichtung des zugeführten Fluids gesehen) sowie zumindest eine Ableitung (stromabwärts vom Reaktionsgefäß, in der Flussrichtung des zugeführten Fluids gesehen). Dabei sind alle Reaktionsgefäße des Teststands mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden. Die Zuleitungen zu jedemReaction vessel, seen in the flow direction of the supplied fluid) and at least one discharge (downstream of the reaction vessel, seen in the flow direction of the supplied fluid). In this case, all the reaction vessels of the test stand are connected to at least one fluid supply common to all the reaction vessels. The leads to each
Reaktionsgefäß umfassen jeweils zumindest einen Restriktor, der vorzugsweise jeweils den gleichen Strömungswiderstand aufweist. Dabei steht zumindest ein Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizenEach reaction vessel comprises at least one restrictor, which preferably has the same flow resistance in each case. In this case, at least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which in each case heat the restrictor to a different temperature
(kühlen) kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen(Cooling) can be considered the temperature of the environment and the temperature of the particular
Reaktionsgefäßes.Reaction vessel.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Restriktoren um Kapillarrestriktoren.Preferably, the restrictors are capillary restrictors.
Vorzugsweise stehen zumindest zwei Restriktoren in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizen (kühlen) kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes.Preferably, at least two restrictors are in thermal and / or physical contact with at least one heating and / or cooling means which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature than the ambient temperature and the temperature of the respective reaction vessel.
Der besondere Vorteil, einen Restriktor kontrolliert und getrennt von den anderen Komponenten des Teststandes zu heizen und/oder zu kühlen, besteht darin, dass hierdurch der Fluss durch die Restriktoren ohne bewegliche mechanische Bauteile, wie diese beispielsweise in Ventilen oder Flussreglern vorliegen, einfach geregelt werden kann, und zwar primär dadurch, dass die Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Fluiden ausgenutzt wird.The particular advantage of controlling and / or cooling a restrictor in a controlled and separate manner from the other components of the test rig is that it allows the flow through the restrictors without moving mechanical components, such as those in valves or flow regulators, to be easily controlled can, primarily by the fact that the temperature dependence of the viscosity of fluids is utilized.
Dies lässt sich besonders anschaulich für eine durchströmte Kapillare als Restriktor (Kapillarrestriktor) darstellen. Der Strömungswiderstand, welchen ein solcher Restriktor
einem Fluid entgegensetzt, hängt gemäß des Hagen-Poiseuille-Gesetzes für laminare Rohrströmung von der Viskosität des durchfließenden Fluids ab, nämlich im Sinne von "Strömungswiderstand = Viskosität x Rohrlänge x 1 / Rohrdurchmesser zur vierten Potenz". So nimmt beispielsweise bei Gasen die Viskosität mit steigender Temperatur zu (Viskosität hängt gemäß kinetischer Gastheorie mit der Potenz 1/2 von der Temperatur T ab), d.h. der Strömungswiderstand steigt mit steigender Temperatur. Umgekehrt sinkt die Viskosität von Flüssigkeiten bei steigender Temperatur (die Viskosität von Flüssigkeiten ist gemäß Transporttheorie proportional zu einem Aktivierungsfaktor sowie exponentiell abhängig vom Quotienten aus Aktivierungsenergie und Temperatur). Somit sinkt bei Flüssigkeiten der Strömungswiderstand bei steigender Temperatur. Insgesamt kann also für alle Fluide der Strömungswiderstand von Restriktoren über einen signifikanten Bereich durch Temperaturänderung eingestellt werden. Diese Möglichkeit des Einregeins und Steuerns von Strömungswiderständen und damit von Flüssen durch einen Restriktor ist besonders für passive Restriktoren (also solche Restriktoren, deren Strömungswiderstand im geometrischen Sinne fest ist) von Vorteil.This can be illustrated particularly clearly for a capillary flowed through as a restrictor (capillary restrictor). The flow resistance, which such a restrictor contrary to a fluid depends, according to the Hagen Poiseuille law for laminar pipe flow of the viscosity of the fluid flowing through, namely in the sense of "flow resistance = viscosity x pipe length x 1 / pipe diameter to the fourth power". For example, for gases, the viscosity increases with increasing temperature (viscosity depends on kinetic gas theory with the power 1/2 of the temperature T), ie, the flow resistance increases with increasing temperature. Conversely, the viscosity of liquids decreases with increasing temperature (according to transport theory, the viscosity of liquids is proportional to an activation factor and exponentially dependent on the quotient of activation energy and temperature). Thus, in liquids, the flow resistance decreases with increasing temperature. Overall, therefore, the flow resistance of restrictors can be adjusted over a significant range by temperature change for all fluids. This possibility of Einregeins and controlling flow resistance and thus of rivers by a restrictor is especially for passive restrictors (ie such restrictors whose flow resistance in the geometrical sense is fixed) advantage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen pro Teststand zumindest zwei Mittel zum Heizen (und/oder Kühlen) vor, welche mit jeweils zumindest einem Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen. Weiterhin ist zumindest ein Mittel zum Heizen/Kühlen unabhängig von zumindest dem einen anderen Mittel zum Heizen/Kühlen, d.h. insbesondere auf eine andere Temperatur regelbar. In dieser Ausführungsform ist es möglich, zwei oder mehr baugleiche Restriktoren in einem Teststand mit einer einzigen Eduktfluidzufuhr durch Anlegen unterschiedlicher Temperaturen auf unterschiedliche Strömungswiderstände und damit Flüsse einzuregeln.According to a preferred embodiment, at least two means for heating (and / or cooling) are present per test stand, which are each in thermal and / or physical contact with at least one restrictor. Furthermore, at least one means for heating / cooling is independent of at least one other means for heating / cooling, i. in particular adjustable to a different temperature. In this embodiment, it is possible to control two or more identical restrictors in a test stand with a single Eduktfluidzufuhr by applying different temperatures to different flow resistance and thus flows.
Gemäß einer hierzu bevorzugten Ausführungsform umfassen alle Restriktoren jeweils ein Mittel zum Heizen, welche jeweils unabhängig voneinander ansteuer- und/oder regelbar sind. Diese Ausführungsform erlaubt es, jeden der Restriktoren auf einen anderen Strömungswiderstand einzustellen und somit die Flüsse beziehungsweise, die GHSV durch die Restriktoren individuell zu regeln, ohne hierzu allerdings mechanisch bewegliche Teile zu benötigen, und dies alles unter Verwendung einer einzigen Fluidzufuhr für sämtliche Reaktionsgefäße.
Für alle Ausführungsformen ist es besonders bevorzugt, als Restriktoren Kapillarrestriktoren einzusetzen, da diese besonders kostengünstig sind und in Kombination mit den Mitteln zum Heizen/Kühlen auch eine „aktive" Strömungsregelung zulassen.According to a preferred embodiment, all restrictors each comprise a means for heating, which are each independently controllable and / or controllable. This embodiment makes it possible to set each of the restrictors to a different flow resistance and thus the flows or to control the GHSV individually by the restrictors, but without the need for mechanically moving parts, and all this using a single fluid supply for all reaction vessels. For all embodiments, it is particularly preferred to use capillary restrictors as restrictors, since these are particularly cost-effective and in combination with the means for heating / cooling also allow an "active" flow control.
Die über Mittel zum Heizen und/oder Kühlen regelbaren oder steuerbaren (Kapillar-)Restriktoren lassen sich vorzugsweise auch in zumindest zwei Untergruppen von parallel angeordneten Reaktionsgefäßen integrieren, wobei jede Untergruppe jeweils zumindest zwei, weiter vorzugsweise zumindest drei, weiter vorzugsweise zumindest vier parallel angeordnete Reaktionsgefäße umfasst. Dabei umfasst jedes Reaktionsgefäß der zumindest zwei Untergruppen zumindest eine Zuleitung sowie zumindest eine Ableitung. Dabei sind alle Reaktionsgefäße der zumindest zwei Untergruppen mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden. Die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß umfassen jeweils zumindest einen Restriktor, der innerhalb jeder Untergruppe vorzugsweise den gleichen Strömungswiderstand hat, wobei es bevorzugt ist, dass der Strömungswiderstand zwischen den Restriktoren der Untergruppen unterschiedlich ist (und zwar bei ansonsten gleichen Bedingungen, d.h. gleichem Druck und gleicher Temperatur). Dabei steht in zumindest einer Untergruppe zumindest ein Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizen (kühlen) kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes. Vorzugsweise handelt es sich bei den Restriktoren um Kapillarrestriktoren.The (capillary) restrictors controllable or controllable via means for heating and / or cooling can preferably also be integrated into at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup in each case comprising at least two, more preferably at least three, more preferably at least four reaction vessels arranged in parallel includes. In this case, each reaction vessel of the at least two subgroups comprises at least one supply line and at least one discharge line. In this case, all reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one fluid supply common to all reaction vessels. The feed lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance within each subgroup, it being preferred that the flow resistance between the restrictors of the subgroups is different (under otherwise identical conditions, ie the same pressure and temperature ). In at least one subgroup, at least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature than the ambient temperature and the temperature of the respective reaction vessel. Preferably, the restrictors are capillary restrictors.
Kurze Beschreibung der Figuren:Brief description of the figures:
Figur 1 zeigt unterschiedliche Ausführungsformen für Kapillarrestriktoren: Kapillarrestriktor (01) umfasst sechs Windungen, Kapillarrestriktor (02) drei Windungen und der Kapillarrestriktor (03) zwei Windungen; (04), (05) und (05') sind Kapillarrestriktoren, deren Eingangs- undFIG. 1 shows different embodiments for capillary restrictors: capillary restrictor (01) comprises six windings, capillary restrictor (02) three windings and capillary restrictor (03) two windings; (04), (05) and (05 ') are capillary restrictors whose input and output
Ausgangsleitung auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, wohingegen (06) einen Kapillarrestriktor zeigt, dessen Eingangs- und Ausgangsleitung auf der gleichen Seite angeordnet ist.
Figur 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Kapillarrestriktor (31), der von einem einen Temperatursensor (501) umfassenden Mittel zum Heizen (21) umschlossen wird, wobei die Leitung (701 ) die Verbindungsleitung zum Heizregler bzw. zur Steuerung darstellt.Output line are arranged on opposite sides, whereas (06) shows a Kapillarrestriktor whose input and output line is arranged on the same side. Figure 2 shows a schematic section through a Kapillarrestriktor (31), which is enclosed by a temperature sensor (501) comprising means for heating (21), wherein the conduit (701) is the connecting line to the heating controller or for control.
Figur 3 zeigt die schematische Darstellung eines beheizbaren Kapillarrestriktormoduls, das fünf Kapillarrestriktoren umfasst ist, wobei die Kapillarrestriktoren in das Gehäuse eines Kapillarrestriktormoduls eingeschraubt sind. Die fünf Kapillarrestriktoren können die gleichen Längen und Innendurchmesser aufweisen oder aber sich in der Länge und denFIG. 3 shows a schematic representation of a heatable capillary restrictor module comprising five capillary restrictors, the capillary restrictors being screwed into the housing of a capillary restrictor module. The five capillary restrictors can have the same lengths and inside diameters or in length and the
Innendurchmessern voneinander unterscheiden.Inner diameters differ from each other.
Figur 4 zeigt die Aufsicht eines Kapillarrestriktormoduls, wobei die Kapillarrestriktoren in einem Haltesteg (604) befestigt werden, wobei diese hierdurch gegen Verdrehen gesichert werden.FIG. 4 shows the top view of a capillary restrictor module, wherein the capillary restrictors are fastened in a holding web (604), whereby they are secured against rotation.
Figur 5 zeigt das EMSR-Schema einer Steuerung für eine Kapillarbeheizung, die mit einer Heizummantelung ausgestattet ist.Figure 5 shows the EMSR scheme of a capillary heating control equipped with a heating jacket.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Katalyseapparatur, die zehn parallel geschaltete Reaktionsgefäße (101 , 102, ... 110) umfasst und die mit zwei unterschiedlichen Typen an regel- bzw. steuerbaren Kapillarrestriktoren (220 - 229) ausgestattet ist. Die Kapillarrestriktoren (220, 221 , ... 224) weisen bei der gleichen Betriebstemperatur und den gleichen Druckbedingungen einen größeren Strömungswiderstand auf als die Kapillarrestriktoren (225,FIG. 6 shows a schematic representation of a catalytic converter which comprises ten reaction vessels (101, 102,... 110) connected in parallel and which is equipped with two different types of controllable capillary restrictors (220-229). The capillary restrictors (220, 221, ... 224) have a greater flow resistance than the capillary restrictors (225, 225) at the same operating temperature and under the same pressure conditions.
226, ... 229).226, ... 229).
Figur 7 zeigt eine Figur 6 entsprechende Apparatur, wobei die Apparatur zusätzlich auch mit Druckhaltegas und Druckaufbaugas versehen ist, die nur schematisch angedeutet sind.FIG. 7 shows an apparatus corresponding to FIG. 6, wherein the apparatus is additionally provided with pressure-holding gas and pressure-buildup gas, which are indicated only schematically.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Restriktoren, welche sich in den Zuleitungen zu den Reaktionsgefäßen befinden, Kapillarrestriktoren. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Kapillarrestriktoren Strömungswiderstände, welche
geometrisch dadurch gekennzeichnet sind, dass diese im Inneren im Wesentlichen als „rohrförmig" beschrieben werden können (also einen charakteristischen mittleren inneren Durchmesser aufweisen), und dass diese eine charakteristische Länge aufweisen welche zumindest hundertmal, bevorzugt tausendmal, bevorzugt zweitausendmal größer beziehungsweise auch zehntausendmal größer ist als der charakteristische mittlere Durchmesser.In a preferred embodiment, the restrictors which are located in the supply lines to the reaction vessels, capillary restrictors. For the purposes of the present invention, capillary restrictors are flow resistances, which geometrically characterized in that they can be described in the interior substantially as "tubular" (ie have a characteristic mean inner diameter), and that they have a characteristic length which is at least a hundred times, preferably a thousand times, preferably two thousand times larger or ten thousand times larger as the characteristic mean diameter.
In Kapillarrestriktoren wird der Druckabfall eines durchfließenden Fluids (also die Verringerung im Volumenstrom) im Wesentlichen durch das sogenannte „Hagen- Poiseuille"-Gesetz bestimmt, d.h. der Druckabfall steigt im Wesentlichen linear mit der Länge der Kapillarrestriktoren an und steigt im Wesentlichen in der vierten Potenz mit fallendem Durchmesser der Kapillarrestriktoren. Je länger und/oder je enger die Kapillarrestriktoren, desto größer ist also der Druckabfall bzw. der Strömungswiderstand.In capillary restrictors, the pressure drop of a flowing fluid (ie the reduction in the volume flow) is essentially determined by the so-called "Hagen-Poiseuille" law, ie the pressure drop increases substantially linearly with the length of the capillary restrictors and increases substantially to the fourth power As the diameter of the capillary restrictors decreases, the longer and / or narrower the capillary restrictors, the greater the pressure drop or flow resistance.
Der charakteristische mittlere innere Durchmesser von Kapillarrestriktoren ist vorzugsweise zumindest um den Faktor zwei oder drei, vorzugsweise um den Faktor fünf beziehungsweise auch um den Faktor zehn geringer als der Innendurchmesser derjenigen Rohrleitungen, die zu diesen Kapillarrestriktoren hinführen oder auch von den Kapillarrestriktoren wegführen, also der Zu- und Ableitungen. Der Innendurchmesser bevorzugter Kapillarrestriktoren im Sinne der vorliegenden Erfindung ist kleiner als 250 μm, bevorzugt ist der Innendurchmesser kleiner oder gleich 150 μm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 100 μm.The characteristic mean inner diameter of capillary restrictors is preferably at least by a factor of two or three, preferably by a factor of five or by a factor of ten smaller than the inner diameter of those pipelines leading to these capillary restrictors or also away from the capillary restrictors, ie the zu and derivatives. The internal diameter of preferred capillary restrictors in the context of the present invention is less than 250 μm, preferably the internal diameter is less than or equal to 150 μm and more preferably less than or equal to 100 μm.
Die Länge der Kapillarrestriktoren liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 30 m, wobei eine Länge von 0,1 m bis 15 m bevorzugt ist; insbesondere bevorzugt ist eine Länge von 0,2 m bis 6 m.The length of the capillary restrictors is preferably in a range of 0.05 to 30 m, with a length of 0.1 m to 15 m being preferred; particularly preferred is a length of 0.2 m to 6 m.
Kapillarrestriktoren mit einem Durchmesser im Mikrometer-Bereich und einer Länge im Meter-Bereich lassen sich im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders gut bezüglich des Druckabfalles, d.h. des erzeugten Strömungswiderstandes, einregeln bzw. steuern, da das Fluid über eine große Länge geheizt bzw. gekühlt werden kann, und somit eine größere Fluidmenge geheizt bzw. gekühlt werden kann, also eine größere Änderung im Volumenstrom erzielt werden kann (der Strömungswiderstand selber ist unabhängig vom Volumen und hängt nur von der Viskosität des Mediums und der Länge und dem
Durchmesser der Kapillarrestriktoren ab). Insoweit ist es bevorzugt, dass zum Erhöhen des Strömungswiderstandes nicht primär der Durchmesser des Kapillarrestriktors verringert, sondern primär dessen Länge vergrößert wird.Capillary restrictors with a diameter in the micrometer range and a length in the meter range can be within the meaning of the present invention particularly well with respect to the pressure drop, ie the flow resistance generated, regulate or control, since the fluid is heated or cooled over a long distance can, and thus a larger amount of fluid can be heated or cooled, so a major change in the flow can be achieved (the flow resistance itself is independent of the volume and depends only on the viscosity of the medium and the length and Diameter of the capillary restrictors). In that regard, it is preferred that to increase the flow resistance not primarily the diameter of the capillary restrictor is reduced, but primarily its length is increased.
Für eine zuverlässige Wirkung eines Kapillarrestriktors als Strömungswiderstand, ist es vorteilhaft, wenn die Kapillare und das in der Kapillare befindliche Fluid eine möglichst gleichmäßige Durchwärmung erfahren. Bei der Beheizung von Kapillaren kann sehr leicht die Gefahr bestehen, dass sich Inhomogenitäten der Beheizung (=Temperierung) aus unterschiedlichem Wärmekontakt zwischen dem Heizelement und der Kapillare ergeben. Bei langen Restriktoren erfolgt diesbezüglich eine statistische Mittelung und folglich wirkt sich dieser Mangel nicht (so stark) auf den Gesamtwiderstand des Restriktors aus. Die radiale Durchwärmung erfolgt bei inneren Durchmessern der Kapillare bis 500μm innerhalb einer Kapillarlänge von wenigen Zentimetern. Dies ist unter anderem auch ein Grund dafür, dass die Verwendung von Kapillaren dann besonders vorteilhaft ist, wenn deren Durchmesser geringer ist als 500 μm.For a reliable effect of a capillary restrictor as a flow resistance, it is advantageous if the capillary and the fluid contained in the capillary experience the most uniform possible through-heating. When heating capillaries, there can very easily be the risk that inhomogeneities of the heating (= tempering) result from different thermal contact between the heating element and the capillary. For long restrictors, a statistical averaging is done in this regard and, consequently, this shortcoming does not (so much) affect the overall resistance of the restrictor. The radial heating takes place at inner diameters of the capillary up to 500μm within a capillary length of a few centimeters. Among other things, this is one reason why the use of capillaries is particularly advantageous if their diameter is less than 500 μm.
Der Strömungswiderstand eines Restriktors, insbesondere eines Kapillarrestriktors, kann unter der Annahme von laminarer Rohrströmung insbesondere gemäß folgender Beziehung berechnet werden: Der Strömungswiderstand ist der Quotient aus [Viskosität des durchströmenden Mediums x Länge der Kapillare] und [Radius der Kapillare zur vierten Potenz] (siehe beispielsweise Kapitel 3.3.3 des Physiklehrbuches "Physik" von Gerthsen, Kneser und Vogel, 15. Auflage, Springer Verlag, 1986). Der Strömungswiderstand ist damit eine intrinsische Eigenschaft des Restriktors, insbesondere, wie im Falle der oben angegebenen Gleichung, eines Kapillarrestriktors, und kann einem jeden Kapillarrestriktor absolut zugeordnet werden. Sollen im Sinne der vorliegenden Erfindung Strömungswiderstände miteinander verglichen werden, so sollen diese, soweit dies nicht explizit anders angegeben ist, unter gleichen Bedingungen verglichen werden, insbesondere bei gleichem Druck und bei gleicher Temperatur.The flow resistance of a restrictor, in particular of a capillary restrictor, can be calculated assuming laminar tube flow in particular according to the following relationship: The flow resistance is the quotient of [viscosity of the flowing medium x length of the capillary] and [radius of the capillary to the fourth power] (see for example, chapter 3.3.3 of the physics textbook "Physics" by Gerthsen, Kneser and Vogel, 15th edition, Springer Verlag, 1986). The flow resistance is thus an intrinsic property of the restrictor, in particular, as in the case of the equation given above, of a capillary restrictor, and can be assigned to any capillary restrictor absolutely. If, for the purposes of the present invention, flow resistances are to be compared with one another, they should be compared under the same conditions, unless they are explicitly stated otherwise, in particular at the same pressure and at the same temperature.
Wird im Sinne der vorliegenden Erfindung von einem "gleichen" Strömungswiderstand gesprochen, so ist damit gemeint, dass die verglichenen Strömungswiderstände sich bei ansonsten gleichen Bedingungen (insbesondere bei gleicher Temperatur und bei gleichem Druck) bezüglich ein und desselben sie durchfließenden Mediums bei einer Fehlertoleranz von ± 10 % gleich sind.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden zwei Strömungswiderstände als "unterschiedlich" angesehen, wenn diese sich unter den vorstehend angegebenen Bedingungen, also insbesondere bei Durchströmen mit dem gleichen Fluid und bei gleichem Druck sowie gleicher Temperatur im Strömungswiderstand um zumindest 10 %, vorzugsweise um zumindest 20 %, weiter vorzugsweise um zumindest 50 %, und insbesondere bevorzugt um zumindest 100 % unterscheiden.If a "same" flow resistance is used in the context of the present invention, it is meant that the flow resistances compared with otherwise identical conditions (in particular at the same temperature and at the same pressure) with respect to one and the same medium flowing through them with a fault tolerance of ± 10% are the same. For the purposes of the present invention, two flow resistances are regarded as "different" if they are at least 10%, preferably at least 20%, under the conditions given above, ie in particular when flowing through the same fluid and at the same pressure and the same temperature in the flow resistance. , more preferably by at least 50%, and more preferably by at least 100%.
Ähnliche Eigenschaften wie mit Kapillarrestriktoren lassen sich auch mittels mit mikrotechnischen Verfahren gefertigten Kanälen erzielen, die in metallische, keramische oder polymere Formteile eingearbeitet wurden. Derartige Herstellverfahren sind demSimilar properties as with capillary restrictors can also be achieved by means of microfabricated channels, which have been incorporated into metallic, ceramic or polymeric moldings. Such manufacturing methods are the
Fachmann bekannt und können beispielsweise Laserablation oder Mikroätzverfahren umfassen. Da solche Mikrokanäle bezüglich Geometrie und Wirkung als Restriktor den auf Rohrleitungen basierenden Kapillarrestriktoren entsprechen, werden solche Mikrokanäle im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als „Kapillarrestriktoren" angesehen.One skilled in the art and may include, for example, laser ablation or microetching. Since such microchannels correspond in terms of geometry and effect as a restrictor to the pipeline-based capillary restrictors, such microchannels are also regarded as "capillary restrictors" for the purposes of the present invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Kapillarrestriktoren Glaskapillarrestriktoren, keramische Kapillarrestriktoren oder Edelstahlkapillarrestriktoren eingesetzt, wobei die Verwendung von Glaskapillarrestriktoren bzw. keramischen Kapillarrestriktoren bevorzugt ist.In a preferred embodiment, capillary restrictors used are glass capillary restrictors, ceramic capillary restrictors or stainless steel capillary restrictors, the use of glass capillary restrictors or ceramic capillary restrictors being preferred.
Insbesondere bevorzugt sind Kapillarrestriktoren, die aus einem "elastischen" keramischen Material, also einem keramischen Material mit einem Elastizitätsmodul ("Young's Modulus") kleiner als 90 GPa, vorzugsweise kleiner als 70 GPa, bestehen. Diese Kapillarrestriktoren bestehen dabei vorzugsweise aus "gezogenem" Glas und dabei insbesondere vorzugsweise aus "Fused Silica" bzw. "Fused Quartz" bzw. Mischungen dieser und anderer keramischer Materialien. Derartige keramische Kapillarrestriktoren sind eigentlich auf einem anderen technischen Gebiet, nämlich dem Gebiet der Chromatographie als Trägermaterialien für gaschromatographische Trennsäulen, bekannt. Aufgrund der hohen kommerziellen Relevanz von Chromatographie-Verfahren sind diese Kapillarrestriktoren gut entwickelt und kostengünstig am Markt erhältlich. Es hat sich nun gezeigt, dass diese eigentlich aus einer anderen Anwendung entstammenden keramischen Kapillarrestriktoren gerade
auch für die Anwendung in Testständen zur Hochdurchsatz-Testung von Katalysatoren geeignet sind.Particular preference is given to capillary restrictors which consist of an "elastic" ceramic material, that is to say a ceramic material with a modulus of elasticity ("Young's Modulus") of less than 90 GPa, preferably less than 70 GPa. These capillary restrictors preferably consist of "drawn" glass and in particular preferably of "fused silica" or "fused quartz" or mixtures of these and other ceramic materials. Such ceramic capillary restrictors are actually known in another technical field, namely the field of chromatography as support materials for gas chromatographic separation columns. Due to the high commercial relevance of chromatographic methods, these capillary restrictors are well developed and cost-effectively available on the market. It has now been shown that these actually come from another application ceramic capillary restrictors just Also suitable for use in test stands for high-throughput testing of catalysts.
Derartige Restriktoren, insbesondere auch Fused-Silica-Kapillarrestriktoren lassen sich auch gut auf Rollen aufwickeln beziehungsweise zu Spiralen drehen ("gewickelteSuch restrictors, in particular fused silica capillary restrictors, can also be wound up well on rolls or turned into spirals ("wound
Säulen"). Gewickelte Kapillaren werden durch die Säulenlänge, die Zahl der Windungen pro Längeneinheit und den mittleren Durchmesser einer Windung beschrieben.Wrapped capillaries are described by the column length, the number of turns per unit length and the mean diameter of a turn.
Bevorzugt weisen die Windungen einen mittleren Durchmesser im Bereich von 5 cm bisPreferably, the turns have an average diameter in the range of 5 cm to
30 cm auf. Gewickelte oder gedrehte Kapillarrestriktoren lassen sich durch den Heizeffekt benachbarter Wicklungen besonders effektiv und platzsparend heizen.30 cm up. Wound or twisted capillary restrictors can be heated particularly effectively and in a space-saving manner by the heating effect of adjacent windings.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen (auch: „Heizelement") zumindest einen Temperatursensor („Thermofühler") und/oder umfasst zumindest ein Restriktor, vorzugsweise Kapillarrestriktor, zumindest einen Temperatursensor.In a preferred embodiment, at least one means for heating and / or cooling (also: "heating element") comprises at least one temperature sensor ("thermocouple") and / or comprises at least one restrictor, preferably capillary restrictor, at least one temperature sensor.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und die Temperatursensoren von mindestens zwei oder mehr Kapillarrestriktoren jeweils mit der gleichen Regelungs- beziehungsweise Steuervorrichtung verbunden, wobei es bevorzugt ist, dass die Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und Temperatursensoren für jeweils mindestens vier Kapillarrestriktoren mit jeweils der gleichen Temperaturregelungs- beziehungsweise Steuervorrichtung verbunden sind. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und Temperatursensoren von mindestens acht Kapillarrestriktoren mit jeweils der gleichen Temperaturregelungs- beziehungsweise Steuervorrichtung verbunden sind.In a preferred embodiment, the means for heating and / or cooling and the temperature sensors of at least two or more capillary restrictors are each connected to the same control device, it being preferred that the means for heating and / or cooling and temperature sensors for each at least four capillary restrictors each having the same temperature control or control device are connected. In particular, it is preferred that the means for heating and / or cooling and temperature sensors of at least eight capillary restrictors are each connected to the same temperature control or control device.
Zum Heizen und/oder Kühlen der Kapillarrestriktoren werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt Mittel zum Heizen und oder Kühlen eingesetzt, wobei die Mittel zum Heizen bevorzugt Heizfolien, Heizkerzen, Heizschnüre, Heizbänder oder Heizgehäuse umfassen. Heizbänder oder Heizschnüre können Kapillarrestriktoren beispielsweise umschließen oder gemeinsam mit den Kapillarrestriktoren zu einer Spule gedreht werden. Es ist auch bevorzugt, dass ein Kapillarrestriktor zunächst unabhängig von den Mitteln zum Heizen zu einer Spule gedreht und im Anschluss daran durch das Heizelement ummantelt wird.
Mittel zum Kühlen werden bevorzugt über einen Wärmetauscher, beispielsweise eine Fluidkühlung, realisiert.For heating and / or cooling the capillary restrictors, means for heating and / or cooling are preferably used for the purposes of the present invention, wherein the means for heating preferably comprise heating foils, heating plugs, heating cords, heating tapes or heating casings. Heating tapes or heating cords may, for example, enclose capillary restrictors or be turned into a coil together with the capillary restrictors. It is also preferred that a capillary restrictor is first turned into a coil independently of the means for heating and subsequently encased by the heating element. Means for cooling are preferably realized via a heat exchanger, for example a fluid cooling.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Mittel zum Heizen als ein "Mittel zum Ändern der Temperatur" anzusehen, umfasst also auch ein Mittel zum Kühlen bzw. zum Heizen und zum Kühlen.For the purposes of the present invention, a means for heating is to be regarded as a "means for changing the temperature", and therefore also includes a means for cooling or for heating and for cooling.
Für den Fall, dass Metallkapillarrestriktoren als Restriktoren verwendet werden, werden diese vorzugsweise direkt von elektrischem Strom durchflössen, so dass dieIn the event that metal capillary restrictors are used as restrictors, they are preferably flowed through directly by electric current, so that the
Kapillarrestriktoren selbst als ein Mittel zum Heizen fungieren können. Weiterhin ist es bevorzugt, die Kapillarrestriktoren in einem metallenen Mantelrohr zu positionieren und dieses Mantelrohr - analog zu den zuvor erwähnten Metallkapillarrestriktoren - direkt an eine Stromquelle anzuschließen und als Mittel zum Heizen zu verwenden. Innerhalb des heizenden Mantelrohrs sollten sich vorzugsweise Kapillarrestriktoren aus elektrisch isolierenden Materialien befinden.Capillary restrictors can act as a means of heating itself. Furthermore, it is preferable to position the capillary restrictors in a metal jacket tube and connect this jacket tube - analogous to the aforementioned metal capillary restrictors - directly to a power source and to use as a means for heating. Inside the heating jacket tube, capillary restrictors should preferably be made of electrically insulating materials.
Kapillarrestriktoren aus elektrisch isolierenden Materialien, beispielsweise Fused-Silica- Kapillarrestriktoren, werden vorzugsweise mit einer temperaturbeständigen, elektrisch leitenden Schicht versehen, die dann zum Heizen genutzt werden kann.Capillary restrictors made of electrically insulating materials, for example fused silica capillary restrictors, are preferably provided with a temperature-resistant, electrically conductive layer, which can then be used for heating.
Falls die Kapillarrestriktoren, deren Außenfläche vom elektrischen Strom durchflössen wird, zu Wickeln zusammengerollt werden, sind die einzelnen Windungen vorzugsweise sowohl nebeneinander als auch lagenweise elektrisch gegeneinander isoliert, damit sich durch elektrische Überbrückung keine unbeheizten Schlaufen ausbilden können. Vorzugsweise wird zur elektrischen Isolation eine Beschichtung aus einem hitzebeständigen Lack eingesetzt.If the capillary restrictors, whose outer surface is traversed by the electric current, are rolled together to form windings, the individual windings are preferably electrically insulated both side by side and in layers, so that no unheated loops can be formed by electrical bridging. Preferably, a coating of a heat-resistant lacquer is used for electrical insulation.
In einer bevorzugten Ausführungsformen wird der Kapillarrestriktor beziehungsweise das den Kapillarrestriktor umhüllende Metallrohr sowohl als Mittel zum Heizen als auch als Temperaturfühler verwendet und zwar unter der Maßgabe, dass das Metall einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es auch bevorzugt, die Kapillarrestriktoren indirekt über Wärmetauscher, beispielsweise Umströmung mit einem Fluid, zu heizen oder zu kühlen. Auch ein Heizen über Wärmestrahlung ist bevorzugt.In a preferred embodiment, the capillary restrictor or the metal tube enclosing the capillary restrictor is used both as a means for heating and as a temperature sensor, with the proviso that the metal has a temperature-dependent resistance. For the purposes of the present invention, it is also preferable to heat or cool the capillary restrictors indirectly via heat exchangers, for example flowing around with a fluid. Heating via thermal radiation is also preferred.
Die Temperatur der einzelnen Kapillarrestriktoren wird vorzugsweise von Temperatursensoren aufgenommen, die in direktem Kontakt mit zumindest einem Teil des Restriktors, beispielsweise einer Kapillarwandung, stehen. Es ist dabei auch möglich, dass ein einzelner Kapillarrestriktor mit mehreren Temperatursensoren versehen ist, oder das Heizelement selbst der Thermofühler ist.The temperature of the individual capillary restrictors is preferably absorbed by temperature sensors which are in direct contact with at least part of the restrictor, for example a capillary wall. It is also possible that a single capillary restrictor is provided with a plurality of temperature sensors, or the heating element itself is the thermocouple.
Die Temperatur der einzelnen Kapillarrestriktoren kann vorzugsweise in einem Bereich von Raumtemperatur bis 3500C variiert werden. Sofern der Kapillarrestriktor aus einem hitzebeständigen Material besteht, bspw. aus Edelstahl, so kann der Kapillarrestriktor auch bei Temperaturen oberhalb von 3500C betrieben werden. Kapillarrestriktoren werden vorzugsweise auch gekühlt.The temperature of the individual capillary restrictors can preferably be varied within a range from room temperature to 350 ° C. If the Kapillarrestriktor consists of a heat-resistant material, eg. Stainless steel, the Kapillarrestriktor can also be operated at temperatures above 350 0C. Capillary restrictors are preferably also cooled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die aus den Reaktionsgefäßen ausfließenden Reaktionsprodukte und/oder (nicht reagierten) Edukte in zumindest einem Analysator (z.B. einem Heißgasflow-Analysator) analysiert. Dabei ist es bevorzugt, dass die Abflüsse der einzelnen Reaktionsgefäße, und dabei auch die Abflüsse von einzelnen Reaktionsgefäßen, jeweils getrennt analysiert werden können, beispielweise durch Einsatz von zumindest einem Auswahlventil ("selection valve"), welches den Abfluss eines jeden Reaktionsgefäßes auf zumindest einen Detektor schalten kann, während der Abfluss der anderen Reaktionsgefäße nicht analysiert oder anders analysiert wird. Der Einsatz von parallel angeordneten Detektoren als Analysator ist dabei bevorzugt. Weitere bevorzugte Detektoren können sein: ND-IR (nicht dispersives IR-Spektrometer), IR (Dispersives IR- Spektrometer), GC (Gaschromatographie), GC-MS (Gaschromatograph mit Massenspektrometer Kopplung), MS (Massenspektrometer), UV (Ultraviolett Spektrometer), FID (Flammen lonisationsdetektor), WLD (Wärmeleitfähigkeitsdetektor), Wärmekapazitätsdetektor, ECD (Elektroneneinfang- Detektor für Komponenten mit stark elektronegativen Gruppen), PID (Photoionisationsdetektor), PED (Photoemmissionsdetektor).
Der Analysator ist vorzugsweise mit einer Prozesssteuerung verbunden, wobei es in einer bevorzugten Ausführungsform möglich ist, den Strömungswiderstand von einzelnen Kapillarrestriktoren dadurch einzustellen, zu kalibrieren beziehungsweise zu regeln, dass das Signal des Analysators von der Prozesssteuerung zur Regelung beziehungsweise Steuerung zumindest eines Mittels zum Heizen und/oder Kühlen verwendet wird, um durch Einstellungen einer vorbestimmten bzw. berechneten Heizbzw. Kühlleistung gewünschte Flussmengen an Fluidstrom, der durch die Kapillarrestriktoren hindurchströmt, zu steuern bzw. zu regeln.According to a preferred embodiment, the reaction products flowing out of the reaction vessels and / or (unreacted) starting materials are analyzed in at least one analyzer (eg a hot gas flow analyzer). It is preferred that the outflows of the individual reaction vessels, and thereby the outflows of individual reaction vessels, each can be analyzed separately, for example by using at least one selection valve, which the outflow of each reaction vessel to at least one Detector can switch, while the outflow of the other reaction vessels is not analyzed or otherwise analyzed. The use of parallel detectors as an analyzer is preferred. Further preferred detectors may be: ND-IR (non-dispersive IR spectrometer), IR (dispersive IR spectrometer), GC (gas chromatography), GC-MS (gas chromatograph with mass spectrometer coupling), MS (mass spectrometer), UV (ultraviolet spectrometer) , FID (Flame Ionization Detector), WLD (Thermal Conductivity Detector), Heat Capacitance Detector, ECD (Electron Capture Detector for High Electronegative Group Components), PID (Photoionization Detector), PED (Photoemission Detector). The analyzer is preferably connected to a process controller, wherein in a preferred embodiment it is possible to adjust the flow resistance of individual capillary restrictors by calibrating the analyzer's signal from the process controller to control at least one means for heating and / or cooling is used to adjust by settings of a predetermined Heizbzw. Cooling power desired flow amounts of fluid flow, which flows through the capillary restrictors to control or regulate.
Die Einstellung der Flussmenge pro Restriktor erfolgt vorzugsweise über eine Rückkopplungsschaltung mit dem Analysator, weiter vorzugsweise bevor die eigentliche katalytische Untersuchung gestartet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine an der Reaktion unbeteiligte gasförmige Substanz (eine sogenannte „Tracerkomponente"), auf die der Analysator selektiv reagiert, als Referenzfluid für das Einstellen des Strömungswiderstandes durch Temperaturregelung dienen.The adjustment of the flow rate per restrictor is preferably carried out via a feedback circuit with the analyzer, more preferably before the actual catalytic examination is started. In a preferred embodiment, a gaseous substance (a so-called "tracer component") unaffected by the reaction, to which the analyzer reacts selectively, can serve as a reference fluid for adjusting the flow resistance by temperature regulation.
Insgesamt ermöglicht das bzw. die Mittel zum Heizen/Heizelement bzw. die Mittel zum Heizen/Kühlen zumindest zu einem gewissen Grad das aktive Einstellen und/oder Kalibrieren eines prinzipiell „passiven" Restriktorelementes, insbesondere eines Kapillarrestriktors.Overall, the means for heating / heating or the means for heating / cooling at least to some extent allows the active setting and / or calibration of a basically "passive" Restriktorelementes, in particular a Kapillarrestriktors.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Kapillarreaktormodul (07) sowie dessen Verwendung. Dabei ist das Kapillarreaktormodul bevorzugt ein fester Rahmen, in welchen zwei oder mehr, vorzugsweise vier oder mehr, Kapillarrestriktoren verdrehsicher eingebaut und nebeneinander gruppiert sind. Ein solches Modul zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität und eine einfache Handhabbarkeit in Verbindung mit Aufbau- und Wartungsarbeiten, die an einer Katalyseapparatur vorzunehmen sind, aus.In a further preferred embodiment, the present invention relates to a capillary reactor module (07) and its use. In this case, the capillary reactor module is preferably a solid frame in which two or more, preferably four or more, capillary restrictors are installed against rotation and grouped next to one another. Such a module is characterized by a high degree of flexibility and easy handling in connection with assembly and maintenance work to be carried out on a catalytic converter.
Bei Kapillarrestriktoren handelt es sich häufig um empfindliche Bauelemente, die aufgrund von extremen chemischen und thermischen Bedingungen sowie hohen Drücken einer starken Beanspruchung unterliegen und die daher anfällig für Verschleißerscheinungen und Alterung sein können. Der Begriff „extreme" chemische Bedingungen beinhaltet, dass die Kapillarrestriktoren reaktiven chemischen Substanzen
ausgesetzt sein können, die eine Veränderung der Oberflächenstruktur verursachen oder zu einer Blockierung des Restriktors durch Ablagerungen führen können.Capillary restrictors are often delicate components that are subject to heavy stress due to extreme chemical and thermal conditions and high pressures, and thus may be susceptible to wear and aging. The term "extreme" chemical conditions implies that the capillary restrictors are reactive chemical substances may be exposed, which cause a change in the surface structure or can lead to a blocking of the restrictor by deposits.
Eine möglichst einfache Zugänglichkeit und Austauschbarkeit der Kapillarrestriktoren ist von besonderem Nutzen bei der Wartung von Katalyseapparaturen. Bei der Verwendung von Fused-Silica-Kapillarrestriktoren ist zu berücksichtigen, dass insbesondere dieThe easiest accessibility and interchangeability of the capillary restrictors is of particular use in the maintenance of catalytic converters. When using fused silica capillary restrictors, it should be borne in mind that, in particular, the
Enden der Fused-Silica-Kapillarrestriktoren (welche vorzugsweise mittelsEnds of the fused silica capillary restrictors (which preferably by means of
Graphitdichtungen abgedichtet und an Metallverschraubungen von Rohrleitungen oderGraphite seals sealed and to metal fittings of pipelines or
Ventilen befestigt werden) empfindlich und filigran sind. Insbesondere beim Ein- und Ausbau der Kapillarrestriktoren kann es zu Defekten und/oder Blockierung und dadurch bedingten Störungen oder Undichtigkeiten kommen. Die Defektstellen sind häufig nur schwer auffindbar und eine aufwendige Fehlersuche kann zu Verzögerungen bei derValves are attached) are delicate and filigree. In particular, when installing and removing the capillary restrictors may cause defects and / or blocking and consequent disturbances or leaks. The defect sites are often difficult to find and a complex troubleshooting can cause delays in the
Inbetriebnahme des gesamten Teststandes führen. Solche Defekte können auch, sofern diese unbemerkt bleiben, die Datenqualität der Messungen in Frage stellen.Commissioning of the entire test stand. Such defects, if unnoticed, can also jeopardize the data quality of the measurements.
Die Kapillarrestriktoren werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Kapillarrestriktormodulen bereitgestellt, wobei es sich hierbei um kompakte Rahmen handelt, die zwei oder mehrere Kapillarrestriktorelemente aufweisen und die pro Modul zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und zumindest einem Temperaturfühler umfassen. In jedem Kapillarrestriktormodul ist vorzugsweise jedes einzelne Restriktorelement mit einem eigenen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und/oder einem eigenen Temperaturfühler ausgestattet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind alle Kapillarrestriktoren eines Moduls mit einem allen diesen Kapillarrestriktoren gemeinsamen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen in thermischem oder physischem Kontakt.The capillary restrictors are provided in capillary restrictor modules according to a preferred embodiment of the present invention, which are compact frames having two or more capillary restrictor elements and which comprise at least one heating and / or cooling means and at least one temperature probe per module. In each Kapillarrestriktormodul each individual Restriktorelement is preferably equipped with its own means for heating and / or cooling and / or its own temperature sensor. According to an alternative embodiment, all capillary restrictors of a module with a means common to all these capillary restrictors for heating and / or cooling are in thermal or physical contact.
Das Kapillarrestriktormodul bietet den Vorteil, dass es sich hierbei um ein kompaktes und robustes Bauteil handelt, welches einfach zu handhaben ist, da es vorzugsweise mittels Metallverschraubungen oder Schnellkupplungsverbindungen in einer zeitsparenden und störungsfreien Weise in der Katalyseapparatur befestigt werden kann.The advantage of the capillary restrictor module is that it is a compact and robust component that is easy to handle, as it can preferably be mounted in the catalytic converter by means of metal or quick connect couplings in a time-saving and trouble-free manner.
Die Testung und Prüfung des Kapillarreaktormoduls auf dessen Funktionsfähigkeit sowie die Bestimmung dessen technischen Eigenschaften kann bereits vor dessen Einbau in der Katalyseapparatur unter Zuhilfenahme eines separaten Teststandes erfolgen, so
dass die Zeit für den Aufbau oder die Wartung der Katalyseapparatur erheblich verkürzt werden kann. Dieser separate Teststand ist einfacher im Aufbau, so dass die Messzeit an der Katalyseapparatur selber für das Austesten von Kapillarrestriktoren minimiert werden kann.The testing and testing of the capillary reactor module on its functionality and the determination of its technical properties can be carried out before its installation in the catalytic converter with the aid of a separate test stand, see above that the time for the construction or maintenance of the catalytic converter can be considerably shortened. This separate test rig is simpler in construction, so that the measuring time on the catalytic converter itself can be minimized for the testing of capillary restrictors.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei oder mehr Kapillarrestriktoren zu einem Modul (07) zusammengefasst, vorzugsweise vier oder mehr Kapillarrestriktoren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rahmen (600) beziehungsweise die Einhausung des Moduls ein gut wärmeleitenden Material, so dass über den Block auch eine Temperierung der Kapillarrestriktoren möglich wird. Die Temperierung des Blocks und damit auch der darin befindlichen Kapillarrestriktoren erfolgt vorzugsweise über an den seitlichen Flächen angebrachte Heizplatten. Das Modul kann auch durch im Block eingesteckte Heizpatronen beheizt werden. Für die Beheizung werden die in der Technik üblichen Regelkreise verwendet.In a preferred embodiment, two or more capillary restrictors are combined to form a module (07), preferably four or more capillary restrictors. According to a preferred embodiment, the frame (600) or the housing of the module comprises a good heat-conducting material, so that over the block also a temperature control of the capillary restrictors is possible. The temperature of the block and thus also the capillary restrictors therein is preferably carried out on the side surfaces mounted heating plates. The module can also be heated by cartridge heaters inserted in the block. For heating the usual control circuits are used in the art.
Das Kapillarmodul (07) umfasst vorzugsweise einen Metallblock. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Metallblock aus einem gut wärmeleitenden Material, wie Kupfer, Aluminium oder Messing hergestellt. Die größten Flächen stehen bevorzugt parallel zueinander.The capillary module (07) preferably comprises a metal block. In a preferred embodiment, the metal block is made of a good heat conducting material, such as copper, aluminum or brass. The largest surfaces are preferably parallel to each other.
In den Metallblock sind in der Ebene der größten Flächen ("Seitenflächen") vorzugsweise Nuten (601) eingebracht. Diese Nuten dienen zur Aufnahme von Kapillarrestriktoren beispielsweise aus Stahl, Kunststoff oder Quarz.Grooves (601) are preferably introduced into the metal block in the plane of the largest surfaces ("side surfaces"). These grooves serve to accommodate capillary restrictors, for example made of steel, plastic or quartz.
In den Ebenen der kleineren Flächen ("obere bzw. "untere Fläche") wird vorzugsweise eine gerade Anzahl von Gewindebohrungen eingebracht. Die Bohrungen dienen zur Aufnahme jeweils eines Einschraubers (605, 605'). Es werden vorzugsweise zwei der Gewindebohrungen mit einem einseitig offenen Kanal verbunden. Mit dem Einschrauber erfolgt auf der einen Seite der fluidische Anschluss des Moduls. Mit der in das Gewinde des Metallblocks gedrehten Seite wird der bzw. die Kapillarrestriktor(en) abgedichtet. Somit müssen beim Einbau des Kapillarrestriktormoduls nicht mehr die (gegebenenfalls filigranen) Kapillarrestriktoren selber, sondern vielmehr nur noch die Einschrauber abgedichtet werden.
FaIIs in den Nuten Freiräume zwischen zwei benachbarten Kapillarrestriktoren auftreten sollten, ist es bevorzugt, diese mittels einer Verbundmasse (beispielsweise Silikon) zu füllen, damit ein direkter, thermisch leitender Kontakt zu den Kapillarrestriktoren gewährleistet wird.An even number of threaded holes are preferably introduced in the planes of the smaller surfaces ("upper or lower surface") .The bores serve to receive a respective screwdriver (605, 605 '), preferably two of the threaded bores with one side open With the screwdriver, the fluidic connection of the module takes place on the one side, and the capillary restrictor (s) are sealed with the side turned into the thread of the metal block, so that the (optionally filigree) capillary restrictor module is no longer required. Capillary restrictors themselves, but rather only the screwdrivers are sealed. If gaps should occur in the grooves between two adjacent capillary restrictors, it is preferable to fill them by means of a compound (for example silicone) in order to ensure direct, thermally conductive contact with the capillary restrictors.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jeweils zumindest ein Einschrauber zwischen den beiden Gewinden regelmäßig geteilte und zumindest dreieckig angeordnete Flächen, wobei die Flächen bevorzugt viereckig und weiter bevorzugt sechseckig sind (siehe Figur 4). Bei harten Dichtungsmaterialien, die härter als Graphit sind, kann es erforderlich sein, den Einschrauber in kleineren Winkeln als 30° gegen Verdrehen zu sichern. In diesem Fall ist es nützlich, wenn der Einschrauber mit einer größeren Zahl von Halteflächen ausgestattet ist. Diese Flächen dienen der Montage mit einem Schraubenschlüssel und nach Fertigstellung der Aufnahme als Verdrehsicherung (siehe (604) in Figur 4).In a preferred embodiment, in each case at least one screwdriver comprises regularly divided and at least triangularly arranged surfaces between the two threads, wherein the surfaces are preferably quadrangular and more preferably hexagonal (see FIG. 4). For hard sealing materials that are harder than graphite, it may be necessary to prevent the screwdriver from twisting at angles smaller than 30 °. In this case, it is useful if the screwdriver is equipped with a larger number of holding surfaces. These surfaces are used for mounting with a wrench and after completion of the recording as anti-rotation (see (604) in Figure 4).
Falls es aus fertigungstechnischen Gründen erforderlich sein sollte, die Nut in den Grund der Bohrung zu führen, so ist es weiterhin bevorzugt, eine Druckverteilungsscheibe (602, 602') auf den Grund der Gewindebohrung zu legen. Die fluidische Abdichtung eines Kapillarrestriktors im Grund der Bohrung erfolgt vorzugsweise über Dichtkonen (603, 603') aus Graphit oder einem anderen Dichtmaterial, das der Fachmann typischerweise für die Herstellung von Kompressionsdichtungen verwendet. Bevorzugte Materialien sind Teflon, faserverdichtete Polymere oder PEEK. Die eigentliche Abdichtung erfolgt über die durch die Schraubkraft erzeugte Kompression des Dichtkonus. Nachdem die Einschrauber (605) mit dem zur Kompression der Dichtkonen erforderlichen Drehmoment angezogen wurden, werden sie durch Auflegen einer Verdrehsicherung (604) gegen weiteres Drehen und damit gegen übermäßiges Anziehen beziehungsweise gegen das Lösen bei der Montage der fluidischen Zu- und Abführungen gesichert.If, for manufacturing reasons, it should be necessary to guide the groove into the bottom of the bore, it is further preferred to place a pressure distribution disc (602, 602 ') on the base of the threaded bore. The fluidic sealing of a capillary restrictor at the bottom of the bore preferably occurs via sealing cones (603, 603 ') made of graphite or another sealing material which the person skilled in the art typically uses for the production of compression seals. Preferred materials are Teflon, fiber-densified polymers or PEEK. The actual sealing takes place via the compression of the sealing cone generated by the screwing force. After the drivers (605) have been tightened with the torque required to compress the sealing cones, they are secured against further rotation and thus against excessive tightening or against loosening during the assembly of the fluidic inlets and outlets by applying an anti-rotation device (604).
In Bezug auf die Zuleitungen und Ableitungen, die zum Modul und vom Modul weg führen, werden diese gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Schnellkupplungen versehen.With respect to the leads and leads leading to the module and away from the module, in a preferred embodiment they are provided with quick couplings.
Katalyseteststände, in denen die erfindungsgemäßen Kapillarrestriktoren und Kapillarrestriktormodule eingesetzt werden, sind bevorzugt Laborteststände, mit denen in
der Regel zwischen 0,1 g und 50 g an Katalysator getestet werden. Es ist bevorzugt, die erfindungsgemäßen Kapillarrestriktoren in Verbindung mit Katalysetestständen zu verwerden, in denen 0,2 g bis 2 g an Katalysator getestet werden, vorzugsweise weniger als 2 g Katalysator. Dabei ist es jedoch vorteilhaft, dass sich die erfindungsgemäßen Kapillarrestriktormodule prinzipiell auch für Katalyseteststände eignen, in denen - in Bezug auf den Labormaßstab - relativ große Mengen an Katalysator getestet werden.Catalyst tests in which the Kapillarrestriktoren invention and Kapillarrestriktormodule be used are preferably laboratory tests, with which in usually between 0.1 g and 50 g of catalyst are tested. It is preferred to use the capillary restrictors of the invention in conjunction with catalysis tests in which 0.2 g to 2 g of catalyst are tested, preferably less than 2 g of catalyst. However, it is advantageous that the Kapillarrestriktormodule invention are in principle suitable for catalytic tests in which - in relation to the laboratory scale - relatively large amounts of catalyst are tested.
Ein in der Praxis häufig auftretendes Problem bei der Verwendung von Kapillarrestriktoren betrifft die Tatsache, dass die Kanäle der Kapillarrestriktoren gegebenenfalls leicht blockiert werden können, ohne dass sich dies unmittelbar bemerkbar macht. Dies führt zu einer größeren Variation beziehungsweise systematischen Verschiebungen bei der Messdatenqualität. Die Modularisierung und die Beheizbarkeit der Kapillarrestriktoren gemäß der vorliegenden Erfindung trägt dazu bei, dass deren Eigenschaften besser charakterisiert und überwacht werden können, so dass ein verbessertes Eingreifen beim Auftreten von Fehlern möglich ist.A problem frequently encountered in practice in the use of capillary restrictors relates to the fact that the channels of the capillary restrictors may possibly be easily blocked without this being directly noticeable. This leads to a greater variation or systematic shifts in the measurement data quality. The modularization and the heatability of the capillary restrictors according to the present invention helps to better characterize and monitor their properties so that an improved intervention in the occurrence of errors is possible.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kapillarrestriktoren gegenüber der Verwendung von aktiven Massenflussreglern in Testständen besteht darin, dass die Kapillarrestriktoren in der erfindungsgemäßen Bauweise bei höheren Temperaturen und Drücken betrieben werden können als dies mit aktiven Massenflussreglern der Fall ist. Es ist dadurch möglich, die Katalyseteststände unter Betriebsbedingungen zu steuern, die technisch ansonsten nur sehr schwierig zu realisieren sind.A further advantage of the use of capillary restrictors over the use of active mass flow controllers in test stands is that the capillary restrictors in the construction according to the invention can be operated at higher temperatures and pressures than is the case with active mass flow controllers. It is thus possible to control the catalytic test stands under operating conditions that are technically otherwise difficult to implement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt das mechanische Verbiegen von Kapillarrestriktoren einen weiteren Parameter dar, mit dessen Hilfe der Durchfluss durch die Kapillarrestriktoren zusätzlich zur thermischen Steuerung oder alternativ zur thermischen Steuerung in einem bestimmten Bereich gesteuert werden kann. Das Verbiegen besteht entweder in der reversiblen Formveränderung von einer gestreckten zu einer gewickelten Kapillarrestriktor oder der Veränderung der Wicklungszahl beziehungsweise des Wicklungsdurchmessers. Ein solches "Verbiegen" wird vorzugsweise in Zusammenhang mit "elastischen" Kapillarrestriktoren (Young's Modulus unter 90 GPa bzw. 70 GPa) eingesetzt, insbesondere mit "Fused-Silica"- Kapillaren.
Eine bevorzugte Anordnung zur Beheizung eines Kapillarrestriktors unter Benutzung der Kapillarrestriktor als Temperaturfühler besteht aus folgenden Komponenten, die auch im EMSR-Schema in Figur 7 dargestellt sind: Heizelement (300) (mit integriertem Kapillarrohr) mit Anschlüssen (301 , 304), Abnahmepunkten (302, 303), Bezugspunkt (305) einer Subtrahierstufe (306), einer S&H-Stufe (307) (S&H-Stufe), einem P[ID]- Regler (308), einer Inhibitstufe (310), einem Stellglied (311), einer Energiezufuhr für das Heizelement (312), einer Konstantstromquelle (315), einer Freilaufeinrichtung für die Konstantstromquelle (314) und einem übergeordneten Zeitgeber (309).In a further preferred embodiment of the present invention, the mechanical bending of capillary restrictors is another parameter by means of which the flow through the capillary restrictors can be controlled in addition to the thermal control or alternatively to the thermal control in a certain range. The bending consists either in the reversible shape change from a stretched to a wound capillary restrictor or the change in the winding number or the winding diameter. Such "bending" is preferably used in conjunction with "elastic" capillary restrictors (Young's modulus below 90 GPa or 70 GPa), in particular with "fused silica" capillaries. A preferred arrangement for heating a capillary restrictor using the capillary restrictor as a temperature sensor consists of the following components, which are also shown in the EMSR scheme in Figure 7: heating element (300) (with integrated capillary) with terminals (301, 304), take-off points (302 , 303), reference point (305) of a subtractor (306), an S & H stage (307) (S & H stage), a P [ID] controller (308), an inhibit stage (310), an actuator (311), a power supply for the heating element (312), a constant current source (315), a freewheel device for the constant current source (314) and a higher-level timer (309).
Eine Konstantstromquelle (315) liefert einen Strom, der durch das Heizelement (300) geleitet wird. Die Einspeisung des Konstantstroms erfolgt dabei möglichst weit entfernt von den Enden des Heizelements. Zur Einspeisung dienen der erdseitige (301) und der spannungsseitige (304) Einspeisepunkt. Über dieselben Einspeisepunkte wird auch die zu Beheizung nötige Spannung zugeführt. Aufgrund des elektrischen Widerstands des Heizelements entsteht über das Heizelement zwischen den Einspeisepunkten ein Spannungsabfall, der nach dem Ohmschen Gesetztes direkt proportional zum Widerstand des Heizelements verläuft. Die Abnahmepunkte (302 u. 303) für diese Spannung werden möglichst nahe an den Einspeisungspunkten für den Konstantstrom (IT) angebracht, mit deren Hilfe der Widerstand gemessen wird. Durch diese Anordnung der Einspeisungspunkte ergibt sich die größte entnehmbare Spannung und somit die größte Messgenauigkeit beziehungsweise Messempfindlichkeit.A constant current source (315) provides a current that is passed through the heating element (300). The feeding of the constant current is carried out as far as possible from the ends of the heating element. For feeding in, the earth-side (301) and the voltage-side (304) feed-in point are used. The voltage required for heating is supplied via the same feed-in points. Due to the electrical resistance of the heating element is formed via the heating element between the feed points, a voltage drop, which runs directly proportional to the resistance of the heating element according to the Ohm's law. The acceptance points (302 and 303) for this voltage are applied as close as possible to the feed points for the constant current (IT), by means of which the resistance is measured. This arrangement of the feed points results in the largest removable voltage and thus the largest measurement accuracy or measurement sensitivity.
Da diese Spannung die Temperatur repräsentiert, wird diese im Folgenden als Temperaturspannung (UT) bezeichnet. Die Abnahmepunkte für UT (302 u. 303) stehen in Verbindung mit einer subtrahierend wirkenden Stufe (306). In dieser Stufe wird die Differenz zwischen den beiden Abnahmepunkten von UT gebildet. Hierdurch werden störende Einflüsse, wie beispielsweise die elektromotorische Kraft EMK aus Thermospannungen unterdrückt. Das so bereinigte Signal wird in der S&H-Stufe (307) kurzzeitig gespeichert. Der S&H-Stufe (307) kommt die Aufgabe zu, die die Temperatur repräsentierende Spannung während der Zeit, in der die Heizspannung anliegt zu speichern. Die S&H-Stufe steht mit dem Istwert-Eingang eines zumindest Pl-Reglers bevorzugt einem PID-Regler (308) in Verbindung. Der Stellwertausgang des PID-Reglers kommuniziert mit einer Inhibitstufe (310), die die Weiterleitung des Ausgangssignals an
das Stellglied (311) vollständig unterdrücken kann. Im aktivierten Zustand der der Inhibitstufe kann der Sollwertausgang direkt mit dem Stellglied (312) kommunizieren.Since this voltage represents the temperature, this is referred to below as the temperature voltage (UT). The acceptance points for UT (302 and 303) are associated with a subtracting stage (306). In this stage, the difference between the two acceptance points of UT is formed. As a result, disturbing influences, such as the electromotive force EMF suppressed from thermal stresses. The thus corrected signal is temporarily stored in the S & H stage (307). The task of the S & H stage (307) is to store the voltage representing the temperature during the time in which the heating voltage is applied. The S & H stage is connected to the actual value input of an at least Pl controller, preferably a PID controller (308). The control value output of the PID controller communicates with an inhibit stage (310), which signals the forwarding of the output signal the actuator (311) can completely suppress. In the activated state of the inhibit stage, the setpoint output can communicate directly with the actuator (312).
Wenn das Stellglied (312) durch die Inhibitstufe (310) desaktiviert ist, wird der Stromfluss durch das Stellglied bis auf ein technisch mögliches Maß unterdrückt. Vorzugsweise ist der Leckstrom, den das Stellglied liefert, kleiner als wenigstens 1/1000 des Konstantstroms IT. Der Steuereingang des Stellglieds steht mit der Inhibitstufe in Kommunikation. Das Stellglied steht eingangsseitig mit der Heizspannungsquelle (312) und ausgangsseitig mit dem als Heizelement wirkenden Rohr (300) in Verbindung.When the actuator (312) is deactivated by the inhibit stage (310), current flow through the actuator is suppressed to a technically feasible level. Preferably, the leakage current supplied by the actuator is less than at least 1/1000 of the constant current IT. The control input of the actuator is in communication with the inhibit stage. The actuator is on the input side with the Heizspannungsquelle (312) and the output side with the tube acting as a heating element (300) in combination.
Die Verarbeitung von UT in den beschriebenen Komponenten kann sowohl analog als einzelne Schaltungen als auch digital in einem Mikroprozessorsystem realisiert werden. Die Darstellung der Realisierung des Ablaufs in einem digitalen Mikroprozessor ist Figur 8 zu entnehmen.The processing of UT in the described components can be realized both analogously as individual circuits and also digitally in a microprocessor system. The representation of the realization of the process in a digital microprocessor can be seen in FIG.
Für die Beheizung der Kapillarrestriktoren wird eine Heizleistung von 1 bis 50 W*m"1 appliziert. Der Konstantstrom durch die Kapillarrestriktoren sollte in der Größenordnung von 1/100 der aufgeprägten Heizleistung liegen. Für eine Röhre aus Edelstahl 316L mit den Abmaßen 1/16 x 0.012 Zoll (äußerer Durchmesser x Wandstärke) ergibt sich daraus pro Meter eine Heizspannung von 5,3 Volt und unabhängig von der Länge ein Heizstrom von 10 Ampere. Aus der Forderung, dass über den Temperaturmessstrom nur ein Promille der Heizleistung eingetragen werden soll, folgt ein Konstantstrom von 0,1 Ampere.For the heating of the capillary restrictors a heat output of 1 to 50 W * m "1 is applied The constant current through the capillary restrictors should be on the order of 1/100 of the impressed heat output For a tube of stainless steel 316L with the dimensions 1/16 x 0.012 in (outer diameter x wall thickness) results in a heating voltage of 5.3 volts per meter and a heating current of 10 amps regardless of the length Constant current of 0.1 ampere.
Welche effektiven Ströme und Spannungen sowohl für die Beheizung als auch für die Temperaturmessung folgen, hängt von dem Material und dem elektrisch leitenden Querschnitt des Kapillarrestriktors ab.The effective currents and voltages for heating as well as for the temperature measurement depend on the material and the electrically conductive cross-section of the capillary restrictor.
Ein weiterer die Erfindung betreffender Aspekt beziehungsweise ein Aspekt der in direkter Beziehung zu der Erfindung steht, ist eine Kalibriereinrichtung, wobei sich die Einrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Ofen befindet.Another aspect pertaining to the invention or an aspect directly related to the invention is a calibration device, wherein in a preferred embodiment the device is in an oven.
Die Funktionsweise des Heiz-Regelzyklus für die erfindungsgemäß beheizten Kapillarrestriktoren lässt sich exemplarisch wie folgt realisieren: Dem Subtrahierer wird
permanent das Signal der Klemmen UT zugeführt. Damit steht am Ausgang der Subtrahierstufe während der Zeit, in der das Stellglied über die Inhibitstufe gesperrt ist, das Temperatursignal zur Verfügung. Während das Stellglied den Heizstromkreis schließt, fließt ein bedeutend größerer Strom durch das Heizelement, so dass auch an den Klemmen UT eine bedeutend größere Spannung anliegt. Da diese bedeutend größere Spannung jedoch keine Bedeutung für die Temperaturmessung hat, wird dieser Zeitraum vorteilhaft ausgeblendet. Die Ausblendung erfolgt in der S&H-Stufe, die über den übergeordneten Zeitgeber angesteuert wird (siehe Figur 7).The operation of the heating control cycle for the inventively heated Kapillarrestriktoren can be exemplified as follows: The subtractor is permanently fed the signal of the terminals UT. Thus, the temperature signal is available at the output of the subtracting during the time in which the actuator is disabled via the Inhibitstufe. While the actuator closes the heating circuit, a significantly larger current flows through the heating element, so that also at the terminals UT a significantly larger voltage is applied. However, since this significantly larger voltage has no significance for the temperature measurement, this period is advantageously hidden. The blanking takes place in the S & H stage, which is controlled via the higher-level timer (see FIG. 7).
Insgesamt kann vorteilhaft zwischen den folgenden vier Zyklen unterschieden werden: i) Ein Messzyklus, in dem das Heizelement als Temperaturfühler wirkt. ii) Einer Latenzzeit der S&H-Stufe, die zur Signalverarbeitung zu einem stabilen Ausgangssignal abläuft. iii) Einem Heizzyklus, in dem das Heizelement mit Energie versorgt wird, es steht damit unter der Heizspannung. iv) Eine Latenzzeit Messen, in der das Stellglied gesperrt ist und die Schaltkreise zur Messung der Temperatur einschwingen.Overall, a distinction can advantageously be made between the following four cycles: i) A measuring cycle in which the heating element acts as a temperature sensor. ii) A latency of the S & H stage, which proceeds to signal processing to a stable output signal. iii) A heating cycle in which the heating element is supplied with energy, it is thus below the heating voltage. iv) Measure a latency period in which the actuator is locked and the temperature sensing circuitry is tuned.
Ein übergeordneter Zeitgeber synchronisiert die Abfolge der o.g. Arbeitsschritte.A higher-level timer synchronizes the sequence of the o.g. Operations.
Der Zeitgeber aktiviert die S&H-Stufe und sperrt gleichzeitig die Inhibitstufe. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Heizelement nur vom Konstantstrom der Konstantstromquelle durchflössen wird. Der nach allen Einschwingvorgängen der Elektronik anliegende Spannungswert wird in der S&H-Stufe im Moment von deren Desaktivierung gespeichert. Damit steht an der S&H-Stufe nach deren Desaktivierung das gespeicherte Signal zur Verfügung ungeachtet aller Änderungen des Eingangssignals.The timer activates the S & H stage and at the same time blocks the inhibit stage. This ensures that the heating element is only flowed through by the constant current of the constant current source. The voltage value applied after all transient effects of the electronics is stored in the S & H stage at the moment of their deactivation. Thus, at the S & H stage, after their deactivation, the stored signal is available regardless of any changes in the input signal.
Nach einer durch die Verarbeitungszeit der S&H-Stufe vorgegebenen Latenzzeit wird das Stellglied über die Inhibitstufe aktiviert und ein Heizzyklus durchgeführt. Nach Ablauf der Zeit eines Heizzyklus wird nach verstreichen der Latenzzeit für das Einschwingen der Konstantstromquelle und der Subtrahierstufe die S&H-Stufe aktiviert und damit ein neuer Messzyklus durchgeführt.
Die Zeit für den kompletten Durchlauf eines Zyklus soll kurz gegenüber der thermischen Trägheit des Heizelements sein. Die thermische Trägheit des Heizelements tT ist durch die Zeit gegeben, in der die Temperatur in K gemessen um 3% vom aktuellen Wert sinkt. Kurz in diesem Zusammenhang bedeutet, dass der Zyklus tZ in tT mindestens zehnmal durchlaufen wird. Es gilt mithin tT < 10*tZ.After a latency period dictated by the processing time of the S & H stage, the actuator is activated via the inhibit stage and a heating cycle is performed. After the lapse of the heating cycle time, after the latency time for the constant current source and the subtraction stage has lapsed, the S & H stage is activated and a new measurement cycle is thus carried out. The time for the complete cycle of a cycle should be short compared to the thermal inertia of the heating element. The thermal inertia of the heating element tT is given by the time in which the temperature in K decreases by 3% from the current value. In short, this means that the cycle tZ in tT is traversed at least ten times. It therefore applies tT <10 * tZ.
Verfahren zur Kalibrierung des Systems zwecks gezielter Einstellung von TemperaturenMethod for calibrating the system for the purpose of setting temperatures
Da sich die Restriktoren üblicherweise in einem umgebenden Ofen befinden, der selbst eine Temperaturregeleinrichtung besitzt, kann dieser Ofen nebst Regeleinrichtung zum Kalibrieren der Einrichtung herangezogen werden. Voraussetzung für die Prozedur ist, dass der umgebende Ofen in der Lage ist die gewünschten Temperaturen zu erzeugen. Ferner muss die Annahme gerechtfertigt sein, dass die Kapillarrestriktoren respektive Rohre die gleiche Temperatur annehmen, wie sie am Regler des Ofens eingestellt sind. Es muss also beispielsweise verhindert werden, dass den Kapillarrestriktoren oder Rohren über etwaige Aufhängepunkte merklich Wärme entzogen wird, oder dass der Ofen ungleichmäßig heizt. Sollte sich die Beheizungseinrichtung nicht automatisch in einem umgebenden Ofen befinden, so muss sie zur Kalibrierung in einen Ofen gestellt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Bedingungen hinsichtlich der erwähnten gleichmäßigen Durchwärmung eingehalten werden.Since the restrictors are usually located in a surrounding oven, which itself has a temperature control device, this oven can be used in addition to control device for calibrating the device. Prerequisite for the procedure is that the surrounding furnace is able to produce the desired temperatures. Furthermore, it must be justified to assume that the capillary restrictors respectively tubes are at the same temperature as set on the regulator of the furnace. It must therefore be prevented, for example, that the Kapillarrestriktoren or pipes on any suspension points significantly heat is removed, or that the furnace heats unevenly. If the heater is not automatically located in a surrounding oven, it must be placed in an oven for calibration. It should be noted that the conditions are observed with respect to the mentioned uniform heating.
Der Ofenregelung werden nacheinander in dem später zu regelnden Bereich Temperatursollwerte vorgegeben. Nach jeder neuen Einstellung einer Temperatur wird abgewartet, bis eine Equilibrierung der Temperatur stattgefunden hat. Hat der Temperaturausgleich stattgefunden, wird die Temperaturspannung UT mittels des Prozessierungssystems gemessen und der entsprechende Spannungswert in einem Speicher abgelegt; ebenso wird mit dem Temperaturwert verfahren. Nach Durchlauf eines Zyklus von mehreren unterschiedlichen Temperaturen, mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen und bevorzugt mehr als zwei, ergibt sich eine Ansammlung von Werten, anhand derer die Spannungswerte zur späteren Temperaturbestimmung abgerufen werden können.
Bei einer bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ofen zunächst auf diejenige Temperatur eingestellt, in der die Kalibrierung vorgenommen werden soll. Dieser Bereich liegt zwischen 200C und 5000C, vorzugsweise zwischen 50°Cund 3000C und insbesondere zwischen 5O0C und 2000C. Es ist davon auszugehen, dass die Temperaturverteilung des verwendeten Ofens vorliegt, so dass die Temperatur der zu kalibrierenden Kapillarrestriktor beziehungsweise des als Heizer dienenden Rohrs mit einer Genauigkeit von +/- 0,5 K vorhergesagt werden kann. Der Temperaturwert dient als Referenzwert zur Temperaturkalibrierung. Die Temperaturspannung wird nach Verstreichen der Equilibrierungszeit gemessen. Die Temperaturspannung wird in einem Speicher einer Temperatur zugeordnet.The furnace control is set one after the other in the temperature range to be controlled later. After each new setting of a temperature is waited until a temperature equilibration has taken place. If the temperature compensation has taken place, the temperature voltage UT is measured by means of the processing system and the corresponding voltage value is stored in a memory; the same applies to the temperature value. After passing through a cycle of several different temperatures, at least two different temperatures, and preferably more than two, results in a collection of values by means of which the voltage values can be retrieved for later temperature determination. In a preferred implementation of the method according to the invention, the furnace is first set to the temperature in which the calibration is to be performed. This range is between 20 0 C and 500 0 C, preferably between 50 ° C and 300 0 C and in particular between 5O 0 C and 200 0 C. It is assumed that the temperature distribution of the furnace used is present, so that the temperature of calibrating Kapillarrestriktor or serving as a heater tube with an accuracy of +/- 0.5 K can be predicted. The temperature value serves as a reference value for temperature calibration. The temperature voltage is measured after the equilibration time has elapsed. The temperature voltage is assigned to a temperature in a memory.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Teststand zumindest zwei Untergruppen von parallel angeordneten Reaktionsgefäßen, wobei jede Untergruppe jeweils zumindest zwei, weiter vorzugsweise zumindest drei, weiter vorzugsweise zumindest vier parallel angeordnete Reaktionsgefäße umfasst. Dabei umfasst jedes Reaktionsgefäß der zumindest zwei Untergruppen zumindest eine Zuleitung sowie zumindest eine Ableitung. Dabei sind alle Reaktionsgefäße der zumindest zwei Untergruppen mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden. Die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß umfassen jeweils zumindest einen Restriktor, der innerhalb jeder Untergruppe vorzugsweise den gleichen Strömungswiderstand hat, wobei es bevorzugt ist, dass der Strömungswiderstand zwischen den Restriktoren der Untergruppen unterschiedlich ist.According to a further embodiment of the present invention, the test stand comprises at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup comprising at least two, more preferably at least three, more preferably at least four, parallel arranged reaction vessels. In this case, each reaction vessel of the at least two subgroups comprises at least one supply line and at least one discharge line. In this case, all reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one fluid supply common to all reaction vessels. The feed lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor which preferably has the same flow resistance within each subgroup, it being preferred that the flow resistance between the restrictors of the subgroups be different.
Bevorzugt steht in zumindest einer Untergruppe zumindest ein Restriktor, vorzugsweise stehen alle Restriktoren in dieser Untergruppe, in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizen (kühlen) kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes. Vorzugsweise handelt es sich bei den Restriktoren um Kapillarrestriktoren.At least one restrictor is preferably present in at least one subgroup, preferably all restrictors in this subgroup are in thermal and / or physical contact with at least one heating and / or cooling means which can heat (restrict) the restrictor to a different temperature, as the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel. Preferably, the restrictors are capillary restrictors.
Gemäß einer hierzu bevorzugten Ausführungsform liegt für zumindest eine Untergruppe, vorzugsweise pro Untergruppe (jeweils) zumindest ein Mittel zum Heizen vor, welches zumindest einem oder vorzugsweise allen Restrikor(en) der jeweiligen Untergruppe(n) gemeinsam ist. Vorzugsweise ist zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen der
einen Untergruppe unabhängig von zumindest einem anderen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen der zumindest einen anderen Untergruppe auf eine andere Temperatur regelbar.According to a preferred embodiment, there is at least one heating means for at least one subgroup, preferably per subgroup (in each case), which is common to at least one or preferably all of the restricers of the respective subgroup (s). Preferably, at least one means for heating and / or cooling is the a subset independent of at least one other means for heating and / or cooling the at least one other subgroup to another temperature regulated.
Die Verwendung von Restriktoren, mit unterschiedlichen Strömungswiderständen in zumindest zwei Untergruppen bietet den Vorteil, dass in Bezug auf den Teststand ein größeres Regime an unterschiedlichen Flussraten beziehungsweise GHSV-Bedingungen (nämlich mindestens zwei) eingestellt werden kann, wobei trotz dieser Variabilität im Fluss durch die Reaktionsgefäße ein und dieselbe Fluidzufuhr verwendet werden kann.The use of restrictors with different flow resistances in at least two subgroups offers the advantage that with respect to the test rig a larger regime at different flow rates or GHSV conditions (namely at least two) can be adjusted, despite this variability in the flow through the reaction vessels one and the same fluid supply can be used.
Dies lässt sich besonders anschaulich für eine durchströmte Kapillare als Restriktor (Kapillarrestriktor) darstellen. Der Strömungswiderstand, welchen ein solcher Restriktor einem Fluid entgegensetzt, hängt gemäß des Hagen-Poisenille-Gesetzes für laminare Rohrströmung von der Viskosität des durchfließenden Fluids ab, nämlich im Sinne von "Strömungswiderstand = Viskosität x Rohrlänge x 1 / Rohrdurchmesser zur vierten Potenz". Somit kann also durch unterschiedliche Länge und/oder Rohrdurchmesser in einfacher Weise der Strömungswiderstand zwischen den Restriktoren zweier Untergruppen unterschiedlich eingestellt werden.This can be illustrated particularly clearly for a capillary flowed through as a restrictor (capillary restrictor). The flow resistance, which opposes such a restrictor fluid, according to the Hagen Poisenille law for laminar pipe flow from the viscosity of the fluid flowing through, namely in the sense of "flow resistance = viscosity x pipe length x 1 / pipe diameter to the fourth power". Thus, therefore, the flow resistance between the restrictors of two sub-groups can be adjusted differently by different length and / or tube diameter in a simple manner.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt für eine Untergruppe an Restriktoren zumindest ein Mittel zum Heizen (und/oder Kühlen) vor, welches mit zumindest einem Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt steht. Vorzugsweise liegt jeweils pro Untergruppe jeweils zumindest ein Mittel zum Heizen/Kühlen vor, wobei zumindest ein Mittel zum Heizen unabhängig von zumindest dem einen anderen Mittel zum Heizen ist, d.h. insbesondere auf eine andere Temperatur regelbar. In dieser Ausführungsform ist es möglich, Restriktoren durch unterschiedliche Temperatur auf unterschiedliche Strömungswiderstände und damit Flüsse einzuregeln.According to a preferred embodiment, for a subgroup of restrictors there is at least one means for heating (and / or cooling) which is in thermal and / or physical contact with at least one restrictor. Preferably, there is at least one heating / cooling means per subgroup, at least one means for heating being independent of at least one other means for heating, i. in particular adjustable to a different temperature. In this embodiment, it is possible to regulate restrictors by different temperature to different flow resistance and thus flows.
Gemäß einer hierzu bevorzugten Ausführungsform umfassen alte Restriktoren jeweils ein Mittel zum Heizen, welche jeweils unabhängig voneinander ansteuer- und/oder regelbar sind. Diese Ausführungsform erlaubt es, jeden der Restriktoren auf einen anderen Strömungswiderstand einzustellen und somit die Flüsse durch die Restriktoren individuell zu regeln.
Der besondere Vorteil der Möglichkeit, einen Restriktor kontrolliert und getrennt von den anderen Komponenten des Teststandes zu heizen und/oder zu kühlen, insbesondere Restriktoren einer Untergruppe, besteht darin, dass hierdurch der Fluss durch die Restriktoren ohne bewegliche mechanische Bauteile, wie diese beispielsweise in Ventilen oder Flussreglern vorliegen, einfach geregelt werden kann, nämlich dadurch, dass die Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Fluiden ausgenutzt wird.According to a preferred embodiment, old restrictors each comprise a means for heating, which are each independently controllable and / or controllable. This embodiment makes it possible to set each of the restrictors to a different flow resistance and thus to regulate the flows through the restrictors individually. The particular advantage of being able to heat and / or cool a restrictor in a controlled manner and separately from the other components of the test stand, in particular restrictors of a subgroup, is that the flow through the restrictors without movable mechanical components, such as those in valves, for example or flow regulators can be easily controlled, namely, that the temperature dependence of the viscosity of fluids is utilized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Restriktoren der einen Untergruppe in thermischem und/oder physischem Kontakt mit einem allen diesen Restriktoren gemeinsamem ersten Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, wohingegen sämtliche Restriktoren der zumindest einen anderen Untergruppe mit einem vom ersten Mittel zum Heizen und/oder Kühlen verschiedenen zweiten Mittel zum Heizen und/oder Kühlen in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen, welches vorzugsweise unabhängig vom ersten Mittel zum Heizen und/oder Kühlen geregelt und/oder gesteuert werden kann.According to a preferred embodiment, all the restrictors of the one subgroup are in thermal and / or physical contact with a first heating and / or cooling means common to all these restrictors, whereas all the restrictors of the at least one other subgroup are with one of the first means for heating and / or Cooling various second means for heating and / or cooling in thermal and / or physical contact, which can be regulated and / or controlled independently of the first means for heating and / or cooling preferably.
Diese Ausführungsform benötigt prinzipiell nur ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen pro Untergruppe an Restriktoren (und entsprechend auch nur jeweils einen Regel/Steuerkreis), ist also besonders einfach aufzubauen und zu handhaben. Trotz dieses vergleichsweise einfachen Aufbaus können in den zwei Untergruppen durch Heizen bzw. Kühlen der Restriktoren in der einen (und "Nicht-Heizen" bzw. "Nicht- Kühlen" oder "Anders-Heizen" bzw. "Anders-Kühlen" in der anderen Untergruppe) zumindest zwei verschiedene Fluid-Flüsse durch die Reaktionsgefäße eingestellt werden, und zwar bei jeweils gleichem Eduktfluss (da ja alle Zuleitungen mit einer gemeinsamen Fluidzufuhr in Verbindung stehen).In principle, this embodiment requires only one means for heating and / or cooling per subgroup of restrictors (and correspondingly only one control / control circuit), so it is particularly easy to set up and to handle. Despite this comparatively simple construction, in the two subgroups, by heating or cooling the restrictors in one (and "non-heating" or "non-cooling" or "different-heating" or "different-cooling" in the other Subgroup) at least two different fluid flows are set by the reaction vessels, and in each case the same educt flow (since all supply lines are in communication with a common fluid supply).
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform sind sämtliche Restriktoren von zumindest einer der zumindest zwei Untergruppen nicht in thermischem und/oder physischem Kontakt mit einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches die Restriktoren jeweils auf eine andere Temperatur heizen (kühlen) könnte, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäße, wohingegen sämtliche Restriktoren der zumindest einen anderen Untergruppe mit einem diesen Restriktoren gemeinsamen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Restriktoren innerhalb jeder der zumindest zwei Untergruppen bei gleichen sonstigen Bedingungen (also insbesondere gleiche Temperatur, Druck, etc.) jeweils den gleichen Strömungswiderstand, wohingegen der Strömungswiderstand der Restriktoren der zumindest einen Untergruppe vom Strömungswiderstand der zumindest einen anderen Untergruppe um zumindest 10 % verschieden ist, vorzugsweise um zumindest 20 %, weiter vorzugsweise um zumindest 50 %.According to another alternative embodiment, all of the restrictors of at least one of the at least two subgroups are not in thermal and / or physical contact with a heating and / or cooling means which could heat (cool) the restrictors to a different temperature than the temperature the surroundings and as the temperature of the respective reaction vessel, whereas all restrictors of the at least one other subgroup are in thermal and / or physical contact with a means for heating and / or cooling common to these restrictors. In a preferred embodiment, the restrictors within each of the at least two subgroups at the same other conditions (ie in particular the same temperature, pressure, etc.) each have the same flow resistance, whereas the flow resistance of the restrictors of at least one subgroup of the flow resistance of at least one other subgroup to at least 10% different, preferably by at least 20%, more preferably by at least 50%.
Im Sinne der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie oben beschrieben, bevorzugt, dass ein Katalyse-Teststand zumindest zwei Untergruppen von zwei, vier, acht oder mehr Reaktionsgefäßen umfasst, also insgesamt mit einer großen Anzahl an Kapillarrestriktoren ausgestattet ist. Dadurch wird auch ersichtlich, dass eine verbesserte und einfache Handhabung der Kapillarrestriktoren von großem wirtschaftlichen Interesse ist. Beispielsweise kann ein Teststand, der über sechzehn parallel angeordnete Reaktoren verfügt, mit 16 bis 64 Kapillarrestriktorelementen ausgerüstet sein (da Kapillarrestriktoren nicht nur, wie vorstehend beschrieben, zur reaktionsraumseingangsseitigen Fluidkontrolle eingesetzt werden, sondern in vielen Anwendungen auch reaktionsausgangsseitig zur Druckminderung oder für die Gleichverteilung eines Haltegases), wobei dieser dann doppelt so viele Kapillarrestriktorendstücke und somit auch doppelt so viele Verbindungsstellen, d.h. 32 bis 128 Verbindungsstellen, zwischen Kapillarleitungen und Anschlussleitungen besitzt.In the context of the present embodiment, it is preferred, as described above, for a catalytic test stand to comprise at least two subgroups of two, four, eight or more reaction vessels, that is to say a total of a large number of capillary restrictors. It will also be appreciated that improved and easy handling of the capillary restrictors is of great economic interest. For example, a test rig having sixteen reactors in parallel may be equipped with 16 to 64 capillary restrictor elements (since capillary restrictors are not only used for reaction chamber inlet side fluid control as described above, but also reaction exit side for pressure reduction or uniform distribution of holding gas in many applications ), which then twice as many Kapillarrestriktorendstücke and thus twice as many joints, ie 32 to 128 connection points, between capillary lines and connecting cables has.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfassen pro Kapillarrestriktormodul zwei oder mehr Kapillarrestriktoren jeweils ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen beziehungsweise alle Kapillarrestriktoren ein gemeinsames Mittel zum Heizen und/oder Kühlen.According to an alternative embodiment, per capillary restrictor module two or more capillary restrictors each comprise a means for heating and / or cooling or all capillary restrictors a common means for heating and / or cooling.
Eine Ausführungsform umfasst einen ein Teststand zum parallelen Testen von Katalysatoren unter unterschiedlichen Strömungsbedingungen, wobei der Teststand zumindest zwei Untergruppen von parallel angeordneten Reaktionsgefäßen umfasst, wobei jede Untergruppe jeweils zumindest zwei oder drei oder vier parallel angeordnete Reaktionsgefäße umfasst und jedes Reaktionsgefäß der zumindest zwei Untergruppen zumindest eine Zuleitung sowie zumindest eine Ableitung umfasst und alle
Reaktionsgefäße der zumindest zwei Untergruppen mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden sind, wobei die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß jeweils zumindest einen Restriktor umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Restriktoren bei gleichen sonstigen Bedingungen innerhalb einer Untergruppe den gleichen Strömungswiderstand aufweisen, zwischen zumindest zwei Untergruppen jedoch einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen.One embodiment comprises a test rig for parallel testing of catalysts under different flow conditions, wherein the test rig comprises at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup comprising at least two or three or four reaction vessels arranged in parallel and each reaction vessel of the at least two subgroups comprising at least one Supply line and at least one derivative includes and all Reaction vessels of the at least two subgroups are connected to at least one reaction vessel common fluid supply, wherein the supply lines to each reaction vessel each comprise at least one restrictor, characterized in that the restrictors have the same flow resistance under the same other conditions within a subgroup, but between at least two subgroups have a different flow resistance.
Bevorzugt ist, dass die Restriktoren Kapillarrestriktoren sind.It is preferred that the restrictors are capillary restrictors.
Bevorzugt ist, dass in zumindest einer Untergruppe zumindest ein Restriktor in thermischem und/oder physischen Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen steht, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizen bzw. kühlen kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes.It is preferred that in at least one subgroup at least one restrictor is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling, which can respectively heat or cool the restrictor to a different temperature than the temperature of the environment and as the temperature of the respective reaction vessel.
Bevorzugt ist, dass zumindest zwei Mittel zum Heizen und/oder Kühlen vorliegen, welche mit jeweils zumindest einem Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen.It is preferred that there are at least two means for heating and / or cooling, which are each in thermal and / or physical contact with at least one restrictor.
Bevorzugt ist, dass zumindest ein Mittel zum Heizen unabhängig von dem zumindest einen anderen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen ist, d.h. auf eine andere Temperatur regelbar ist.It is preferred that at least one means for heating be independent of the at least one other means for heating and / or cooling, i. is adjustable to a different temperature.
Bevorzugt ist, dass jede Untergruppe zumindest vier oder zumindest sechs Reaktionsgefäße sowie zumindest vier oder zumindest sechs Restriktoren umfasst.It is preferred that each subgroup comprises at least four or at least six reaction vessels and at least four or at least six restrictors.
Bevorzugt ist, dass alle Restriktoren zumindest einer Untergruppe jeweils ein allen diesen Restriktoren gemeinsames Mittel zum Heizen umfassen.It is preferred that all restrictors of at least one subgroup each comprise a heating means common to all these restrictors.
Bevorzugt ist, dass der Strömungswiderstand der Restriktoren der einen Untergruppe vom Strömungswiderstand der zumindest einen anderen Untergruppe um zumindest 10 % verschieden ist, vorzugsweise um zumindest 20 %, weiter vorzugsweise um zumindest 50 %.
Bevorzugt ist, dass die Restriktoren Kapillarrestriktoren sind, die eine charakteristische Länge aufweisen, welche zumindest fünfhundertmal größer ist als der charakteristische mittlere Durchmesser.It is preferred that the flow resistance of the restrictors of the one subgroup is different from the flow resistance of the at least one other subgroup by at least 10%, preferably by at least 20%, more preferably by at least 50%. It is preferred that the restrictors are capillary restrictors having a characteristic length which is at least five hundred times greater than the characteristic mean diameter.
Bevorzugt ist der Innendurchmesser der Kapillarrestriktoren kleiner oder gleich 250 μm und bevorzugt reicht die Länge der Kapillarrestriktoren von 1 m bis 6 m.The internal diameter of the capillary restrictors is preferably less than or equal to 250 μm and preferably the length of the capillary restrictors ranges from 1 m to 6 m.
Bevorzugt ist, dass die Kapillarrestriktoren aus einem einem keramischen Material mit einem Elastizitätsmodul oder Young's Modulus kleiner als 90 GPa, vorzugsweise kleiner als 70 GPa bestehen, und dabei vorzugsweise aus gezogenem Glas bestehen, und dabei weiter vorzugsweise aus Fused Silica bzw. Fused Quartz bestehen.It is preferred that the Kapillarrestriktoren consist of a ceramic material having a modulus of elasticity or Young's modulus less than 90 GPa, preferably less than 70 GPa, and preferably consist of drawn glass, and further preferably consist of fused silica or fused quartz.
Bevorzugt ist, dass zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und/oder zumindest ein Restriktor zumindest einen Temperatursensor umfasst.It is preferred that at least one means for heating and / or cooling and / or at least one restrictor comprises at least one temperature sensor.
Bevorzugt ist, dass die aus den Reaktionsgefäßen ausfließenden Reaktionsprodukte und/oder nicht reagierte Edukte und/oder eigens hinzugefügte "Tracer"-Fluide in zumindest einem Analysator analysiert werden und die Steuerung und/oder Regelung des Teststandes dazu geeignet ist, den Strömungswiderstand von einzelnen Kapillarrestriktoren dadurch einzustellen, zu kalibrieren beziehungsweise zu regeln, dadurch dass das Signal eines Analysators von der Steuerung und/oder Regelung zur Regelung beziehungsweise Steuerung zumindest eines Mittels zum Heizen und/oder Kühlen verwendet wird, um durch Einstellung einer vorbestimmten bzw. berechneten Heiz- bzw. Kühlleistung vorbestimmte Flussmengen an Fluidstrom, der durch die Kapillarrestriktoren hindurchströmt, zu steuern bzw. zu regeln.It is preferred that the reaction products flowing out of the reaction vessels and / or unreacted educts and / or specially added "tracer" fluids are analyzed in at least one analyzer and the control and / or regulation of the test stand is suitable for the flow resistance of individual capillary restrictors by adjusting or calibrating the signal of an analyzer by the controller and / or controller for controlling or controlling at least one means for heating and / or cooling, by setting a predetermined or calculated heating or Cooling power predetermined flow amounts of fluid flow passing through the Kapillarrestriktoren to control or regulate.
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
In einer Testreihe wurden jeweils mit einem Heizelement und einem Temperatursensor versehene Kapillarrestriktoren in einen Teststand eingebaut. Bei den hierbei verwendeten Kapillarrestriktoren handelt es sich um Fused-Silica-Kapillarrestriktoren mit einem Innendurchmesser von 75 μm und einer Länge von 2 m.In a series of tests, capillary restrictors each equipped with a heating element and a temperature sensor were installed in a test stand. The capillary restrictors used in this case are fused silica capillary restrictors with an internal diameter of 75 μm and a length of 2 m.
Die in die Versuchsapparatur eingesetzten Kapillarrestriktoren wurden an eine Druckgasleitung angeschlossen, wobei über einen Druckregler eine gewünschte
Druckdifferenz entlang der einzelnen Kapillarrestriktoren von der Eingangsseite zur Ausgangsseite eingestellt wurde. Im vorliegenden Beispiel wurde Stickstoff als Druckgas verwendet und eine Druckdifferenz von 20 bar eingestellt. Die Temperatur der Kapillarrestriktoren wurde von 11O0C auf 1900C erhöht, wobei jeweils in Temperaturstufen von 20 K eine Bestimmung der Flussrate vorgenommen wurde. Die Flussraten sind in der Tabelle zusammengefasst. Durch Erhöhen der Temperatur um nur 70 K kann somit der Fluss durch eine ansonsten unveränderte Kapillarrestriktor um ca. 30% verringert d.h. quasi aktiv eingestellt werden. Im Gegensatz zu einem aktiven Restriktor, beispielsweise einem Flussregler mit Nadeliochengstelle, sind hierzu allerdings keine mechanisch bewegten Teile notwendig.The capillary restrictors used in the experimental apparatus were connected to a compressed gas line, via a pressure regulator a desired Pressure difference along the individual capillary restrictors from the input side to the output side has been set. In the present example, nitrogen was used as the compressed gas and a pressure difference of 20 bar was set. The temperature of the capillary restrictors was increased from 11O 0 C to 190 0 C, wherein in each case in temperature stages of 20 K, a determination of the flow rate was made. The flow rates are summarized in the table. By increasing the temperature by only 70 K, the flow can thus be reduced by about 30% by an otherwise unchanged capillary restrictor, ie set quasi active. In contrast to an active restrictor, for example, a flow controller with Nadeliochengstelle, but this no mechanically moving parts are necessary.
Tabelle 1Table 1
Ausführungsbeispiel 2 In einer weiteren Testreihe wurden Kapillarrestriktoren in einen Teststand gerade eingebaut und die Strömungseigenschaften von Gasen in Bezug auf die Wicklungsparameter untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in der Tabelle 2 dargestellt. Bei den hierbei verwendeten Kapillarrestriktoren handelt es sich um Fused- Silica-Kapillarrestriktoren mit einem Innendurchmesser von 75 μm und einer Länge von 1.5 m.Embodiment 2 In another series of tests, capillary restrictors were just installed in a test rig and the flow characteristics of gases in relation to the winding parameters were investigated. The results of the study are shown in Table 2. The capillary restrictors used in this case are fused silica capillary restrictors with an internal diameter of 75 μm and a length of 1.5 m.
Die in die Versuchsapparatur eingesetzten Kapillarrestriktoren wurden an eine Druckgasleitung angeschlossen, wobei über einen Druckregler eine gewünschte Druckdifferenz entlang der einzelnen Kapillarrestriktoren von der Eingangsseite zur Ausgangsseite eingestellt wurde. In den vorliegenden Beispielen wurde Stickstoff und Helium als Druckgas verwendet und verschiedene Druckdifferenzen eingestellt. Die Kapillarrestriktoren wurden bei 25°C getestet. Im Anschluss wurden die Kapillaren verschieden aufgewickelt und ebenfalls bei verschiedenen Drücken getestet.The capillary restrictors used in the experimental apparatus were connected to a compressed gas line, wherein a desired pressure difference along the individual Kapillarrestriktoren was adjusted from the input side to the output side via a pressure regulator. In the present examples, nitrogen and helium were used as the pressurized gas and various pressure differences were set. The capillary restrictors were tested at 25 ° C. Subsequently, the capillaries were wound up differently and also tested at different pressures.
In Tabelle 2 sind die verschiedenen Wicklungsparameter Anzahl der Wicklungen, Wicklungsradius und Wicklungslänge und die bei verschiedenen Druckdifferenzen gemessenen Flüsse aufgeführt, und zwar unter Verwendung von Stickstoff als Gas. Die
in der Tabelle 2 gemachte Druckangabe bezieht sich auf den Überdruck. Die Differenz zwischen der gewickelten Länge und der Gesamtlänge der Kapillare ergibt die Länge des nicht gewickelten Kapillarteils.Table 2 lists the various winding parameters, number of windings, winding radius and winding length and the fluxes measured at different pressure differences, using nitrogen as the gas. The in the table 2 made pressure refers to the overpressure. The difference between the wound length and the total length of the capillary gives the length of the unwound capillary part.
ie entsprechende Tabelle für Helium als Fluid ist Tabelle 3: The corresponding table for helium as fluid is Table 3:
Bei einer gegebenen Druckdifferenz wird aus dem Vergleich der Messwerte von ungewickelter Kapillare mit denen der gewickelten Kapillare ein Verlust (relativer Verlust an Durchflussmenge) berechnet. Dieser beträgt maximal 18,4 %. For a given pressure difference, a loss (relative loss of flow rate) is calculated by comparing the measurements of un-wound capillary with those of the wound capillary. This is a maximum of 18.4%.
Zusätzlich wurde die Änderung berechnet. Diese wurde aus der Flussmenge für die ungewickelte Kapillare im Verhältnis zur Flussmenge der nahezu vollständig gewickelten Kapillare mit 7 Wicklungen ä 6 cm Durchmesser berechnet und beträgt maximal 22,5 %.In addition, the change was calculated. This was calculated from the amount of flow for the unwound capillary in relation to the flow rate of the almost completely wound capillary with 7 turns of 6 cm diameter and amounts to a maximum of 22.5%.
Aus den Messungen lässt sich ableiten, dass der Fluss mit der Länge der Wicklungen und dem Wicklungsdurchmesser bei einer gegebener Druckdifferenz sinkt. Zusätzlich ist ersichtlich, dass die Änderung mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, bei 1600 ein Maximum erreicht und darüber wieder abnimmt.
From the measurements, it can be deduced that the flux decreases with the length of the windings and the winding diameter at a given pressure difference. In addition, it can be seen that the change increases as the Reynolds number increases, reaches a maximum at 1600, and decreases again.
Bezugszeichenliste 2 ... 06 - regelbare bzw. steuerbare Kapillarrestriktoren - Kapillarrestriktormodul - Mittel zum Heizen - Kapillarleitung - Mulitportventil - Analysengerät - Ausgangsleitung zur Abluft - analysengerätseitige Abluftleitung, wobei auch eineList of Reference Numerals 2 ... 06 - controllable or controllable capillary restrictors - capillary restrictor module - means for heating - capillary line - multi-port valve - analyzer - outlet line to the exhaust air - analyzer-side exhaust air line, including a
Verbindung zur Leitung (54) vorhanden sein kann - elektronische Verbindungsleitung zum Regler beziehungsweise Steuerprogramm der Apparatur - Regler oder Steuereinheit zur Regelung oder Steuerung der beheizbaren Kapillarrestriktoren - 110 - Reaktionsgefäße - 210 - Verbindungsleitungen zwischen den steuerbaren bzw. regelbaren Kapillarrestriktoren und den Reaktionsgefäßen - 229 - steuerbare bzw. regelbaren Kapillarrestriktoren - Heizelement , 304 - Anschlüsse , 303 - Abnahmepunkte - Bezugspunkte für die Stromkreise (316) und (312) - Subtrahierstufe - S&H-Stufe (Sample&Hold-Stufe ist gleich Abtastspeicher,Connection to the line (54) may be present - electronic connection line to the controller or control program of the apparatus - controller or control unit for controlling or controlling the heatable capillary restrictors - 110 - Reaction vessels - 210 - connecting lines between the controllable or controllable capillary restrictors and the reaction vessels - 229 - controllable or controllable capillary restrictors - heating element, 304 - connections, 303 - acceptance points - reference points for circuits (316) and (312) - subtraction stage - S & H stage (Sample & Hold stage is the same as sample memory,
Kondensator der Spannung speichert) ' - digitale Verarbeitung entsprechend (307) - PID-Regler " - Software-PID-Regler - übergeordneter Zeitgeber zur Steuerung des Messzyklus gegenüber dem Heizzyklus - Inhibitstufe - Stellglied
313 Zuführung für KonstantstromCapacitor of the voltage stores) '- digital processing according to (307) - PID controller "- software PID controller - higher-level timer for controlling the measuring cycle compared to the heating cycle - inhibit stage - actuator 313 Constant current feed
314 Freilaufeinrichtung für Konstantstrom314 freewheel device for constant current
315 Konstantstromquelle315 constant current source
316 Spannungsversorgung der Konstantstromquelle für die Widerstandmessung316 Voltage supply of the constant current source for resistance measurement
317 Istwert für (320)317 Actual value for (320)
318 externe Sollwertgabe für (308) (innerer PID-Regler)318 external setpoint input for (308) (internal PID controller)
319 Sollwertvorgabe für Kaskadenregler319 Setpoint input for cascade controller
320 übergeordneter Kaskadenregler320 superordinate cascade controller
350 Anpassungsverstärker (Konditionierverstärker oder Abschwächer) für (303)350 matching amplifier (conditioning amplifier or attenuator) for (303)
351 Tiefpass im Kanal (303)351 lowpass in the channel (303)
352 Anpassungsverstärker (Konditionierverstärker) für (302)352 matching amplifier (conditioning amplifier) for (302)
353 Tiefpass für Kanal (302)353 lowpass for channel (302)
356 Analog-Digital-Umsetzer im Kanal (303)356 analog-to-digital converter in the channel (303)
357 Analog-Digital-Umsetzer im Kanal (302)357 analog-to-digital converter in the channel (302)
360 Funktionsgruppe, die von MikroController darstellbar ist360 function group that can be displayed by MikroController
362 Steuerbus für die zeitliche Synchronisation362 Timing Synchronization Bus
363 Zeitgeber für die Ablaufsteuerung363 Timer for the sequence control
401 - 410 Zuleitungen zu den steuerbaren bzw. regelbaren Kapillarrestriktoren401 - 410 supply lines to the controllable or adjustable capillary restrictors
501 - 510 Verbindungsleitungen der Temperatursensoren zu einem Regler bzw. Steuerkasten501 - 510 Connecting cables of the temperature sensors to a controller or control box
600 Gehäuse (Rahmen) mit Aussparung für Kapillarrestriktoren und Aufnahmebereiche mit Gewinde600 Housing (frame) with recess for capillary restrictors and threaded receiving areas
601 , 601 ' Nuten beziehungsweise Aussparungen601, 601 'grooves or recesses
602, 602' Einlegeelemente (beispielsweise Unterlegscheiben)602, 602 'insert elements (for example washers)
603, 603' Dichtungselement mit Durchführung für Kapillarrestriktor603, 603 'Sealing element with passage for capillary restrictor
604, 604" Haltesteg (Verdrehsicherung)604, 604 "retaining bar (anti-twist protection)
605, 605' zweiseitiges Schraubgewinde (kann zumindest auch an einer Seite mit Schnellkupplung bzw. Bajonett-Verschluss versehen sein)605, 605 'two-sided screw thread (can at least be provided on one side with quick coupling or bayonet closure)
606, 606' Dichtungselement mit Durchführung für Leitung606, 606 'Sealing element with bushing for cable
607, 607' Verschraubung mit Durchführung (Überwurfmutter)
608, 608', 609" - entspricht (605) (hier mit δeckiger Mutter und 12eckiger607, 607 'screw connection with bushing (union nut) 608, 608 ', 609 "- corresponds to (605) (here with δeckiger mother and 12eckiger
Schraube)Screw)
701 - 710 - Versorgungsleitungen zum Betrieb der Mittel zum Heizen, die mit den Kapillarrestriktoren in Verbindung stehen701 - 710 - Supply lines for operating the means of heating, which are in communication with the capillary restrictors
801 - 810 - Eingangspositionen für die Temperatursensoren am Regler bzw. am Steuerkasten801 - 810 - Input positions for the temperature sensors on the controller or control box
901 - 910 - Ausgangspositionen vom Regler zu den Heizelementen der901 - 910 - Starting positions from the controller to the heating elements of the
Kapillarrestriktoren
Kapillarrestriktoren
Claims
1. Teststand umfassend zumindest zwei parallel angeordnete Reaktionsgefäße, wobei jedes Reaktionsgefäß zumindest eine Zuleitung sowie zumindest eine Ableitung umfasst und alle Reaktionsgefäße des Teststands mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden sind, wobei die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß jeweils zumindest einen Restriktor umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der zumindest zwei Restriktoren in thermischem und/oder physischem Kontakt mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen steht, welches den Restriktor jeweils auf eine andere Temperatur heizen bzw. kühlen kann, als die Temperatur der Umgebung und als die Temperatur des jeweiligen Reaktionsgefäßes.1. test stand comprising at least two reaction vessels arranged in parallel, wherein each reaction vessel comprises at least one supply line and at least one derivative and all reaction vessels of the test stand are connected to at least one fluid supply common to all reaction vessels, the supply lines to each reaction vessel each comprising at least one restrictor, characterized in that at least one of the at least two restrictors is in thermal and / or physical contact with at least one means for heating and / or cooling which can respectively heat or cool the restrictor to a different temperature than the ambient temperature and the temperature of the respective reaction vessel.
2. Teststand gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Teststand zumindest vier oder zumindest sechs parallel angeordnete Reaktionsgefäße und damit auch zumindest vier oder zumindest sechs Zuleitungen und zumindest vier oder zumindest sechs Restriktoren vorliegen.2. Test stand according to claim 1, characterized in that in the test stand at least four or at least six parallel arranged reaction vessels and thus also at least four or at least six leads and at least four or at least six restrictors are present.
3. Teststand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswiderstände in den Restriktoren der Zuleitungen unter ansonsten gleichen Bedingungen gleich oder im wesentlichen gleich sind.3. Test stand according to one of claims 1 or 2, characterized in that the flow resistance in the restrictors of the supply lines are the same or substantially the same under otherwise identical conditions.
4. Teststand gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Restriktoren Kapillarrestriktoren sind.4. Test stand according to at least one of the preceding claims, characterized in that the restrictors are capillary restrictors.
5. Teststand nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teststand zumindest zwei Mittel zum Heizen und/oder Kühlen umfasst, welche mit jeweils zumindest einem Restriktor in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen.5. test stand according to at least one of the preceding claims, characterized in that the test stand at least two means for heating and / or Includes cooling, which are each in thermal and / or physical contact with at least one restrictor.
6. Teststand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen unabhängig von dem zumindest einen anderen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen ist, d.h. auf eine andere Temperatur regelbar ist.6. A test stand according to claim 5, characterized in that at least one means for heating and / or cooling is independent of the at least one other means for heating and / or cooling, i. is adjustable to a different temperature.
7. Teststand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Restriktoren des Teststandes jeweils mit zumindest einem Mittel zum Heizen und/oder Kühlen in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen, wobei alle Mittel zum Heizen und/oder Kühlen unabhängig voneinander ansteuer- und/oder regelbar sind.7. Test stand according to claim 5, characterized in that all restrictors of the test stand are in each case with at least one means for heating and / or cooling in thermal and / or physical contact, wherein all means for heating and / or cooling independently and / or or are controllable.
8. Teststand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Restriktoren mit einem einzigen Mittel zum Heizen und/oder Kühlen in thermischem und/oder physischem Kontakt stehen.8. Test stand according to claim 1, characterized in that all restrictors with a single means for heating and / or cooling are in thermal and / or physical contact.
9. Teststand nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Restriktoren Kapillarrestriktoren sind, die eine charakteristische Länge aufweisen, welche zumindest fünfhundertmal größer ist als deren charakteristischer mittlerer Durchmesser.9. Test stand according to at least one of the preceding claims, characterized in that the restrictors are capillary restrictors, which have a characteristic length which is at least five hundred times greater than their characteristic mean diameter.
10. Teststand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Kapillarrestriktoren kleiner oder gleich 250 μm ist und die Länge der Kapillarrestriktoren von 1 m bis 6 m reicht.10. Test stand according to claim 9, characterized in that the inner diameter of the Kapillarrestriktoren is less than or equal to 250 microns and the length of Kapillarrestriktoren from 1 m to 6 m.
11. Teststand nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrestriktoren aus einem keramischen Material mit einem Elastizitätsmodul oder Young's Modulus kleiner als 90 GPa, vorzugsweise kleiner als 70 GPa bestehen, und dabei vorzugsweise aus gezogenem Glas bestehen, und dabei weiter vorzugsweise aus Fused Silica bzw. Fused Quartz bestehen.11. A test stand according to at least one of claims 4 to 10, characterized in that the Kapillarrestriktoren made of a ceramic material with a modulus of elasticity or Young's modulus less than 90 GPa, preferably less than 70 GPa, and preferably consist of drawn glass, and thereby further preferably consist of fused silica or fused quartz.
12. Teststand nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel zum Heizen und/oder Kühlen und/oder zumindest ein Restriktor zumindest einen Temperatursensor umfasst. 12. Test stand according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one means for heating and / or cooling and / or at least one restrictor comprises at least one temperature sensor.
13. Teststand nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Reaktionsgefäßen ausfließenden Reaktionsprodukte und/oder nicht reagierte Edukte und/oder eigens zur Steuerung und/oder Regelung zugegebenes Tracer-Fluid in zumindest einem Analysator analysiert wird beziehungsweise werden und die Steuerung und/oder Regelung des Teststandes dazu geeignet ist, den Strömungswiderstand von einzelnen Kapillarrestriktoren dadurch einzustellen, zu kalibrieren beziehungsweise zu regeln, dass das Signal eines Analysators von der Steuerung und/oder Regelung zur Regelung beziehungsweise Steuerung zumindest eines Mittels zum Heizen und/oder Kühlen verwendet wird, um durch Einstellung einer vorbestimmten bzw. berechneten Heiz- bzw. Kühlleistung vorbestimmte Flussmengen an Fluidstrom, der durch die Kapillarrestriktoren hindurchströmt, zu steuern bzw. zu regeln.13. Test stand according to at least one of the preceding claims, characterized in that the effluent from the reaction vessels reaction products and / or unreacted educts and / or specifically added to the control and / or regulation tracer fluid is analyzed in at least one analyzer or be and Control and / or regulation of the test stand is adapted to adjust the flow resistance of individual Kapillarrestriktoren characterized calibrate or regulate that the signal of an analyzer of the control and / or regulation for controlling or controlling at least one means for heating and / or cooling is used to control predetermined flow rates of fluid flow passing through the capillary restrictors by adjusting a predetermined heating or cooling power.
14. Teststand nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teststand zumindest zwei Untergruppen von parallel angeordneten Reaktionsgefäßen umfasst, wobei jede Untergruppe jeweils zumindest zwei oder drei oder vier parallel angeordnete Reaktionsgefäße umfasst und jedes Reaktionsgefäß der zumindest zwei Untergruppen zumindest eine Zuleitung sowie zumindest eine Ableitung umfasst und alle Reaktionsgefäße der zumindest zwei14. Test stand according to one of the preceding claims, characterized in that the test stand comprises at least two subgroups of reaction vessels arranged in parallel, each subgroup comprises at least two or three or four parallel arranged reaction vessels and each reaction vessel of the at least two subgroups at least one supply line and at least includes a derivative and all the reaction vessels of at least two
Untergruppen mit zumindest einer allen Reaktionsgefäßen gemeinsamen Fluidzufuhr verbunden sind, wobei die Zuleitungen zu jedem Reaktionsgefäß jeweils zumindest einen Restriktor umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Restriktoren bei gleichen sonstigen Bedingungen innerhalb einer Untergruppe den gleichen Strömungswiderstand aufweisen, zwischen zumindest zwei Untergruppen jedoch einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. Subgroups with at least one reaction vessel common to all fluid supply are connected, wherein the supply lines for each reaction vessel in each case comprise at least one restrictor, characterized in that the restrictors have the same flow resistance under the same other conditions within a subgroup, but have a different flow resistance between at least two subgroups ,
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DE102012004317B4 (en) | Fluidkalorimeter |
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