DE2831287C2

DE2831287C2 - Verfahren zur Erzeugung einer definierten Wasserdampfmenge geringer Konzentration und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2831287C2
Application number: DE19782831287
Authority: DE
Inventors: Josef 6072 Dreieich Hammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-17
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2831287A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer definierten, in Gasphase befindlichen Wasserdampfmenge geringer Konzentration in einem Gasstrom eines aus einem Gasbehälter austretenden nicht reagierenden Trägergases für Eichzwecke und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Für viele technische Zwecke ist die Messung des gasförmigen Wassergehaltes in der Luft und in anderen Gasen von Bedeutung. Hierfür befinden sich Wasserdampfspurenmeßgeräte auf -dem Markt, die geringe Konzentrationen an Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit in Gasen bestimmen. Zur Sicherstellung einer genauen Arbeitsweise dieser Geräte ist das Problem ihrer Eichung sehr vordinglich, und insbesondere dem Benutzer derartiger Geräte muß die Möglichkeit gegeben sein, diese nach längerer Betriebszeit auf ihre genaue Arbeitsweise hin zu prüfen. Für diesen Zweck sind die verschiedensten Geräte und Verfahren bekannt. So ist beispielsweise ein Verfahren zur Nacheichung bekannt, bei dem eine Kunststoffmembrane verwendet wird, deren eine Seite mit einer Flüssigkeit, zum Beispie! Wasser beschickt wird, während die andere Seite der Membrane mit einem trockenen Gas überstrichen wird. Entsprechend der Temperatur der Membrane diffundiert ein bestimmter Anteil Wasserdampf in den trockenen Gasstrom. Bedingt durch die Kenntnisse der Diffusionseigenschaften der Membrane, der Temperatur und des Druckes der beiden Medien, kann eine Aussage über die Wasserdampfkonzentration im trockenen Gasstrom durchgeführt werden. Hiernach kann auch das Wasserspuren-Meßgerät geeicht werden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß mehrere Punkte bekannt sein müssen, um die richtigen Rückschlüsse auf die Wasserdampfkonzentration im trockenen Gas ziehen zu können. Da zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration mehrere physikalische Größen bekannt sein müssen, deren Messung ebenfalls mit Meßfehlern behaftet ist, läßt sich die Wasserdampfkonzentration nur relativ ungenau bestimmen. Außerdem sind für diese Arbeitsweise relativ umfangreiche Apparaturen notwendig, die den mobilen Einsatz sehr erschweren.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Eichung von Wasserspuren-Meßgeräten besteht darin, daß ein mit Wasserdampf gesättigtes Gas stark unterkühlt wird, zum Beispiel mit Hufe eines Alkohol-Trockeneis-Gemisches, wodurch sich der Wasserdampfgehalt des Gases bei einer bestimmten Temperatur, zum Beispiel 213 Grad K (minus 60 Grad Celsius), an einer genügend großen Oberfläche einstellen läßt. Aufgrund der Temperaturaussage ist es nun möglich, entsprechend dem Wasserdampfpartialdruck, der dieser Temperatur entspricht, eine Aussage über den Wasserdampfgehalt in dem die Kühlfalle verlassenden Gas zu machen. Hiernach kann dann das Wasi^rspuren-Meßgerät geeicht werden.

Ein noch anderes bekanntes Verfahren zur Eichung von Wasserspuren-Meßgeräten besteht darin, einem Stickstoffstrom, der vorher vollständig von Sauerstoff befreit wurde, elektrolytisch Wasserstoff und Sauerstoff zuzuführen. Die Strommenge, die während des Elektrolysevorganges fließt, ist ein Maß für die zerlegte Wassermenge. Danach wird das Gas über einen Trockner und einen anschließenden Feinsttrockner, der mit Phosphor-Pentoxyd gefüllt ist, geleitet und feinstgetrocknet Ein sich anschließendes Katalysatorbett, das von dem Stickstoff, der mit Sauerstoff und Wasserstoff durchsetzt ist, durchflossen wird, ermöglicht die quantitative Umsetzung des zuvor erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs zu Wasserdampf. Somit ist ein Gasgemisch mit definiertem Wassergehalt hergestellt Der Nachteil dieses Gerätes besteht darin, daß es relativ aufwendig ist und für den Spülvorgang eine sehr lange Anlaufzeit benötigt. Darüber hinaus wird nach bestimmten Betriebszeiten auch das Nachfüllen der einzelnen Chemikalien für die Sauerstoffentfernung, Trocknung, Feinsttrocknung und Elektrolyse notwendig.

Ein weiteres bekanntes Verfahren, das von Zeit zu Zeit angewendet wird, besteht darin, daß einer Stahlflasche, die im Innenraum speziell mit hydrophoben Mitteln oberflächenbehandelt ist — zum Beispiel teflonisiert —,eine definierte Wassermenge eingegeben und mit einem trocknen Gas aufgedrückt wird. Trotz guter Oberflächenbehandlung treten jedoch bei sinken-

dem Fülldruok der Flasche verschiedene Wasserdampfkonzentrationen entsprechend dem Partialdruek aus der Flasche aus, so daß kein Trägergas mit definiertem Wassergehalt zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich demgegenüber Gasgemische mit gasförmigen Bestandteilen sehr gut herstellen lassen, wobei insbesondere Sauerstoff in geringsten Mengen mit sehr großer Genauigkeit hergestellt werden kann, ohne daß sich die Analyse des Gasgemisches zum Beispiel durch Ad- oder Desorption des Sauerstoffs in einer Stahlflasche während des Entleerungsvorganges durch irgendwelche Einflösse ändert

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe die Eichung von Wasserspuren-Meßgeräten in einfacher Weise und mit äußerster Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Verfahren zur Erzeugung einer definierten, in Gasphase befindlichen Wasserdampfmenge geringer Konzentration in einem Gasstrom eines aas einem Gasbehälter austretenden nicht reagierenden Trägergases für Eichzwecke das Trägergas in dem Behälter zusammen mit einer definierten Menge vorhandenen gasförmigen Sauerstoffs oder Äthylens und im stöchiometrischen Oberschuß beigegebenen und Wasserdampf als Reaktionsprodukt bildenden gasförmigen Reaktionspartnern vorliegt, dieses Gasgemisch aus dem Behälter durch einen mit Katalysator gefüllten Reaktionsraum geführt und bezogen auf die im Unterschuß vorliegende Reaktionskomponente stöchiometrisch in Wasserdampf überführt wird. Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird das Gasgemisch vor Zuführung in den Reaktionsraum einem Trocknungsprozeß unterworfen.

Durch diese Maßnahme wird das Eichverfahren hinsichtlich seiner Genauigkeit wesentlich verbessert, da hierdurch das Gasgemisch von nicht erfaßbaren Wasserdamp/anteilen befreit wird.

Gemäß der Erfindung wird als Trägergas vorzugsweise Stickstoff verwendet, da sich dieser preiswert herstellen und lagern läßt Als gasförmiger Reaktionspartner des Sauerstoffs wird zur Bildung von Wasser vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der im stöchiometrischen Überschuß zum Sauerstoff einer Gasflasche zugeführt wird.

Anstelle von Wasserstoff kann zur Bildung von Wasser als gasförmiger Reaktionspartner des Sauerstoffs Äthylen verwendet werden. In beiden beschriebenen Fällen wird Wasserdampf nach den Reaktionsgleichungen

2 H₂ + O₂ = 2 H₂O

C₂H₄ + 3 O₂ = 2 CO₂ + 2 H₂O

stöchiometrisch entstehen, wenn diese Gasgemische über das Katalysatorbett geleitet werden.

Der Katalysator ist vorzugsweise auf einem hydrophoben Trägermaterial aufgetragen. Kommt daher Wasserdampf mit diesem Material in Berührung, wird es abgestoßen, so daß das Eichgas nicht verfälscht wird. Als Trägermaterial eignet sich Silikat oder Asbest.

In einer Abwandlung der Erfindung läßt sich auch als Katalysator metallisches Palladium oder, bei Anwendung von Äthylen, Ftatin verwenden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Katalysator Palladium oder Platin verwendet, das auf einem Trägermaterial aufgetragen ist, welches beispielsweise eine Faserform aufweist

Der Reaktionsraum ist mit diesem Material voll gefüllt, so daß eine äußerst große Oberfläche an Palladium als Katalysator zur Verfugung steht
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Vorrichtung verwendet, die einen Reaktionsraum aufweist, der als Durchlaufbehälter ausgebildet ist, welcher sich mittels Ventile absperren läßt und der mit dem Katalysatorbett gefüllt ist

Der Durchlaufbehälter ist weiter mit einer thermostatisch gesteuerten Heizeinrichtung ausgerüstet, welche von einer thermischen Isolation umgeben ist Dem Durchlaufbehälter ist ein Kühler nachgeschaltet, der vorzugsweise als Luftkühler ausgebildet ist

is Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit werden das Trägergas und die Reaktionspartner nahezu vollständig getrocknet Hierfür ist dem Durcalaufbehälter eine Vorrichtung zur Trocknung der durchströmenden Gase vorgeschaltet

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchlaufbehälter mit seinem Kühler durch Rückschlagklappen gesichert, welche derartig eingestellt sind, daß im Reaktionsgefäß bei Abschaltung des Gasstromes ein geringer Oberdruck aufrechterhalten bleibt Dadurch wird verhindert, daß Fremdgase in den Reaktionsraum eindringen können. Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert Der Durchlaufbehäiter 1 ist in dieser Ausführungsform als zylindrisches Gefäß ausgebildet Im Innern dieses Behälters befindet sich eine thermostatisch gesteuerte Heizeinrichtung, die mit Hilfe einer Steuerung 7 auf eine Temperatur von 120⁰C gebracht und gehalten wird. Die Heizeinrichtung 5 ist von dem Katalysatorbett 4 umgeben, welches den Reaktions raum vollständig ausfüllt Vor dem Einlaßventil 2 ist eine Überwurfmutter 10 dargestellt die als Anschluß für einen Eichgasdruckminderer dient In der Gaszuführungsleitung liegt ferner die Trocknungsvorrichtung 9, mit deren Hilfe sichergestellt ist, daß das Eichgas vollständig getrocknet in den Reaktionsraum gelangt. Deru Durchlaufbehälter 1 schließt sich ein Kühler 8 an, dessen Leitung aus einem Kapillarrohr besteht welches zu einer Wendel mit genügendem Abstand gewickelt ist, so daß die Kühlwirkung der Luft ausreicht ohne daß eine Zwangsführung der Kühlluft erforderlich ist Am Ende der Kühlleitung befindet sich ein Abschlußventil 3. Die Ventile 2 und 3 können auch als Rückschlagklappen ausgebildet sein, wobei diese so eingestellt werden, daß bei Unterbrechung der Gaszuführung ein Überdruck im

so Reaktionsraum erhalten bleibt Dem Ventil 3 folgt ein

Anschluß für das zu eichende Wasserspuren-Meßgerät. Bei einer mobilen Anlage wird vorzugsweise als Gasc'ieUe eine Stahlflasche verwendet, die mit einem Trägergas aus Stickstoff, einer definierten Menge

Wasserstoff, beispielsweise 2 ppm, und mit einem stöchiometrischen Überschuß an Wasserstoff gefüllt ist. Wie eingangs ausgeführt, lassen sich Gasgemische mit gasförmigen Bestandteilen sehr gut herstellen und lagern. So wird be· eits die Herstellung von Sauerstoff in

6Q geringsten Mengen, d, h, im ppm-Bereich, und mit sehr großer Genauigkeit seit längerer Zeit technisch beherrscht, ohne daß sich die Analyse des Gasgemisches, zum Beispiel durch Ad* oder Desorption des Sauerstoffs in einer Stahlflasche, während des Entlee rungsvorganges durch irgendwelche Einflüsse ändert

Zur Eichung wird nun der Durchlaufbehäiter mit der Gasflasche und dem zu eichenden Wasserspuren-Meßgerät verbunden und es werden die Reaktionspartner

Sauerstoff und Wasserstoff mit ihrem Trägergas durch Öffnung der Ventile 2 und 3 durch den Reaktionsraum geführt, der auf einer Temperatur von 120" C gehalten wird. Der erzeugte Wasserdampf wird mit seinem Trägergas durch das sich anschließende Kapillarrohr geführt und dort auf Zimmertemperatur gekühlt. Das auf diese Weise hergestellte Gas mit definiertem Wasserdampfgehalt kann so in das Wasserspuren-Meßgerät eindosiert werden, so daß danach die Eichung des

Wasserspuren-Meßgerätes exakt erfolgen kann.

Das Gerät ist in wenigen Minuten einsatzbereit und liefert schon nach kurzer Zeit die exakte Menge Wasserdampf zur Eichung. Bei den bisher bekannten Geräten stellt sich ein Gleichgewicht erst nach mehreren Stunden ein, so daß erst danach eine exakte Menge Wasserdampf erzeugt wird, die zur Eichung verwendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer definierten in Gasphase befindlichen Wassermenge geringer Konzentration in einem Gasstrom eines aus einem Gasbehälter austretenden nicht reagierenden Trägergases für Eichzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas in dem Behälter zusammen mit einer definierten Menge vorhandenen gasförmigen Sauerstoffs oder Äthylens und im stöchiometrischen Überschuß beigegebenen und Wasserdampf als Reaktionsprodukt bildenden gasförmigen Reaktionspartnern vorliegt, dieses Gasgemisch aus dem BehäJter durch einen mit Katalysator gefüllten Reaktionsraum geführt und bezogen auf die im Unterschuß vorliegende Reaktionskomponente stöchiometrisch in Wasserdampf überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch vor Zuführung in den Reaktionsraum einem Trocknungsprozeß unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auf einem hydrophoben Trägermaterial aufgetragen ist

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Silikat oder Asbest verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Palladium oder Platin auf einem Trägermaterial verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die gasförmigen Reaktionspartner und das Trägergas enthaltende behälter über eine Trocknungsvorrichtung (9), einen Druckminderer und eivi Ventil (2) mit einem als Durchlaufbehälter (1) ausgebildeten und mit einem Katalysatorbett (4) gefüllten Reaktionsraum verbunden ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaufbehälter (1) mit einer thermostatisch gesteuerten Heizeinrichtung (5) ausgerüstet ist, welche von einer thermischen Isolation (6) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Durchlaufbehälter (1) ein Kühler (8) nachgeschaltet ist, welcher Rückschlagklappen aufweist