DE68928356T2

DE68928356T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einer kryogenen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE68928356T2
Application number: DE68928356T
Authority: DE
Inventors: Jose Dieguez
Original assignee: Canadian Liquid Air Ltd
Current assignee: Canadian Liquid Air Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2009-06-03
Also published as: US4991449A; DE68928356T4; EP0345164B1; CA1320849C; EP0345164A2; EP0345164A3; JP3011726B2; KR0156731B1; NO892211L; KR900000696A; ES2106723T3; JPH02103440A; DE68928356D1; PT90745B; PT90745A; NO892211D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Probennahme einer kryogenen Flüssigkeit zur Analyse.
Kryogene Flüssigkeiten, wie zum Beispiel flüssiger Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Argon werden in einer Anzahl von Umgebungen angewendet und besitzen eine Anzahl von industriellen und kommerziellen Anwendungen, bei welchen der Nutzer eine hohe Reinheit fordert, was genaue Informationen bezüglich des analytischen Gehalts von Spuren oder geringer Mengen von kontaminierenden Gasen erfordert.
Eine Analyse wird an einer Gasprobe der kryogenen Flüssigkeit ausgeführt, was typischerweise die Verwendung eines Entspannungsverdampfers beinhaltet.
Eine besondere Schwierigkeit tritt beim Erhalten einer Gasprobe auf, welche dieselbe molare Konzentration von Spurenverunreinigungen wie die zur Probe genommene kryogene flüssigkeit aufweist.
Daher kann z. B. flüssiger Stickstoff typischerweise Spurenmengen eines oder mehrerer der Stoffe Helium, Wasserstoff, Neon, Argon, Sauerstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser enthalten. Wenn die Temperatur des flüssigen Stickstoffes erhöht wird, findet eine Dampfbildung oder Verdampfung des Stickstoffes und der verschiedenen kontaminierenden Gase bei verschiedenen Temperaturen und somit zu verschiedenen Zeitpunkten statt.
Daher neigt jeglicher Wasserstoff, jegliches Hehum und Neon dazu, vor dem Stickstoff zu verdampfen, und jegliches Argon, jeglicher Sauerstoff, jegliches Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser neigen dazu, nach dem Stickstoff zu verdampfen. Auf diese Weise tritt eine Fraktionierung der Probe auf, und die analytische Zusammensetzung der kontinuierlich erhaltenen Gasprobe variiert kontinuierlich und stellt nicht genau die analytische Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit dar.
In den US 3,123,982, US 3,357,256, US 3,938,391, US 3,029,627 ist eine Vorrichtung zum Probennahme von kyrogenen Flüssigkeiten beschrieben worden. Diese bekannten Vorschläge weisen selbst eine Anzahl von Nachteilen auf, um eine wiederholte Verwendung zum Sammeln einer Vielzahl von Proben zu beschleunigen, was zum Vergleich der Analyseergebnisse wichtig ist.
Desweiteren sprechen diese bekannten Vorschläge nicht vollständig das Problem der Fraktionierung der kyrogenen Flüssigkeit während der Verdampfung an, weshalb die Gasprobe keine wahre Probe der Flüssigkeit ist. In vielen Fällen sind die sich ergebenden Diskrepanzen nicht schwerwiegend, viele Nutzer fordern jedoch Flüssigkeiten von immer größerer Reinheit, so daß es zunehmend notwendig wird, daß man in der Lage ist, geringe Mengen an Verunreinigungen zu erfassen; dies ist insbesondere in der Elektronikindustrie der Fall.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Probennahme einer kryogenen Flüssigkeit zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung der kyrogenen flüssigkeit geschaffen, wobei das Verfahren aufweist:
Nehmen einer flüssigen Probe der kryogenen Flüssigkeit und Halten derselben in einer Umgebung an einem Probennameort, welcher eine Temperatur oberhalb der Erstarrungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und nicht größer als die Siedetemperatur der ktyogenen Flüssigkeit ist, Entfernen der Umgebung,
anschließendes Ermöglichen, daß die gehaltene flüssige Probe vollständig insgesamt in ein Sammelgefäß ohne Änderung der molaren Zusammensetzung des Gases verdampft, was korrekt die Zusammensetzung der Flüssigkeit reflektiert,
Sammeln der verdampften Flüssigkeit in Gasform in dem Sammelgefäß zur Analyse, und
Entfernen von lediglich dem Sammelgefäß von dem Probennahmeort zur Analyse.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das Sammelgefäß und die isotherme Umgebung Teil des Probennahmesystems, von welchem das Sammelgefäß zum Transport zu einer Analysestelle leicht abnehmbar und entfernbar ist.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Umgebung des Trennschrittes eine Umgebung, welche bezüglich der Probe isotherm ist.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die kryogene Flüssigkeit der Probe ebenfalls verwendet wird, um die Umgebung der Trennung der Probe zu erzeugen.
Die Bezugnahme auf eine "isotherme Umgebung" soll verstanden werden als eine Umgebung derselben oder im wesentlichen derselben Temperatur wie die der kryogenen Flüssigkeit bei Nichtverdampfung, unter "insgesamt" (in bulk) soll die intakte, nicht fraktionierte Dampfbildung oder Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit in den Gaszustand ohne Änderung der molaren Zusammensetzung verstanden werden, und zwar derart, daß die Zusammensetzung des Gases die Zusammensetzung der Flüssigkeit korrekt wiedergibt; und die Bezugnahme auf einen "Gesamtanteil" soll verstanden werden als eine Menge des resultierenden Gases kleiner als die Gesamtmenge.
Daher wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Probennahmeverfahren zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung einer kryogenen Flüssigkeit geschaffen, welches die Schritte aufweist:
Verbinden eines Flüssigkeitsnahmegefäßes (12) mit einem Sammelgefäß (14) mit zumindest einem ersten Ventil (40, 42) in der Verbindung,
Schließen des ersten Ventils (40, 42), um das Sammelgefäß (14) von dem Probennahmegefäß (12) zu trennen,
Füllen des Probennahmegefäßes (12) mit der kyrogenen Flüssigkeit, Halten der Wände des Probenhhhmegefäßes (12) bei einer ersten Temperatur, welche zumindest etwa die Temperatur der lrryogenen Flüssigkeit hat, Unterbrechen der Strömung der kryogenen Flüssigkeit in das Probennahmege faß (12),
Anlegen einer zweiten Temperatur, welche höher ist als die erste Temperatur, um die Wände des Probennahmegefäßes (12), um die kryogenen Flüssigkeit insgesamt vollständig zu verdampfen und Gas zu erzeugen, Öffnen des ersten Ventils (40, 42),
Füllen des Sammelgefäßes (14) mit dem erzeugten Gas ohne Änderung der molaren Zusammensetzung des Gases, welches die Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit korrekt wiedergibt,
Schließen des ersten Ventlls (40, 42) und
Trennen des Sammelgefäßes (14) und des ersten Ventils (40, 42) von dem Probennahmegefäß (12) zum Transport des Sammelgefäßes (14).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausführen des oben genannten Verfahrens zur Probennahme einer kryogenen Flüssigkeit zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit geschaffen, welche aufweist:
ein Probennahlnegefäß (12) zum Aufnehmen einer Probe der kryogenen Flüssigkeit,
eine erste Leitungseinrichtung (18) zur Strömung der kryogenen Flüssigkeit in das Probennahmegefäß (12),
eine entfernbare Kammer (16), welche das Probennahmegefäß (12) umgibt,
einen Auslaß (24) in dem Probennahmegefäß (12) zur Strömung der kryogenen Flüssigkeit von dem Probennahmegefäß (12) zu der Kammer (16), ein Gassammelgefäß (14),
eine zweite Leitungseinrichtung (22), welche so angepaßt ist, daß eine Gasströmungskommunikation zwischen dem Probennahmegefäß (12) und dem Gassammelgefäß (14) geschaffen ist, wobei das Gassammelgefäß (14) mit dem Probennahmegefäß (12) durch die zweite Leitungseinrichtung (22) abnehmbar verbunden ist.
Die Erfindung wird anhand eines speziell bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung veranschaulicht, in welcher:
Figur 1 schematisch ein Probennahmesystem gemäß der Erfindung veranschaulicht.
Unter weiterer Bezugnahme auf Figur 1 weist ein kryogenes Probennahmesystem 10 ein Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12, ein Gassammelgefäß 14 und ein äußeres Gefäß 16 auf.
Eine Strömungsleitung oder eine Leitung 18 verbindet das Innere des Flüssigkeitsprobennahmegefäßes 12 mit einer Verbindung 20, welches das System 10 mittels eines flexiblen Schlauches 54 oder ähnlichem mit einer Quelle 56 von kryogener Flüssigkeit, von welcher Proben genommen werden sollen, verbindet.
Eine Strömungsleitung oder eine Leitung 22 verbindet das Innere des Flüssigkeitsprobenahmegefäßes 12 mit dem Inneren des Gassammelgefäßes 14, und eine Ausströmleitung oder eine Leitung 24 verbindet das Innere des Flüssigkeitsprobennahmegefäßes 12 mit einem Raum 26, welcher zwischen dem äußeren Gefäß 16 und dem Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12 definiert ist.
Ein Ventil 28 in der Strömungsleitung 18 steuert die Strömung von Flüssigkeit oder Gas in der Strömungsleitung 18, und ein Ventil 30 steuert die Strömung in der Ausströmleitung 24.
Ein Spülventil 32 ist in einer Zweigleitung 33 von der Strömungsleitung 18 zwischen der Verbindung 20 und dem Ventil 28 angeordnet.
Ein Sicherheitsventil 58 in dem flexiblen Schlauch 54 schafft eine Druckentspannung in dem Fall des Aufbaus von Druck im Schlauch 54 über die Kapazität des Schlauches 54 hinaus. Typischerweise kann dieser Druck etwa 300 psig betragen. Alternativ dazu kann das Sicherheitsventil 58 in der Leitung 18 angeordnet sein, wie es durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
Ein Ventil 60 im Schlauch 54 steuert die Strömung von kryogener Flüssigkeit von einer Quelle 56 im Schlauch 54.
Die Strömungsleitung 22 beinhaltet eine Leitung 34, welche mit dem Innern des Gefaßes 12 in Kommunikation steht, und eine Leitung 36, welche mit dem Innern des Gefaßes 14 in Kommunikation steht. Die Leitungen 34 und 36 sind mittels einer Verbindung 38 verbunden, welche Teil der Strömungsleitung 22 bildet.
Ein Ventil 40 steuert die Strömung in der Leitung 34, und ein Ventil 42 steuert die Strömung in der Leitung 36, wobei ein Totvolumen 44 zwischen den Ventilen 40 und 42 im Bereich der Verbindung 38 definiert wird, welches ebenfalls Teil der Leitung 22 ist.
Die Leitung 34 weist einen Druckgeber 46 und ein Sicherheitsventil 48 auf.
Ein Ventil 50 steuert die Strömung in einer Leitung 52, welche mit dem Inneren des Gefaßes 14 in Kommunikation steht.
Das Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12 hat ein Volumen V&sub1;, und das Gassammelgefäß 14 hat ein Volumen V&sub2;.
Im allgemeinen beträgt das Volumenverhältuis V&sub2; : V&sub1; etwa 7 : 1.
Die Gefaße 12 und 14 sind in geeigneter Weise aus nichtrostendem Stahl hergestellt, wobei ihre inneren Oberflächen fertigbearbeitet und behandelt sind, um Kontaminationsprobleme zu minimieren.
Es ist zweckmäßig, daß sich die Strömungsleitung 18 in einem unteren Bereich des Inneren des Flüssigkeitsprobenahmegefäßes 12 erstreckt, so daß in das Gefäß 12 entlang der Strömungsleitung 18 eingeführte Flüssigkeit das Gefäß 12 vom Boden an füllt.
Es ist gleichermaßen zweckmäßig, daß die Strömungsleitung 22 und die Ausflußleitung 24 mit einem oberen Bereich des Inneren des Flüssigkeitsprobennahmegefäßes 12 kommunizieren.
Es ist ein signifikantes Merkmal der Erfindung, daß das Gassammelgefäß 14 leicht vom System 10 an der Verbindung 38 getrennt und entfernt werden kann, ohne daß der Gasinhalt des Gassammelgefäßes 14 geändert wird. Das Gassammelgefäß 14 weist eine Form auf, welche leicht zum Transport zur Analyse seines Gasinhaltes geeignet ist. Daher besteht ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß das Gassammelgefäß 14 mit der zu analysierenden Gasprobe leicht von dem System zum Transport zur Analysestelle entfernt werden kann, und es besteht keine Notwendigkeit, das gesamte System 10 zu transportieren.
Nachfolgend wird die Funktion des Systems 10 für den Fall eines Systems 10 beschrieben, welches zuvor zur Probennahme von im wesentlichen derselben kryogenen Flüssigkeit angewendet worden ist, z. B. flüssigem Stickstoff.
Zu Beginn der Probennahme enthält das Gassammelgefäß 14 eine gasförmige Probe bekannter Analyse der kryogenen Flüssigkeit, z. B. flüssigen Stickstoff, welche untersucht werden soll, wobei die gasförmige Probe unter hohem Druck typischerweise in der Größenordnung von 1500 psig (1 psig beträgt 6894,76 Pa) steht, welche von der vorherigen Probennahme stammt; die Ventile 42 und 50 sind geschlossen, und die Leitung 36 ist mit der Leitung 34 mittels der Verbindung 38 verbunden, wodurch das System 10 sich in einem montierten Zustand befindet.
In diesem anfänglichen Zustand enthält das Gefaß 12 auch eine gasförmige Probe der kryogenen Flüssigkeit, z. B. flüssigen Stickstoff bei hohem Druck, typischerweise von 1500 psig (1 psig beträgt 6895,76 Pa) auf Basis der vorherigen Probennahme. Das Totvolumen 44 zwischen den Ventilen 40 und 42 wird klein gehalten und wird leicht durch ein gesteuertes Ablassen vom Ventil 40 oder 42 gespült.
Indem das System 10 so montiert ist, kann die Leckagedichtheit des Gassammelgefäßes 14 durch Öffnen der Ventile 40 und 42 und Beobachten der Druckanzeige am Geber 46 gewährleistet werden. Da die Volumina V&sub1; und V&sub2; bekannt sind und der Druck des Gassammelgefäßes 14 bekannt ist, liefert daher eine einfache Berechnung die Leckagerate des Gefaßes 14, falls eine Leckage vorhanden ist. Falls eine Leckage vorhanden ist, werden Schritte unternommen, um diese zu lokalisieren und das Leck abzudichten.
Die Leckagerate ist gewöhnlich ein Kennzeichen bzw. eine Indikation der Art der Leckage.
Die Verbindung 20 weist typischerweise eine nicht gezeigte Dichtungskupplung auf, und zwar genauso wie der flexible Schlauch 54 mit der Quelle 56 von kryogener Flüssigkeit, und diese werden entfernt, wodurch die Verbindung 20 eine Verbindung zwischen der Quelle 56 von kryogener Flüssigkeit und dem System 10 bildet.
Die Strömungsleitung 18, welche sich zwischen dem Ventil 28 und der Verbindung 20 erstreckt, und der flexible Schlauch 56 von der Verbindung 20 zur Quelle von kryogener Flüssigkeit können durch Öffnen der Ventile 28, 40 und 42 und durch Anlegen des Gasdruckes im Sammelgefäß 14 und Probennahmegefäß 12 bei nachfolgenden Spülzyklen gespült werden, und zwar durch intermittierendes Schließen derartiger Ventile. Das Ventil 32 wird ebenfalls zum Auslassen des Gases unter Druck geöffnet. Diese Spülzyklen werden fortgesetzt, bis das Gas im Sammeltank 14 und ebenso im Probennahmegefäß 12 bei Atmosphärendruck ist. Es versteht sich, daß dies Spülzyklen auch dazu dienen, die Leitungen 18 und 22 einschließlich des Totvolumens 44 zu spülen.
Die Ventile 28, 32 und 40 und 42 werden nach Beendigung der Spülzyklen geschlossen.
Das System 10 befindet sich nun in einem Zustand, in welchem das Gassammelgefäß 14 Gas der bekannten Analyse bei Atmosphärendruck enthält, und die Strömungsleitungen 18 und 22 einschließlich des Totvolumens 44 und der flexible Schlauch von der Verbindung 20 zur Quelle von kryogener Flüssigkeit sind alle in den nachfolgenden Spülzyklen gespült worden.
Die Ventile 30 und 50 sind während des gesamten Spülens geschlossen gehalten worden.
Um eine Probe kryogener Flüssigkeit zur Analyse zu nehmen, wird das Ventil 60 an der Quelle 56 geöffnet, wodurch die kryogene Flüssigkeit beginnt, entlang des flexiblen Schlauches 54 zur Verbindung 20 und anschließend in die Strömungsleitung 18 zu strömen. Die Flüssigkeit kühlt sich ab entlang des flexiblen Schlauches 54 zur Verbindung 20 und der Strömungsleitung 18.
Diese anfängliche Strömung wird beibehalten, indem das Ventil 28 geschlossen und das Ventil 32 geöffnet werden, wodurch Flüssigkeit in die Strömungsleitung 18 strömt und durch die Zweigleitung 33 austritt. Anfänglich wird sich die Flüssigkeit fraktionieren und teilweise verdampfen oder abdampfen, und die Strömung wird fortgesetzt, indem das Ventil 32 so lange geöffnet ist, bis Flüssigkeit aus der Zweigleitung 33 strömt.
Wenn kryogene Flüssigkeit aus der Zweigleitung 33 durch das Ventil 32 strömt, wird das Ventil 32 geschlossen, und die Ventile 28 und 30 werden geöffnet. Die kryogene Flüssigkeit strömt dann entlang der Strömungsleitung 18 in das Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12, beginnt sich darin zu sammeln und tritt anschließend durch die Ausströmleitung 24 aus.
Anfänglich wird die sich im Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12 sammelnde Flüssigkeit teilweise fraktioniert, während die Temperatur der Flüssigkeit ansteigt, und Bestandteile darin werden verdampft, das Gefaß 12 wird jedoch bei fortlaufender Strömung durch die strömende Flüssigkeit gekühlt, welche aus dem Gefäß 12 durch die Ausströmleitung 24 heraus- und in den Raum 26 zwischen dem äußeren Gefäß 16 und dem Probennahmegefäß 12 hmeinströmt.
Wenn der Raum 26 mit Flüssigkeit gefüllt ist, ist die kryogene Flüssigkeit, welche sich im Gefäß 12 gesammelt hat, bei einer Temperatur gesammelt worden, welche dieselbe oder im wesentlichen dieselbe wie ihre eigene Temperatur ist. Mit anderen Worten, sie ist unter isothermen Bedingungen gesammelt worden, da das Gefäß 12 durch die Flüssigkeit in dem Raum 26 gekühlt worden ist. Indem die Flüssigkeit unter isothermen Bedingungen gesammelt worden ist, wird die Flüssigkeit im Gefäß 12 ohne Fraktionierung gesammelt. In diesem Zustand sind die Ventile 28 und 30 geschlossen, wodurch ein bekanntes Volumen der nicht fraktionierten kryogenen Flüssigkeitsprobe im Gefäß 12 eingefängen ist. Dies stellt eine wahre Probe der untersuchten kryogenen Flüssigkeit dar.
Das Ventil 60 stromaufwärts der Verbindung 20 ist dann geschlossen, und das Ventil 32 kann geöffnet werden, um den flexiblen Schlauch und die Leitung 18 zwischen dem Ventil 28 und dem Ventil an der Quelle der Flüssigkeit zu entlüften. Die Verbindung 20 und der flexible Schlauch 54 zu der Quelle 56 werden dann entsprechend getrennt, indem die Dichtkupplungen erneut angelegt werden.
In der nächsten Stufe des Betriebs bzw. der Funktion werden die Ventile 40 und 42 geöffnet, und das äußere Gefäß 16 wird entfernt. Mit dem Entfernen des äußeren Gefäßes 16 beginnt die Temperatur des Gefäßes 12 anzusteigen, und die kryogene Flüssigkeitsprobe darin beginnt abzudampfen oder zu verdampfen und gelangt entlang der Strömungsleitung 22 in das Gassammelgefäß 14, was einen Druck entwickelt, welcher mittels des Gebers 46 gemessen wird.
Da das Probennahmegefäß 12 zu Beginn dieser Stufe voll war, ist der durch den Geber 46 gemessene Druck eine Funktion des Verhältnisses V&sub1; : V&sub2; und der Art der kryogenen Flüssigkeit. Nach einer gewissen Zeitperiode zum Zulassen der Beendigung der Verdampfung der Flüssigkeitsprobe im Gefäß 12 werden die Ventile 40 und 42 geschlossen.
Das Gefäß 14 enthält nun in gasförmiger Form eine wahre Probe der kryogenen Flüssigkeit mit, in gasförmiger Form, denselben Mengenproportionen jeglicher Verunreinigungen wie die kryogene Flüssigkeit. Das Gefäß 14 wird vom System 10 an der Verbindung 38 getrennt und ist bereit zum Transport zu einer Analysestelle.
Es versteht sich, daß bei dieser Stufe das Flüssigkeitsprobennahmegefäß 12 das Gas unter demselben hohen Druck wie in dem Gassammelgefäß 14 enthält. Der Ausgleich des Systems 10, und zwar ohne das Gefäß 14, kann anschließend durchgeführt werden, um eme weitere Probe der kryogenen Flüssigkeit unter Verwendung eines frischen Gefäßes 14 zu erhalten, welcher eine Probe des Gases unter hohem Druck von einer vorherigen Analyse enthält.
Auf diese Weise können nachfolgende Gasproben der kyrogenen flüssigkeit unter Verwendung eines einzigen Systems 10 mit einer Vielzahl von Gefäßen 14 erhalten werden. Es ist vorteilhaft, eine Vielzahl von Proben der untersuchten kryogenen Flüssigkeit zu nehmen, wobei die Ergebnisse der Gasanalyse anschließend verglichen werden können, um Analysefehler zu minlmieren.
Dies stellt einen signifikanten Vorteil über Systeme des Standes der Techhik dar, bei welchem das Sammelgefäß ein integraler Teil des Systems ist und das gesamte System zur Analyse transportiert wird.
Es versteht sich, daß, wenn das System 10 zum Probennehmen von unterschiedlichen kryogenen Flüssigkeiten verwendet werden soll, ein geeignetes Spülen des Gesamtsystems mit der kryogenen Flüssigkeit zuerst ausgeführt werden sollte. Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, ein spezielles System 10 zu verwenden, welches ausschließlich zur Analyse einer bestimmten kryogenen Flüssigkeit verwendet wird, d. h., ausschließlich für flüssigen Stickstoff oder flüssigen Sauerstoff.
Wenn ein System 10 zum ersten Mal verwendet wird, oder zum ersten Mal mit einer speziellen kryogenen Flüssigkeit, wird desweiteren eine Gasprobe der Flüssigkeit in dem Gefäß 14 bei hohem Druck benötigt, und diese Probe muß voranalysiert werden.
Wie oben angedeutet, liegt der Druck in den Gefäßen 12 und 14 zu Beginn der Probennahme typischerweise in der Größenordnung von 1500 psig, wobei dies die Größe des Druckes ist, welcher durch Verdampfen eines Volumens V&sub1; von flüssigkeit auf ein Volumen V&sub2; von Gas darstellt, wenn das Verhältnis V&sub2; : V&sub1; etwa 7 : 1 beträgt.
Somit besitzt das Gefäß 12 in geeigneter Weise ein Volumen von 600 cm³, wahrend das Gefäß 14 ein Volumen von 3800 cm³ (1 US-Gallon) besitzt.
Tabelle 1 unten zeigt das Gasvolumen in Litern bei 15 ºC und Atmosphärendruck, abgeleitet von 1 Liter verschiedener üblicher kryogener flüssigkeiten bei ihren jeweiligen Siedetemperaturen. Tabelle 1
Daher erzeugt im allgemeinen ein Liter einer kryogenen flüssigkeit etwa 675 bis 875 Liter Gas.
Das Gefäß 14 könnte zum Sammeln auch unter Vakuum sein, dies ist jedoch weniger bevorzugt.
Im Fall einer anfänglichen Inbetriebnahme des Systems 10 kann es zweckmäßig sein, eine Hochdruckquelle eines reinen, voranalysierten Gases anzuschließen, um die Gefäße 12 und 14 und die Leitung 22 zu spülen und unter Druck zu setzen; diese Hochdruckquelle könnte zweckmäßigerweise mit dem Ventil 28 verbunden sein. Das Totvolumen 44 an der Verbindung 38 wird durch eine geregelte Leckage durch das Ventil 40 oder 42 und anschließend durch das zuvor beschriebene allgemeine Spülen gespült.
Es ist auch möglich, einen Verdampfer mit der Quelle 56 von kryogener Flüssigkeit zu verbinden, um eme Zuführ von Gas zu schaffen, um die Gefäße 12 und 14 und die Leitungen 18 und 22 und die zugeordneten Ventile zu spülen; der Verdampfer könnte zweckmäßigerweise mit der Verbindung 20 verbunden sein.
Die Erfindung schafft den weiteren Vorteil, daß die Gefäße 12 und 14 leicht zugänglich sind zur physikalischen und chemischen Behandlung oder Reinigung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Gefäß 12 äußerlich vorgekühlt ist, wodurch die Verwendung einer separaten Quelle oder Zuführ von Kühlflüssigkeit ermöglicht ist, somit kann z. B. ein Bad flüssigen Heliums anstelle flüssigen Wasserstoffs angewendet werden, wenn flüssiger Wasserstoff als Probe genommen wird, wodurch die Sicherheit des Probennahmevorganges erhöht wird. Bekannte Probennahmevorrichtungen besitzen diese Flexibilität nicht. In gleicher Weise kann flüssiger Stickstoff eingesetzt werden, um flüssigen Sauerstoff oder flüssiges Argon zu kühlen. Allgemein sollte die Kühlflüssigkeit keine Siedetemperatur unter dem Erstarrungspunkt der gekühlten Flüssigkeit besitzen. Dies schaffi den Vorteil, und zwar zusätzlich zur Sicherheit, daß eine weniger teure, leichter verfügbare kryogene Flüssigkeit, wie z. B. flüssiger Stickstoff, oft zur Kühlung teurerer kryogener Flüssigkeiten, wie z. B. flüssiges Argon, verwendet werden kann, und zwar insbesondere, wenn letztere knapp oder nur eine geringe Menge zur Probenenmahme verfügbar ist. In solchen Fällen kann eine Zuführ von z. B. flussigem Stickstoff in das äußere Gefäß 16 kryogene Flüssigkeit der Probe ergänzen, welche durch die Ausströmleitung 24 geliefert wurde.
Es ist ebenfalls möglich, die Verdampfüng der Flüssigkeitsprobe im Gefäß 12 nach dem Entfernen des äußeren Gefäßes 16 dadurch zu beschleunigen, daß z. B. das Gefäß 12 mit einem äußeren Gefäß einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser bei Umgebungstemperatur bis zu 100 ºC umgeben ist. Dies stellt einen weiteren Vorteil der Probennahmevorrichtung gemaß der Erfindung dar, welcher durch Probennahmen des Standes der Technik nicht gegeben sind.
Der Druckgeber 46 kann zweckmäßigerweise einen Druckbereich von 0 bis 20955 x 10&sup6; Pa (0 bis 3000 psig) mit einem Bourdon-Rohr aus nichtrostendem Stahl haben. Das Sicherheitsventil 48 ist zweckmäßigerweise auf 1800 psig eingestellt, und das Ventil 50 kann in geeigneter Weise einen Berstscheibenbereich von 12753 x 10&sup6; Pa (1800 psig) aufweisen.
Das äußere Gefäß 16 kann zweckmäßigerweise ein Dewar-Metallgefäß sein.
Bezüglich der Bestimmung jeglicher Leckage im Sammelgefäß 14, auf welche oben hingewiesen wurde, kann der Gasdruck im Gefäß 14 aus der Beziehung bestimmt werden:
xV&sub1; = P&sub2; (V&sub1; + V&sub2;)
wobei x das aus einem Liter kryogener Flüssigkeit erzeugte Volumen ist, wie in Tabelle 1 gezeigt, V&sub1; und V&sub2; die Volumina der Gefäße 12 bzw. 14 sind und P&sub2; der erwartete Druck ist, welcher aus der Verdampfüng der Probe im Gefäß 12 abgeleitet ist. Wenn der Geber 46 einen niedrigeren Druck anzeigt, dann kennzeichnet dies eine Leckage.
Somit kann berechnet werden, daß für eine kryogene Flüssigkeit, welche 875 Liter Gas aus einem Liter Flüssigkeit erzeugt, der entwickelte Druck 1752 psig beträgt und daß für eine kryogene Flüssigkeit, welche 675 Liter Gas (1352 psig) beträgt. Somit sind die oberen und unteren Grenzen des entwickelten Gasdruckes für gewöhnliche kryogene Flüssigkeiten vollkommen adäquat für Analysezwecke. Im allgemeinen wird ein Gasdruck von zumindest 500 psig zur Analyse benötigt.

Claims

1. Verfahren zum Probennehmen einer kryogenen Flüssigkeit zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit, umfassend:

Nehmen einer flüssigen Probe der kryogenen Flüssigkeit und Halten derselben in einer Umgebung an einem Probenaahmeort, welcher bei einer Temperatur über der Erstarrungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und nicht größer als die Siedetemperatur der kyrogenen Flüssigkeit ist,

Entfernen der Umgebung,

anschließendes Ermöglichen, daß die gehaltene Flüssigkeitsprobe insgesamt vollständig in ein Sammelgefäß ohne Änderung der molaren Zusammensetzung des Gases verdampft, was die Zusammensetzung der Flüssigkeit korrekt wiedergibt,

Sammeln der verdampften Flüssigkeit in Gasform in dem Sammelgefäß zur Analyse und Entfernen von lediglich dem Sammelgefäß von dem Probennahmeort für die Analyse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sammelgefäß und die abgetrennte flüssige Probe ein Volumenverhaltnis von etwa 7 : 1 aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Umgebung isotherm zu der flüssigen Probe ist.

4. Probennahmeverfahren zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung einer kryogenen Flüssigkeit, welches die Schritte umfäßt:

Verbinden eines Flüssigkeitsprobennähmegefäßes (12) mit einem Gassammelgefäß (14) mit zumindest einem ersten Ventil (40, 42) in der Verbindung,

Schließen des ersten Ventiles (40, 42), um das Sammelgefäß (14) von dem Probennahmegefäß (12) zu trennen,

Füllen des Probennahmegefäßes (12) mit der kryogenen Flüssigkeit,

Halten der Wände des Probennahmegefäßes (12) auf einer ersten Temperatur, welche zumindest etwa die Temperatur der kryogenen Flüssigkeit hat,

Unterbrechen der Strömung der kryogenen Flüssigkeit in das Probennahmegefäß (12),

Anlegen einer zweiten Temperatur, welche höher als die erste Temperatur ist, um die Wände des Probennahmegefäßes (12), um die kryogene Flüssigkeit insgesamt vollständig zu verdampfen und Gas zu erzeugen, Öffnen des ersten Ventils (40, 42),

Füllen des Sammelgefäßes (14) mit dem erzeugten Gas ohne Änderung der molaren Zusammensetzung des Gases, was die Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit korrekt wiedergibt,

Schließen des ersten Ventils (40, 42) und

Trennen des Sammelgefäßes (14) und des ersten Ventiles (40, 42) von dem Probennahmegefäß (12) zum Transport des Sammelgefäßes (14).

5. Probennahmeverfahren nach Anspruch 4, welches desweiteren die Schritte umfäßt:

Messen des Druckes des erzeugten Gases während des Füllens des Sammelbehälters und Schließen des ersten Ventils, sobald der gemessene Druck etwa konstant ist.

6. Probennahmeverfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Sammelgefäß vor dem Füllen durch Gas gespült wird, welches von der kryogenen Flüssigkeit erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Sammelgefäß mit Gas gespült wird, welches von der kryogenen Flüssigkeit erzeugt wird, bevor das erste Ventil geschlossen wird, um das Saunelgefäß von dem Probennahmegefäß zu trennen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem das Sammelgefäß ein zweites Ventil zum Ablassen von Gas im Inneren des Sammelgefäßes aufweist.

9. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 8 zur Probennahme einer kryogenen Flüssigkeit zur Bestimmung der molaren Zusammensetzung der kryogenen Flüssigkeit, umfässend:

ein Probenahmegefäß (12) zum Aufnehmen einer Probe der kryogenen Flüssigkeit,

eine erste Leitungseinrichtung (18) zur Strömung der kryogenen Flüssigkeit in das Probennahmegefäß (12),

eine entfernbare Kammer (16), welche das Probennahmegefäß (12) umgibt,

einen Auslaß (24) in dem Probennahmegefäß (12) zur Strömung von kryogener Flüssigkeit von dem Probennahmegefäß (12) zu der Kammer (16),

ein Gassammelgefäß (14),

eine zweite Leitungseinrichtung (22), welche so angepaßt ist, daß eine Gasströmungskommunikation zwischen dem Probennahmegefäß (12) und dem Gassammelgefäß (14) geschaffen wird, wobei das Gassammelgefäß (14) mit dem Probennahmegefäß (12) durch die zweite Leitungseinrichtung (22) abnehmbar verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher das Gassammelgefäß (14) und das Probennahmegefäß (12) ein Volumenverhältnis von etwa 7 : 1 aufweisen.