DE20011022U1

DE20011022U1 - Device for the simultaneous measurement of gas intakes and associated heat effects

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Publication number: DE20011022U1
Application number: DE20011022U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Lentz Harro Prof Dr De; ZIMMERMANN, WOLFGANG, DR., DE
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2010-06-22

Description

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es erlaubt, die Gasaufnahme oder auch die Gasabgabe und zusätzlich die auftretenden Wärmeeffekte schnell und genau zu messen.The invention relates to a device which allows the gas absorption or gas release and additionally the occurring heat effects to be measured quickly and accurately.

Die wohlbekannten gläsernen Apparaturen zur Messung der Gasadsorption und -desorption nach dem volumenometrischen Prinzip werden im großen Maße in Laboratorien zur Charakterisierung poröser Stoffe eingesetzt. Im besonderen wird aus der Gasbeladung die Oberfläche der Probensubstanz bestimmt und aus der evtl. zwischen Adsorption und Desorption auftretenden Hysteresis eine Porenradienverteilung. Adsorptionswärmen müssen derzeit in getrennten umständlichen Versuchen durch teure Kalorimeter gemessen werden. Die Adsorptionswärmen sind sowohl zum Verständnis der Adsorptionsprozesse als auch zur Vorausberechnung von Möglichkeiten zur Regenerierung der Adsorbentien wichtig. Die in der Regel bei der üblichen Oberflächenbestimmung der Adsorbentien fehlenden Adsorptionswärmen sind ein ernsthafter Mangel an Daten. Feste Katalysatoren werden zunächst meist bezüglich ihrer Oberfläche und ihrer Porenstruktur charakterisiert und dann nach chemischen Umsätzen z.B. der an der Reaktion beteiligten Gase. Hier wäre es erwünscht, ausser der Aufnahme dieser Gase auch unmittelbar die mit den Reaktionen verbundenen Wärmetönungen als wichtiges Charakteristikum des Katalysators messen zu können. Diese Möglichkeit existiert z.Zt. nur in relativ aufwendigen Kalorimetern, die für zusätzliche Versuche eingesetzt werden. Die erfinderische Aufgabe besteht darin, die eben genannten Nachteile bei den Messungen zur Gasadsorption und zur Katalyse zu vermeiden und eine Vorrichtung zu entwickeln, die die simultane Messung von Gasaufnahmen und den damit verbundenen Wärmetönungen ermöglicht. Diese erfinderische Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, wie sie im kennzeichnenden Teil der Ansprüche beschrieben ist, gelöst. Das Probengefäß (1) wird dabei von einem Gasmantel (2) umgeben, der in Verbindung mit einem Druckmesser als Gasthermometer dient, und der nach einer Eichung über eine Druckmessung die auftretenden Wärmetönungen zu erfassen gestattet. Eine vorteilhafte Anordnung benutzt einen Differenzdrucksensor, der zwischen dem Mantelvolumen und dem Volumen eines gleichgroßen Referenzvolumen liegt. Im Probengefäß auftretende Wärmeeffekte werden durch den Gasmantel an das Temperierbad abgeleitet. Dabei erhöht sich die Temperatur im Gasmantel geringfügig. Diese Temperaturerhöhung führt zu einer Druckerhöhung, die durch einen Absolutdruckmesser oder einen Differenzdrucksensor sehr genau und eich bar registriert wird.The well-known glass apparatus for measuring gas adsorption and desorption according to the volumetric principle is used extensively in laboratories to characterize porous materials. In particular, the surface area of the sample substance is determined from the gas loading and a pore radius distribution is determined from the hysteresis that may occur between adsorption and desorption. Heats of adsorption currently have to be measured in separate, laborious experiments using expensive calorimeters. The heats of adsorption are important both for understanding the adsorption processes and for predicting the possibilities for regenerating the adsorbents. The heats of adsorption, which are usually missing in the usual surface determination of adsorbents, represent a serious lack of data. Solid catalysts are usually first characterized in terms of their surface area and pore structure and then according to chemical conversions, e.g. of the gases involved in the reaction. Here, it would be desirable to be able to measure not only the absorption of these gases but also the heat tones associated with the reactions as an important characteristic of the catalyst. This possibility currently only exists in relatively complex calorimeters that are used for additional tests. The inventive task is to avoid the disadvantages just mentioned in the measurements for gas adsorption and catalysis and to develop a device that enables the simultaneous measurement of gas absorption and the associated heat tones. This inventive task is solved by a device as described in the characterizing part of the claims. The sample vessel (1) is surrounded by a gas jacket (2) which, in conjunction with a pressure gauge, serves as a gas thermometer and which, after calibration, allows the heat tones that occur to be recorded via a pressure measurement. An advantageous arrangement uses a differential pressure sensor that is located between the jacket volume and the volume of a reference volume of the same size. Heat effects that occur in the sample vessel are diverted to the temperature bath through the gas jacket. The temperature in the gas jacket increases slightly. This increase in temperature leads to an increase in pressure, which is registered very precisely and calibrated by an absolute pressure gauge or a differential pressure sensor.

Wie alle Adsorptionsapparaturen nach dem volumenometrischen Prinzip kann auch die eben genannte Vorrichtung aus Glas gebaut werden. Dadurch dauert unter Umständen dieLike all adsorption devices based on the volumetric principle, the device mentioned above can also be made of glass. This may make the

Ableitung der Wärmeeffekte über den Gasmantel in die Temperierflüssigkeit relativ lange und führt zu geringeren Empfindlichkeiten. Die Vorrichtung kann aber auch aus Metall bestehen. Das gilt besonders für das Probengefäß und das evtl. verwandte Referenzgefäß. Anstelle eines Gases im Mantel des Probengefäßes kann auch eine Flüssigkeit - also allgemein ein Fluid - benutzt werden.Dissipation of the heat effects via the gas jacket into the tempering liquid takes a relatively long time and leads to lower sensitivities. The device can also be made of metal. This applies in particular to the sample vessel and any reference vessel used. Instead of a gas in the jacket of the sample vessel, a liquid - in other words a fluid in general - can also be used.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind:The advantages achieved with the invention are:

- Die Apparatur ist sowohl für die simultane Messung von Gasadsorption und Adsorptionswärmen einsetzbar als auch für die Messung der Gasaufnahme bei katalytischen Prozessen oder bei Messungen zur Charakterisierung von Katalysatoren und gleichzeitig zur Bestimmung der damit verbundenen Wärmetönungen.- The apparatus can be used for the simultaneous measurement of gas adsorption and adsorption heats as well as for the measurement of gas uptake in catalytic processes or for measurements to characterize catalysts and at the same time to determine the associated heat of reaction.

- Die Probengefäße der Vorrichtung können sowohl aus Glas als auch aus Metall gebaut werden. Bei der metallischen Bauweise ergeben sich noch die folgenden Vorteile:- The sample vessels of the device can be made of either glass or metal. The metallic construction offers the following advantages:

- Bei der metallischen Ausführung sind die Wärmeleitungen und Wärmeübergänge gegenüber Glasapparaturen deutlich erhöht, wodurch schnellere und genauere Messungen möglich sind.- In the metallic version, the heat conduction and heat transfer are significantly increased compared to glass apparatus, which enables faster and more accurate measurements.

- Die ganze Apparatur ist bei der Handhabung nicht bruchgefährdet.- The entire apparatus is not at risk of breakage during handling.

- Die Apparatur erlaubt es, ohne Schwierigkeiten bei erhöhten Drücken zu messen.- The apparatus allows measurements to be taken at elevated pressures without difficulty.

- Die Oberflächen dieser Vorrichtung aus korrosionsbeständigen Metallen sind von Gasen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Ammoniak usw. nicht im gleichen Maße wie Glasoberflächen angreifbar.- The surfaces of this device made of corrosion-resistant metals are not attacked by gases such as hydrogen, carbon monoxide, sulphur dioxide, ammonia, etc. to the same extent as glass surfaces.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen vorgestellt:The invention is presented using the following examples:

1. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird anhand der Abbildung 1 beschrieben und erläutert. Ein Probengefäß (1) ist von einem Gasmantel oder einem Fluidmantel (2) umgeben. Der Druck in diesem Gasmantel kann durch einen Drucksensor (3a) genau gemessen werden. Die Gasbeladung des Probengefäßes (1) erfolgt aus dem Vorratsgefäß (5) über das Ventil (6). Der Gasdruck im Probengefäß ist über den Drucksensor (7) genau messbar. Das Ventil 8 dient zur Füllung des Mantels mit einem Fluid, z.B. mit dem Gas Neon. Dieses Fluid wird über das Ventil (10) zugeführt, und sein Druck wird am Druckmesser (11) gemessen. Vor Beginn der Messung kann das Probengefäß über das Ventil (12) evakuiert werden. Eine Evakuierung ist auch für den Mantel durch das Ventil (13) möglich. Das Ventil (14) dient zum Auffüllen des Gasvorrates mit dem zur Untersuchung dienenden Gas. Das Gasvorratsgefäß ist ebenfalls mit einem Druckmes-1. The device according to the invention is described and explained with reference to Figure 1. A sample vessel (1) is surrounded by a gas jacket or a fluid jacket (2). The pressure in this gas jacket can be precisely measured by a pressure sensor (3a). The gas loading of the sample vessel (1) takes place from the storage vessel (5) via the valve (6). The gas pressure in the sample vessel can be precisely measured via the pressure sensor (7). The valve 8 is used to fill the jacket with a fluid, e.g. with the gas neon. This fluid is supplied via the valve (10) and its pressure is measured on the pressure gauge (11). Before the measurement begins, the sample vessel can be evacuated via the valve (12). Evacuation is also possible for the jacket via the valve (13). The valve (14) is used to fill the gas supply with the gas to be used for the analysis. The gas storage vessel is also equipped with a pressure gauge.

ser (15) und einem Thermometer (16) verbunden, da Temperatur und Druck des Vorratsgefäßes zur Bestimmung der darin befindlichen Molzahl des Gases notwendig sind.water (15) and a thermometer (16), since the temperature and pressure of the storage vessel are necessary to determine the number of moles of gas contained therein.

2. Ein weiteres wichtiges Ausfiihrungsbeispiel der Vorrichtung ist in Abbildung 2 gezeigt. Ein Probengefäß (1) ist von einem Gasmantel oder einem Fluidmantel (2) umgeben, der durch einen Differenzdrucksensor (3b) von dem Referenzgefäß (4) getrennt ist. Die Gasbeladung des Probengefäßes (1) erfolgt aus dem Vorratsgefäß (5) über das Ventil (6). Der Gasdruck im Probengefäß wird über den Druckmesser (7) genau gemessen. Die Ventile (8) und (9) dienen zur Füllung des Mantels und des Referenzgefäßes mit einem Fluid, z.B. mit dem Gas Neon. Dieses Fluid wird über das Ventil (10) zugeführt und sein Druck wird am Druckmesser (11) gemessen. Vor Beginn der Messungen kann das Probengefäß über das Ventil (12) evakuiert werden. Eine Evakuierung ist auch für Mantel und Referenzgefäß durch das Ventil (13) möglich. Das Ventil (14) dient zum Auffüllen des Gasvorrates mit dem zur Untersuchung dienenden Gas. Das Gasvorratsgefäß ist ebenfalls mit einem Druckmesser (15) und einem Thermometer (16) verbunden, da Temperatur und Druck des Vorratsgefäßes zur Bestimmung der darin befindlichen Molzahl des Gases notwendig sind. Die Vorrichtung kann hier ausserdem ein Zusatzgefäß (17), das über den Druckmesser (18) die Messung des Dampfdruckes des benutzten Gases gestattet, haben Dieses Zusatzgefäß (17) läßt sich durch ein Ventil (19) von der übrigen Apparatur trennen. Die Differenzanordnung hat den Vorteil, dass sich die Versuchstemperatur verändern kann, ohne jedesmal eine neue Eichung zu erfordern. Das Volumen eines Probengefäßes (1) liegt beispielsweise zwischen einigen Millilitern bis zu einigen hundert Millilitern. Das Volumen des Mantels (2) und ggf. des Referenzgefäßes (4) ist in der Regel deutlich größer als das Volumen des Probengefäßes, z.B. &khgr; so groß. Das Volumen des Gasvorratsgefäßes (5) liegt beispielsweise zwischen Milliliter und 1 Liter. In einer realisierten Anordnung wurden elektromagnetische Ventile eingesetzt. Die Verbindungen waren bei der metallischen Bauweise aus Edelstahlrohren von 6 mm Außen- und 4 mm Innendurchmesser hergestellt worden.2. Another important example of the device is shown in Figure 2. A sample vessel (1) is surrounded by a gas jacket or a fluid jacket (2) which is separated from the reference vessel (4) by a differential pressure sensor (3b). The sample vessel (1) is filled with gas from the storage vessel (5) via the valve (6). The gas pressure in the sample vessel is precisely measured by the pressure gauge (7). The valves (8) and (9) are used to fill the jacket and the reference vessel with a fluid, e.g. with the gas neon. This fluid is supplied via the valve (10) and its pressure is measured at the pressure gauge (11). Before the measurements begin, the sample vessel can be evacuated via the valve (12). Evacuation is also possible for the jacket and reference vessel via the valve (13). The valve (14) is used to fill the gas supply with the gas to be used for the analysis. The gas storage vessel is also connected to a pressure gauge (15) and a thermometer (16), since the temperature and pressure of the storage vessel are necessary for determining the number of moles of gas contained therein. The device can also have an additional vessel (17) which allows the vapor pressure of the gas used to be measured via the pressure gauge (18). This additional vessel (17) can be separated from the rest of the apparatus by a valve (19). The differential arrangement has the advantage that the test temperature can change without requiring new calibration each time. The volume of a sample vessel (1), for example, is between a few milliliters and a few hundred milliliters. The volume of the jacket (2) and, if applicable, the reference vessel (4) is usually significantly larger than the volume of the sample vessel, e.g. x as large. The volume of the gas storage vessel (5), for example, is between milliliters and 1 liter. In one arrangement implemented, electromagnetic valves were used. In the metallic construction, the connections were made of stainless steel tubes with an outer diameter of 6 mm and an inner diameter of 4 mm.

Claims

1. Device for the simultaneous measurement of gas loadings and associated heat tones, characterized in that a sample vessel ( 1 ) which can be charged with gas in a defined, known manner is surrounded by a jacket ( 2 ) filled with a fluid, the pressure and pressure change of which can be precisely determined by a pressure gauge ( 3a ).

2. Device according to claim 1, characterized in that a differential pressure sensor ( 3 b) is located between a reference vessel ( 4 ), the volume of which is generally equal to the volume of the jacket and which is generally filled with the same fluid as the jacket, so that a pressure change in the jacket compared to the pressure in the reference vessel is registered.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the device is made of metal.