Angesichts
des vorstehend dargestellten Standes der Technik lag der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen,
die unter anderem dazu geeignet ist, die Testung von Katalysatoren
durch eine Kombination mehrerer Analysenmethoden zu gestatten.
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Gaszufuhr
einer solchen Vorrichtung zum Hochdurchsatz-Testen von Katalysatoren
zu optimieren und somit unter anderem die Zugänglichkeit der zu teilenden
Bausteine, z.B. Katalysatorproben, bevorzugt unter Reaktionsbedingungen,
für mehrere,
vorzugsweise verschiedene, Analysensysteme zu erleichtern.
Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung mit den Merkalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das
Reaktorelement, dessen äußere Gestalt grundsätzlich keinen
Beschränkungen
unterliegt, kann beispielsweise scheibenförmig sein. Bezüglich des
Materials des erfindungsgemäß verwendeten Reaktorelements
existieren keine besonderen Beschränkungen, solange die verwendeten
Materialien der Belastung, welcher das Reaktorelement ausgesetzt
ist, standhalten. Vorzugsweise werden Metalle oder Metallegierungen,
wie z.B. Messing, Aluminium und Edelstähle, wie z.B. solche nach DIN
1.4401, DIN 1.4435, DIN 1.4541, DIN 1.4571, DIN 1.4573, DIN 1.4575,
DIN 2.4360/2.4366, DIN 2.4615/2.4617, DIN 2.4800/2.4810, DIN 2.4816,
DIN 2.4851, DIN 2.4856, DIN 2.4858, DIN 1.4767, DIN 1.4401, DIN 2.4610,
DIN 1.4765, DIN 1.4847, DIN 1.4301 sowie Keramiken eingesetzt. Besonders
bevorzugt wird das Reaktorelement aus V2A oder V4A Stahl hergestellt.
Im Reaktorelement können
Ausnehmungen vorgesehen sein, welche denen von optional vorgesehenen
Halteelementen in Anzahl, Form und Ausrichtung entsprechen. Zusätzlich zu
diesen Ausnehmungen sind in das Reaktorelement weitere Ausnehmungen
eingebracht, welche bevorzugt in Form von Bohrungen vorgesehen sind.
Durch diese Bohrungen kann der Vorrichtung beispielsweise Gas zugeführt werden.
Es ist ebenfalls denkbar, daß durch
diese Bohrungen auch Gas abgeführt
wird. Diese Ausnehmungen können
außerdem
mit Ventilen, wie beispielsweise Multiportventile, versehen sein.
Innerhalb
des Reaktorelements befindet sich eine Pluralität von Reaktionskammern. Das
Reaktorelement kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
auch einen zweiteiligen Aufbau aufweisen, wobei ein Reaktor-Mittelstück, dessen äußere Gestalt
vorzugsweise scheibenförmig
ist, in einem ringförmigen äußeren Teil
des Reaktorelements eingebettet ist. Die einzelnen Reaktionskammern
sind vorzugsweise durch geeignete Dichtungselemente voneinander
isoliert.
Solche
Dichtungselemente sind bevorzugt alle Dichtungen, welche den auftretenden
Reaktionsbedingungen wie z. B. hohe Temperatur und hoher Duck standhalten.
Zur Anwendung kommen beispielsweise Graphitdichtungen, Kupfer- und/oder Bleidichtungen.
Der
Begriff "Kanal" beschreibt in diesem
Zusammenhang eine Verbindung zweier Öffnungen, die beispielsweise
den Durchtritt eines Fluids durch Bereiche des Reaktorelements oder
durch das gesamte Reaktorelement erlaubt. Er kann eine über die
Länge des
Kanals veränderliche
Querschnittsfläche
oder vorzugsweise eine konstante Kanalquerschnittsfläche aufweisen.
Der Kanalquerschnitt kann beispielsweise einen ovalen, runden oder
polygonen Umriß mit
geraden oder gebogenen Verbindungen zwischen den Eckpunkten des
Polygons aufweisen. Bevorzugt ist jedoch ein runder oder gleichseitiger
polygonaler Querschnitt. Die Kanäle
können
einen geraden und/oder einen kurvenförmigen Verlauf aufweisen, vorzugsweise
verlaufen sie jedoch entlang einer geraden Längsachse.
Auch
die Geometrie der Reaktionskammern fällt unter diesen "Kanal"-Begriff. Die Reaktionskammern
ihrerseits sind vorzugsweise durch sich an die Reaktionskammern
anschließende
vertikale Reaktionskanäle
mit Öffnungen
in der Oberfläche
des Reaktorelements verbunden. Die Reaktionskammern dienen insbesondere
zur Aufnahme der Katalysatorproben.
Alle
Kanäle
eines Bereichs weisen erfindungsgemäß vorzugsweise gleiche Geometrie
auf, insbesondere den gleichen Querschnitt und die gleiche Länge, was
zur Fluidflußgleichverteilung
des Reaktionsgases dient. Nur durch gleiche Geometrie der von einer
Ausnehmung bzw. von einem Kanal abzweigenden Kanäle kann eine mengenmäßige sowie eine
Fluidflußgleichverteilung
des Reaktionsgases in Richtung Reaktionskammern sichergestellt werden. Man
kann also über
die Geometrie der Kanäle
ganz bestimmte Druckniveaus innerhalb des Reaktorelements definieren.
Unter "Bereich" wird in diesem Zusammenhang
ein Abschnitt innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung verstanden,
welcher eine Pluralität
von Kanälen
aufweist, die jeweils die gleichen Elemente miteinander verbinden.
Um eine solche Fluidflußgleichverteilung
sicherstellen zu können, weisen
die Reaktionskammern zu den jeweiligen sie mit Reaktionsgas versorgenden
vorzugsweise vertikalen Kanälen,
von denen dann jeweils vorzugsweise vier horizontale Kanäle abzweigen,
welche ihrerseits in die Reaktionskammern einmünden, gleiche Abstände auf.
Ergebnis dieser Abstandsgleichverteilung der Reaktionskammern ist
eine in Matrixform angeordnete Pluralität von Reaktionskammern. Im
Falle des Abzweigens von vier Kanälen gleicher Geometrie von
einem Ausgangskanal, mit dem Ziel einer Fluidflußgleichverteilung in allen
vier abzweigenden Kanälen,
spricht man von einem sogenannten quaternären System, welches vorliegend
bevorzugt zur Versorgung der Reaktionskammern mit Reaktionsgas zur
Anwendung kommt.
Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung eine einseitig an das Reaktorelement angrenzende
infrarottransparente Abdeckung auf, welche zugleich die Reaktionskammern
einseitig auf der den Reaktionskanälen gegenüberliegenden Seite begrenzt.
Diese infrarottransparente Abdeckung ist vorzugsweise scheibenförmig und
kann auch mehrteilig gestaltet sein. Solche mehrteiligen Gestaltungen
können
als Pluralität
von kleineren Abdeckungen vorliegen. Als Materialien können grundsätzlich alle
infrarottransparenten Materialien verwendet werden, bevorzugt kommen
jedoch Saphir, Zinksulfid, Bariumdifluorid, Natriumchlorid und/oder
Silizium (beispielsweise Silizium-Wafer) zum Einsatz. Durch einen
solchen Vorrichtungsaufbau ist es möglich, die Thermokamera außerhalb
der Vorrichtung und somit isoliert von den Reaktionsbedingungen
anzuordnen.
Zwischen
dem Reaktorelement und der infrarottransparenten Abdeckung weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
mindestens eine Maske auf, die eine gleichmäßige IR-Emissivität hat. Diese
Maske wird vorzugsweise von einer im Reaktorelement vorgesehenen
Ausnehmung aufgenommen. Bei zweiteiliger Ausführung des Reaktorelements,
ist das Reaktor-Mittelstück
in seiner Dicke vorzugsweise entsprechend der Dicke der Maske reduziert,
so daß die
Gesamtdicke von Reaktor-Mittelstück
und Maske der Dicke des äußeren ringförmigen Teils
des Reaktorelements entspricht.
Zwischen
der Maske und dem Reaktorelement kann zusätzlich ein scheibenförmiges Element vorgesehen
sein, welches zur besseren Fluidflußverteilung dient.
Um
eine ausreichende Fluid-Dichtheit zwischen Reaktorelement, Maske
und infrarottransparenter Abdeckung zu gewährleisten, können zusätzlich zwischen
Reaktorelement und Maske und/oder zwischen Reaktorelement und infrarottransparenter Abdeckung
und/oder zwischen Maske und infrarottransparenter Abdeckung Dichtungen
vorgesehen werden. Bezüglich
des Dichtungsmaterials wird auf die oben bereits beschriebenen Materialien
im Zusammenhang mit den Dichtungselementen zur Isolierung der Reaktionskammern
gegeneinander verwiesen.
Diese
Maske kann grundsätzlich
jedoch aus allen dafür
geeigneten Materialien bestehen, welche annähernd die Eigenschaften eines "schwarzen Strahlers" (schwarzen Körpers) aufweisen
und somit Temperaturartefakte aufgrund von Emissivitätsunterschieden
verhindern. Beispielhaft seien hier noch β-Si3N4 und Graphit genannt. Bevorzugt wird im
Rahmen der vorliegenden Erfindung Schiefer als Maskenmaterial verwendet.
Die Wärmestrahlung
kann auftretende Temperaturunterschiede zwischen Katalysatormaterial
und Umgebung überlagern
und somit die Meßergebnisse
negativ beeinflussen. Die Öffnungen
in der Schiefermaske entsprechen in Anzahl, Querschnitt und Ausrichtung
bevorzugt denen der Reaktionskammern. Die Maske ist vorzugsweise
zwischen den Reaktionskammern und der Thermokamera angeordnet, wobei
auch der Einsatz mehrerer voneinander verschiedener Thermokameras
denkbar ist.
Bei
der Thermokamera handelt es sich vorzugsweise um eine oder mehrere
IR-Thermokameras,
mit welchen der resultierende Temperaturunterschied zwischen aktiven
Materialien und ihrer Umgebung bzw. inaktiven Materialien ortsaufgelöst bestimmt
werden kann. Die Meßergebnisse
der Thermokamera können
beispielsweise mittels einer Datenverarbeitungsanlage bzw. eines
Computers so aufbereitet werden, daß eine Auflösung einzelner Reaktionskammern
möglich
ist. Diese können
dann, vorzugsweise im Anschluß daran,
einer weiteren Analyse unterworfen werden, beispielsweise Massenspektrometrie,
Gaschromatographie, Raman-Spektroskopie und Fouriertransformations-(FT-IR)-Spektroskopie
einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr dieser Analysemethoden. Bevorzugt
kommen jedoch Massenspektrometrie und/oder Gaschromatographie zur
Anwendung. Weitere sinnvolle Analysekombinationen sind IR-Thermographie/GC-MS,
IR-Thermographie/Raman-Spektroskopie, IR- Thermographie/dispersive FT-IR-Spektroskopie,
Farbdetektion mit chemischem Indikator/MS, Farbdetektion mit chemischem
Indikator/GC-MS, Farbdetektion mit chemischem Indikator/dispersive
FT IR-Spektroskopie, elektronische oder elektrochemische Sensoren
und andere mehr. Weitere Details zu kombinierten Analysemethoden sind
der DE-A 100 12 847.5 zu entnehmen. Mit Hilfe der Datenverarbeitungsanlage
kann außerdem
eine Korrektur der erzielten Meßergebnisse
bezüglich
der auftretenden Hintergrundstrahlung unter Reaktionsbedingungen
vorgenommen werden. Details hierzu sind in der WO 99/34206 beschrieben.
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorelement wenigstens zwei
meanderförmige,
im Winkel ≠ 0
Grad zueinander angeordnete, Heizelemente aufweist, wobei der Winkel
bevorzugt 90 Grad beträgt.
Weitere Ausführungsformen
mit einer Pluralität
aus einzelnen Heizwendeln oder Heizpatronen, welche schneckenförmig, konzentrisch
oder zick-zack-förmig
angeordnet sein können,
sind ebenfalls denkbar.
Durch
diese Heizelemente wird das Reaktorelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf geeignete Weise geheizt. Bezüglich
der Ausführung des
Heizelements bestehen keine Beschränkungen, solange es für eine ausreichende
Erwärmung
des Reaktorelements geeignet ist. Bei dem Heizelement im Rahmen
der Erfindung handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Heizwendel.
Ebenfalls denkbar wären
von geheiztem Fluid durchströmte Kanäle, deren
Anordnung der der Heizelemente entspricht oder beispielsweise der
Einsatz von Heizpatronen oder auch eine aktive Wärmezuführung von außerhalb
des Reaktorelements angeordneten Heizelementen. Die Heizelemente
können
in Ausnehmungen direkt am Reaktorelement angebracht sein oder Bestandteil
einer Bodenplatte sein, welche angrenzend an die Oberfläche des
Reaktorelements angebracht wird, in der sich die Öffnungen
der Reaktionskanäle
befinden. Als Material für
die Bodenplatte kommt bevorzugt Messing zur Anwendung.
Die
Heizelemente werden bevorzugt meanderförmig auf der Bodenplatte zwischen
einer Matrix von Ausnehmungen angeordnet. Die Ausnehmungen entsprechen
dabei vorzugsweise der Anzahl der Reaktionskammern. Die Heizelemente
liegen dabei bevorzugt in Nuten mit beispielsweise U-förmigem Querschnitt,
welche auf beiden, bevorzugt nur auf einer, insbesondere der dem
Reaktorelement zugewandten Seite vorgesehen sind. Der Nutquerschnitt ist
dabei so dimensioniert, daß er
bevorzugt dem der Heizelemente ähnlich
ist, so daß nach
Einlegen der Heizelemente in die Nuten, die Heizelemente nicht über die
Oberfläche
der Bodenplatte hervorstehen und somit eine ebene Anschlußfläche zur
Anbringung der Bodenplatte am Reaktorelement zur Verfügung steht.
Zur noch gleichmäßigeren
Wärmeverteilung
ist auch die Verwendung eines Wärmeverteilers, beispielsweise
in Form einer dünnen
Scheibe zwischen Bodenplatte und Reaktorelement, denkbar. Der vorzugsweise
direkt an die mit Heizelementen versehene Seite der Bodenplatte
angrenzende Wärmeverteiler
dient zur gleichmäßigen Wärmeverteilung
der von den Heizelementen der Bodenplatte übertragenen Wärme auf
die Reaktionskammern im Reaktorelement. Bei der bevorzugten Verwendung von
zwei Heizelementen würde
man vorzugsweise beide Heizelemente in einer Ebene anordnen, wobei ein
Heizelement gegenüber
dem anderen um vorzugsweise 90 Grad gedreht ist. Die Versorgung
des Heizelements mit Energie erfolgt dabei vorzugsweise von der
Seite der Bodenplatte.
Der
vorzugsweise scheibenförmige
Wärmeverteiler
entspricht in seiner Außenkontur
bevorzugt der des Reaktor-Mittelstücks und ist an das Reaktor-Mittelstück angrenzend
angebracht. Der Wärmeverteiler
grenzt dabei auf der einen Seite an das Reaktor-Mittelstück und auf
der anderen Seite direkt oder indirekt, bevorzugt jedoch direkt,
an die Bodenplatte an. Der Wärmeverteiler weist
zudem Ausnehmungen auf, welche vorzugsweise der Anzahl, der Position
und der Richtung der von den Reaktionskammern vertikal abgehenden
Reaktionskanäle
entspricht. Diese dienen vorzugsweise der Durchleitung des Reaktionsgases.
Der Wärmeverteiler
besteht bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise
Messing, Kupfer, etc.
In
die Reaktionskanäle
können
zur definierten Reaktionsgasführung
zusätzlich
Reaktionsgasführungselemente,
beispielsweise in Form von Hülsen,
bevorzugt aus Keramik oder Edelstahl eingebracht werden. Diese Reaktionsgasführungselemente
sind teilweise oder vollständig
in die Reaktionskanäle
eingebracht, reichen durch das Abgaselement und die Bodenplatte
hindurch und ragen vorzugsweise in den Abgasraum des Abgaselements
hinein und verhindern somit insbesondere eine Reaktion des Produktabstroms
mit dem Material des Wärmeverteilers
bzw. der Bodenplatte.
Ferner
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
so ausgestaltet sein, daß das
Reaktionsgas während
des Durchströmens
des Gaseinlasses und der Kanäle
im Reaktorelement auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizt wird,
wobei diese Temperatur bevorzugt ± 50 Kelvin der Reaktionstemperatur
beträgt.
Dabei
kann das in das Reaktorelement einströmende Reaktionsgas schon vorgeheizt
sein und erst im Reaktorelement auf Reaktionstemperatur gebracht
werden, oder nur durch das beheizte Reaktorelement auf Reaktionstemperatur
gebracht werden. Der Vorteil, das Reaktionsgas innerhalb des Reaktorelements
auf Reaktionstemperatur aufzuheizen, besteht zum einen darin, daß eine unerwünschte Reaktion
des Reaktionsgases mit Materialien, welche mit dem Reaktionsgas
auf seinem Weg bis in die Reaktionskammer in Kontakt stehen, vermieden
wird und zum anderen darin, daß durch
die Länge
der Gaszuführung
im Zusammenhang mit der Heizleistung der Heizelemente eine gezielte Erwärmung des
Reaktionsgases dahingehend vorgenommen werden kann, daß erst mit
Eintritt des Reaktionsgases in die Reaktionskammer oder kurz zuvor
die Reaktionstemperatur erreicht wird und somit nur die Katalysatorprobe mit
dem Reaktionsgas reagiert.
Auf
der den Heizelementen gegenüberliegenden
Seite der Bodenplatte kann optional ein Abgaselement vorgesehen
sein. Es grenzt einseitig an die Bodenplatte und dient der Zusammenführung der einzelnen
Reaktionsgasströme
zu einem Abgasstrom. Das Abgaselement ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt,
besonders bevorzugt aus V2A bzw. V4A Stahl. Es weist ebenfalls eine
matrixförmige
Anordnung von Ausnehmungen auf, welche eine Weiterführung der
Ausnehmungen in der Bodenplatte darstellen und welche im Abgaselement
in einen gemeinsamen Abgasraum münden.
Das im Abgasraum zusammengeführte
Abgas wird über
vorzugsweise eine Ausnehmung in Form einer Durchgangsbohrung aus
dem Abgaselement ausgeleitet.
Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung ein Abgaselement mit einer Pluralität von Membranen auf,
sowie mindestens eine positionierbare Sonde, wie z.B. eine Kapillare,
Kapillarsystem oder ein positionierbares Sensorelement.
Mit
einer solchen positionierbaren Sonde ist es möglich, durch eine Membran,
bzw. bei Verwendung mehrerer positionierbarer Sonden, durch mehrere
Membranen hindurch selektiv auf den Produktabstrom (Reaktionsgas
von der Reaktionskammer kommend) eines einzelnen Reaktionskanals
zuzugreifen und die Produkte mit einer oder mehreren Analysenmethoden
zu analysieren. Ebenfalls denkbar ist auch der direkte Zugriff mit
einer Sonde auf einen Produktabstrom ohne eine Membran, wenn die Sonde
mit anderen geeigneten Mitteln gasdicht an einem einzelnen Reaktionskanal
angeschlossen werden kann. Des weiteren können auch gleichzeitig mehrere
Sonden für
mehrere Produktabströme
zum Einsatz kommen, welche entsprechend der Auswertung der IR-Thermographie
zur weiteren Analyse an die Reaktionskanäle verfahren werden, welche
mit Reaktionskammern mit besonders aktiven Katalysatoren verbunden
sind. Die Positionierbarkeit der Sonden erfolgt dabei bevorzugt
in zwei Richtungen, besonders bevorzugt jedoch in drei Richtungen.
Um eine noch effektivere Analyse der einzelnen Produktabströme zu erreichen,
können
auch mehrere Kapillaren für
einen Produktabstrom eines Reaktionskanals vorgesehen werden. Damit
kann eine zeitgleiche Analyse des Produktabstroms eines Reaktionskanals
mit mehreren verschiedenen Analysenmethoden, beispielsweise Massenspektrometrie,
Gaschromatographie, GCMS-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, Infrarot-Spektroskopie,
UV-VIS-Spektroskopie, NMR-, Fluoreszenz-, ESR-, NMR- und ESR-Tomografie
und Mösbauer-Spektroskopie
erfolgen. Weitere sinnvolle Analysekombinationen sind IR-Thermographie/GC-MS, IR-Thermographie/Raman-Spektroskopie,
IR-Thermographie/dispersive FT IR-Spektroskopie, Farbdetektion mit
chemischem Indikator/MS, Farbdetektion mit chemischen Indikator/GC-MS,
Farbdetektion mit chemischen Indikator/dispersive FT IR-Spektroskopie,
Analyse mit elektronischen oder elektrochemischen Sensoren und andere
mehr.
Die
Membranen können
als einfache Lochmaske vorgesehen sein. Weiterhin kann die Lochmaske
mit einem oder mehreren Septen oder mit Mitteln zum Öffnen und
Schließen
der einzelnen Löcher, beispielsweise ähnlich einer
Kamerablende, versehen sein. Als Membranmaterial kommen beispielsweise
Silikonsepten oder auch temperaturbeständige Kunststoffe wie beispielsweise
Kapton in Betracht.
Insbesondere
bei Verwendung einer einfachen Lochmaske kann zusätzlich eine
Pumpe vorgesehen sein, um beispielsweise seitlich oder radial über einen
Gasabsaugring einen Unterdruck im Abgaselement zu erzeugen und somit
sicherzustellen, daß kein
Reaktionsgas unkontrolliert austreten kann.
Zur
selektiven Analyse von gasförmigen Substanzen
aus den jeweiligen Reaktionskammern kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
wenigstens ein Multiportventil aufweisen.
Mit
Hilfe eines oder mehrerer Multiportventile läßt sich beispielsweise der
Produktabstrom eines Reaktionskanals auf mehrere Analyseapparaturen verteilen.
Auch das Zusammenfassen ausgewählter Produktabströme ist somit
möglich.
Dabei können
die einzelnen Abströme
von einzelnen, mehreren oder allen Reaktionskanälen separat abgeleitet und über eine
Ventilschaltung anschließend
separat analysiert werden.
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann weiterhin bei Gasein- und Gasauslaß mindestens eine Restriktion
zur Kontrolle des Gasflusses aufweisen.
Unter
Restriktionen werden vorliegend Verjüngungen in den Gasein- und
Gasauslaßkanälen verstanden,
welche wahlweise vor und/oder nach der Reaktionskammer vorgesehen
sein können,
um eine optimale Flußverteilung
zu gewährleisten.
Die einzelnen Restriktionen je Gasein- und/oder Gasauslaß sind bevorzugt
immer gleich in einem Bereich von Δp von 10–4 bar
bis 102 bar.
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird bevorzugt zur Durchführung
von katalytischen Tests insbesondere zur Analyse mit Infrarot-Thermographie
und mindestens einer weiteren Analysemethode verwendet. Eine derartige
Durchführung
von katalytischen Tests mittels zweier verschiedener Analysenmethoden
wird z.B. in der DE-A 10012847.5 beschrieben, auf die bezüglich weiterer
Details verwiesen wird. Besonders bevorzugt wird die Vorrichtung zum
Testen von heterogenen Katalysatorsystemen als Bausteine einer Materialbibliothek,
insbesondere metallorganischen Systemen, organischen Substanzen,
wie z.B. pharmakologischen Wirkstoffen, Polymeren, Composit-Materialen, insbesondere
solche aus Polymeren und anorganischen Materialien, verwendet. Prinzipiell
ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch auf alle Bereiche der Technik, in denen Formulierungen, also
Zusammensetzungen mit mehr als einem Bestandteil, hergestellt und
auf ihre nützlichen Eigenschaften
untersucht werden anwendbar. Anwendungsbereiche außerhalb
der Materialforschung sind z.B. Arzneimittelformulierungen, Formulierungen
von Nahrungs- und Nahrungsergänzungsmitteln, Futtermitteln
und Kosmetika.
Der
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff „Materialbibliothek" bezeichnet dabei
eine Anordnung mindestens zweier, vorzugsweise bis zu 10, weiter
bevorzugt bis zu 100, insbesondere bis zu 1000 und weiter bevorzugt
bis zu 100.000 Bausteine, die sich in mindestens zwei verschiedenen,
voneinander getrennten Reaktionskammern des Reaktorelements befinden.
Der
Begriff „Baustein" bezeichnet eine
einzelne definierte Einheit, die sich in den jeweiligen voneinander
getrennten Reaktionskammern des Reaktorelements befindet, und die
aus einer oder mehreren Komponenten bestehen kann.
Vorzugsweise
handelt es sich bei den zu testenden Bausteinen im obigen Sinne
um nicht gasförmige
Substanzen, wie zum Beispiel Feststoffe, Flüssigkeiten, Sole, Gele, wachsartige
Substanzen oder Substanzmischungen, Dispersionen, Emulsionen, Suspensionen
und Feststoffe, besonders bevorzugt Feststoffe. Dabei kann es sich
im Rahmen der erfindungsgemäß eingesetzten
Bausteine um molekulare und nicht-molekulare chemische Verbindungen
bzw. Formulierungen, bzw. Gemische bzw. Materialien handeln, wobei
der Begriff "nicht-molekular" Substanzen definiert,
die kontinuierlich optimiert bzw. verändert werden können, im
Gegensatz zu "molekularen" Substanzen, deren
strukturelle Ausprägung sich lediglich über eine
Variation von diskreten Zuständen,
also beispielsweise der Variation eines Substitutionsmusters, verändern lassen.
Die
Bausteine innerhalb der Materialbibliothek können untereinander gleich oder
verschieden sein, wobei letzteres bevorzugt ist; bei einer Optimierung
von Test- bzw. Reaktions-
oder Prozeßparametern
ist es jedoch auch gut möglich,
daß die
Substanzbibliothek zwei oder mehr gleiche Substanzen umfaßt bzw.
ausschließlich
aus identischen Substanzen besteht.
Besonders
bevorzugt wird als infrarottransparente Abdeckung der Pluralität von Reaktionskammern
gegenüber
einer Thermokamera ein Silizium-Wafer bzw. eine Saphirscheibe verwendet.
Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(Reaktor) ist es möglich,
gleichzeitig zwei oder mehr Analysenmethoden wie beispielsweise
Thermographie und eine weitere Methode, wie beispielsweise Massenspektrometrie,
für einen
katalytischen Test anzuwenden. Dabei ist es möglich jeden Reaktionskanal
separat und ohne Übersprechen
zwischen den einzelnen Kanälen
mit Reaktionsgas zu beschicken.
Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es somit möglich,
durch Einsatz der Thermokamera schnell aktive Bausteine, z.B. Katalysatoren
zu identifizieren und in einem zweiten Schritt durch Einsatz von
beispielsweise Massenspektrometrie oder Gaschromatographie selektiv
die Produkte im Abstrom dieser Bausteine, z.B. Katalysatoren zu
bestimmen und zu quantifizieren. Auf diese Weise können in
kürzester
Zeit wesentlich mehr Katalysatoren getestet werden als mit den bisher
veröffentlichten
Methoden.
Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert, wobei
1 eine
schematische Anordnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Querschnitt zeigt;
2 eine
schematische Darstellung des Reaktorelements zeigt;
3 eine
Darstellung der Heizelementanordnung; und
4 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in 3 zeigt.
1 zeigt
eine Vorrichtung 10 zur Durchführung von katalytischen Tests,
welche eine vollständige
Zugänglichkeit
der Katalysator-Proben unter Reaktionsbedingungen durch eine Thermokamera
bei gleichzeitiger vollständiger
physikalischer Abschirmung der Umgebung vom Reaktionsgas gewährleistet
und welche die Wärmestrahlung
des Vorrichtungsmaterials, welche die Temperaturunterschiede zwischen
Katalysatormaterial und Umgebung überlagert, weitestgehend abschirmt.
Die
in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 weist
einen Silizium-Wafer 14, eine Schiefermaske 25,
ein Reaktorelement 16 mit Gaseinlaß 18, eine Bodenplatte 20 mit
Heizelement 22 sowie ein Abgaselement 24 auf.
Der
Zusammenhalt der einzelnen Elemente kann beispielsweise durch Halte- und/oder Verbindungselemente
(nicht dargestellt) sichergestellt werden.
Bei
den Halteelementen handelt es sich vorzugsweise um ringförmige Drehteile,
wobei beispielsweise ein oberes Halteelement auf der einen Seite der
Vorrichtung die infrarottransparente Abdeckung fixiert und auf der
anderen Seite beispielsweise ein unteres Halteelement bevorzugt
zur Aufnahme der Verbindungselemente dienen kann. Bezüglich des Materials
der erfindungsgemäß verwendeten
Halteelemente existieren keine besonderen Beschränkungen, solange die verwendeten
Materialien der Belastung, welcher die Halteelemente ausgesetzt
sind, standhalten. Vorzugsweise werden Metalle oder Metallegierungen,
wie z.B. Messing, Aluminium und Edelstähle, wie z.B. solche nach DIN
1.4401, DIN 1.4435, DIN 1.4541, DIN 1.4571, DIN 1.4573, DIN 1.4575,
DIN 2.4360/2.4366, DIN 2.4615/2.4617, DIN 2.4800/2.4810, DIN 2.4816,
DIN 2.4851, DIN 2.4856, DIN 2.4858, DIN 1.4767, DIN 1.4401, DIN
2.4610, DIN 1.4765, DIN 1.4847 sowie DIN 1.4301, eingesetzt. Besonders
bevorzugt kommt V2A oder V4A Stahl zur Anwendung. Ebenfalls denkbar
ist der Einsatz von Keramiken. Beide Halteelemente weisen Ausnehmungen,
vorzugsweise in Form von Durchgangsbohrungen, vorzugsweise zur Aufnahme
der Verbindungselemente auf.
Das
obere Halteelement dient insbesondere der Fixierung eines infrarotdurchlässigen Materials, vorzugsweise
in Form einer Scheibe. Die Auswahl der Materialien für diese
Scheibe unterliegt keinen Beschränkungen,
solange die ausgewählten
Materialien in den gewünschten
Abmessungen herstellbar und infrarottransparent sind. Die Scheibe,
vorzugsweise ein Silizium-Wafer,
dient vorliegend somit insbesondere als infrarottransparentes Fenster,
wobei auch andere Materialien wie beispielsweise Saphir, Zinksulfid,
Bariumdifluorid und Natriumchlorid, Al2O3, CaF2, Si, Ge,
GaAs, CdTe, ZnSe, Quarzglas, KRS-S, IKS-Materialien sowie IG-Materialien
verwendet werden können.
Bevorzugt kommt jedoch Saphir und besonders bevorzugt Silizium zum
Einsatz. Auch eine Kombination aus den genannten Materialien kann eingesetzt werden.
Die besonders bevorzugt als Silizium-Wafer ausgebildete Scheibe
grenzt einerseits an das obere Halteelement und andererseits an
das Reaktorelement.
Das
obere Halteelement, als optionales Element der Vorrichtung vorgesehen,
kann weiterhin beispielsweise zur Abdichtung dienen und/oder über Winkel/Schrägung, unerwünschte Infrarot-Reflektionen
für bestimmte
Thermokamerapositionen verhindern. Durch eine solche Ausführungsform
werden beispielsweise Rückkopplungen
vermieden.
Den
Abschluß der
Vorrichtung auf der dem oberen Halteelement gegenüberliegenden
Seite bildet das untere Halteelement. Es ist mit dem Abgaselement
verbunden und gewährleistet
zusammen mit dem oberen Halteelement eine gasdichte Verbindung aller
dazwischenliegenden Elemente. Der Zusammenhalt wird dabei vorzugsweise
durch Schraubverbindungen sichergestellt. Die Dichtigkeit zwischen den
einzelnen Elementen wird durch Aneinandergrenzen von jeweils polierten
Oberflächen
erreicht, welche, wenn notwendig zusätzlich mit Graphit abgedichtet
werden können.
Die Funktion des unteren Halteelements kann auch vom Abgaselement übernommen
werden, wobei die wichtigsten Funktionen des unteren Halteelements
dann im Abgaselement integriert sind.
Das
untere Halteelement hat hauptsächlich die
Funktion das Abgaselement zu fixieren und gegebenenfalls Elemente
von Analyseeinrichtungen aufzunehmen. Außerdem kann ihm zusammen mit
dem oberen Halteelement eine Haltefunktion der übrigen Vorrichtungselemente
zukommen.
Das
untere Halteelement, ebenfalls als optionales Element der Vorrichtung,
kann weiterhin beispielsweise als Dichtung, zur Gasabsaugung (z.
B. radiale Gasabsaugung), als Kapillarführung sowie zur Positionierung
eines Rasters zur Bilderkennung, beispielsweise der einzelnen Löcher, verwendet
werden.
Als
Verbindungselemente kommen bevorzugt Schrauben und Muttern zum Einsatz.
Alternativ dazu können
auch andere Spannelemente wie Spannfedern oder Verbindungselemente
an den vorzugsweise ringförmigen
Komponenten ähnlich
oder in Form eines Bajonettverschlusses verwendet werden. Eine weitere
Möglichkeit,
die einzelnen Komponenten miteinander zu verbinden besteht darin,
alle Bauteile in ein gemeinsames Gestell einzupressen.
Wie
in 1 ebenfalls dargestellt, wird das Reaktionsgas 32 der
Vorrichtung 10 vorzugsweise seitlich, über einen Gaseinlaß 18 und
sich daran anschließende
bevorzugt horizontale Ausnehmungen 40 im Reaktorelement 16,
zugeführt.
Die horizontalen Ausnehmungen 40 sind vorzugsweise Teil
des Gaseinlasses 18, da lediglich bei mehrteiligen Ausführungsformen
Gaseinlaß 18 und
die horizontalen Ausnehmungen 40 Bestandteil verschiedener
Reaktorelemente sein können.
Das Reaktionsgas 32 strömt
durch die horizontalen Ausnehmungen 40 des Reaktorelements 16 in
die davon vertikal abzweigenden Kanäle 42, dann weiter
in die von den vertikalen Kanälen 42 abzweigenden
horizontalen Kanäle 44 bis
in die Reaktionskammern 46. Bei entsprechender Geometrie,
kann auch Kanal 42 und 44 zu einem Kanal, beispielsweise
bogenförmig
oder schräg
verlaufend, zusammengefaßt
werden. In den Reaktionskammern reagiert das Reaktionsgas mit den
Katalysatorproben und strömt
anschließend
aus den Reaktionskammern 46 in die Reaktionskanäle 48,
welche von den Reaktionskammern 46 ausgehend in Richtung
des Abgaselements 24 vertikal verlaufen. Von dort strömt das Reaktionsgas 32 in
die Ausnehmungen der Bodenplatte 20, samt Hülsen aus
Inertmaterial, durch diese hindurch in die Ausnehmungen des Abgaselements 24 und
dort schließlich
in den Abgasraum 54. In diesem wird das Reaktionsgas 32 (Produktabstrom)
gesammelt und als Abgas 34 vorzugsweise seitlich durch
einen Gasauslaß 30 aus
dem Abgaselement 24 aktiv ausgeleitet.
Bevorzugt
dienen die horizontalen Kanäle 44 sowie
die Ausnehmungen im Abgaselement 24 als Restriktionen 38,
vorzugsweise in Form von Verjüngungen,
welche eine Kontrolle des Gasflusses ermöglichen.
Das
Abgaselement 24 ist weiterhin mit Membranen 36 versehen,
durch welche mittels einer positionierbaren Kapillare 50,
als bevorzugte Ausführungsform
der Sonde, selektiv auf den Produktabstrom eines Reaktionskanals 48 zugegriffen
werden kann. Die positionierbare Kapillare 50 ist durch
Verbindungsmittel 52 mit der Analyseneinheit 70 verbunden.
Diese Analyseneinheit 70 kann sowohl ein Analysegerät als auch
mehrere Analysengeräte,
wie beispielsweise Massenspektrometer und Gaschromatograph, aufweisen.
Bei den Verbindungsmitteln 52 handelt es sich bevorzugt
um Rohrleitungen, Schläuche
aus beispielsweise Kapton, PE-Kapillaren, Glaskapillaren und/oder
Quarzkapillaren, welche die Funktion haben, den Produktabstrom,
oder einen Teil davon, an die Analyseneinheit 70 weiterzuleiten.
Als Verbindungsmittel 52 kann auch ein Kapillarbündel vorgesehen
sein, welches den Abstrom, oder einen Teil davon, von einer oder
mehreren positionierbaren Kapillaren 50 zu mehreren Analyseneinheiten
weiterleitet. Ebenso ist es möglich,
daß nicht
nur mehrere einzelne positionierbare Kapillaren 50 vorgesehen sind,
sondern daß eine
positionierbare Kapillare 50 ein Kapillarbündel aufweist,
wobei die Kapillaren innerhalb des Bündels der positionierbaren
Kapillare 50 mit einem Verbindungsmittel 52, ebenfalls
in Form eines Kapillarbündels,
verbunden sind, um den Abstrom aufgeteilt auf die einzelnen Kapillaren
des Bündels,
vorzugsweise an jeweils verschiedene Analyseneinheiten weiterzuleiten.
Dabei ist bevorzugt jeweils eine Kapillare des Kapillarbündels mit
jeweils einer Analyseneinheit verbunden.
Die
positionierbare Kapillare 50 ist vorzugsweise mit einer
Steuerung/Regelung (in 1 nicht dargestellt) verbunden,
welche an eine Datenverarbeitungsanlage oder einen Computer (in 1 nicht dargestellt)
angeschlossen ist. Diese Datenverarbeitungsanlage wertet die Messergebnisse
von vorzugsweise einer Thermokamera 60 aus und verfährt dementsprechend über die
Steuerung/Regelung die positionierbare Kapillare 50 an
die Reaktionskanäle 48,
welche mit solchen Reaktionskammern 46 verbunden sind,
in denen wiederum aktive Katalysatoren durch die Thermokamera 60 identifiziert
wurden. Somit ist eine effektive Testung möglich, indem nur Produktabströme von aktiven
Katalysatoren weiter analysiert werden. Eine weitere Steigerung
der Effektivität
läßt sich
beispielsweise durch Einsatz mehrerer positionierbarer Kapillaren 50 bzw.
durch parallele Analyse mit mehreren Analysenmethoden erreichen. Ebenfalls
denkbar ist der Einsatz mehrerer Thermokameras 60, wobei
eine noch feinere Auflösung
der Temperaturunterschiede zwischen Katalysatormaterial und Umgebung
bzw. inaktiven Materialien möglich
ist.
Wie
außerdem
aus 1 ersichtlich, ist das Reaktorelement 16 durch
eine Schiefermaske 25 in Richtung der Thermokamera 60 abgedeckt.
Diese Schiefermaske 25 dient vorzugsweise dazu, Temperaturartefakte
aufgrund von Emissivitätsunterschieden
zu verhindern, welche meist durch sich aufheizende Vorrichtungselemente
verursacht werden. Diese unerwünschte
Wärmestrahlung
könnte
die eigentlich beabsichtigte Messung der Temperaturunterschiede
zwischen Katalysatormaterial und Umgebung bzw. inaktiven Materialien
durch Überlagerung verfälschen.
Die
Schiefermaske 25 wird in Richtung der Thermokamera 60 vorzugsweise
durch einen Silizium-Wafer 14 abgedeckt, welcher als infrarottransparentes
Fenster dient.
2 zeigt
den Verlauf des Reaktionsgasstroms innerhalb des Reaktorelements 16 entsprechend
der in 1 eingezeichneten Blickrichtung II-II. Dabei ist
zu erkennen, daß das
Reaktionsgas 32 durch vorzugsweise parallele horizontale
Ausnehmungen 40 in das Reaktorelement 16 strömt, von dort
in die vertikalen Kanäle 42,
und schließlich
durch die horizontalen Kanäle 44 in
die Reaktionskammern 46.
Im
Falle einer zweiteiligen Ausführung
des Reaktorelements weist das Reaktor-Mittelstück Ausnehmungen in horizontaler
Richtung auf, welche, wie im Falle des einteiligen Reaktorelements 16,
jeweils zwischen den Reihen der Reaktionskammern 46 angeordnet
sein können.
Wenn das Reaktor-Mittelstück in
den äußeren ringförmigen Teil
des Reaktorelements eingesetzt ist, liegen diese Ausnehmungen in der
gleichen Ebene und haben die gleiche Richtung (fluchtend) sowie
bevorzugt den gleichen Durchmesser, wie die zur Gaszufuhr im äußeren ringförmigen Teil
des Reaktorelements vorgesehenen Durchgangsbohrungen. Das Gas kann
somit durch die Bohrungen des äußeren ringförmigen Teils
des Reaktorelements in die Ausnehmungen, vorzugsweise Sacklochbohrungen,
des Reaktor-Mittelstücks
strömen.
Bei entsprechender Form sowie Tolerierung der Außenabmessungen des Reaktor-Mittelstücks und der
Innenabmessungen des äußeren ringförmigen Teils
des Reaktorelements, kann eine ausreichende Gasdichtigkeit ohne
zusätzliche
Dichtungselemente zwischen beiden Elementen erzielt werden.
In
der Vorrichtung 10 zweigen von den horizontalen Ausnehmungen 40 Kanäle 42 in
vertikaler Richtung ab. Diese, in der zweiteiligen Ausführung des
Reaktorelements innerhalb des Reaktor-Mittelstücks von den horizontalen Ausnehmungen 40 abzweigenden
vertikalen Kanäle 42 enden
vorzugsweise kurz unterhalb der den schwarzen Strahler bildenden
Maske, welche vorzugsweise eine Schiefermaske 25 ist. Von
den vertikalen Kanälen 42 zweigen dann
horizontale Kanäle 44 ab,
welche jeweils mit einer Reaktionskammer 46 verbunden sind.
Auf diese Art und Weise kann jede der Reaktionskammern 46 von
allen Seiten oder von einem Teil der Seiten, vorzugsweise von vier
verschiedenen Seiten mit Reaktionsgas 32 beschickt werden.
Um
eine Gasgleichverteilung, insbesondere eine Gasflußgleichverteilung
zu erreichen, haben alle jeweils von einer Ausnehmung bzw. von einem
Kanal abzweigenden Kanäle
die gleiche Geometrie (Querschnitt und Länge).
Der
in 1 und 2 dargestellte Aufbau des Reaktorelements 16 gewährleistet,
daß eine
separate Beschickung jeder Reaktionskammer 46 mit Reaktionsgas 32 ohne Übersprechen
(Rückdiffusion des
Reaktionsgases 32 von einer Reaktionskammer 46 in
eine andere) möglich
ist.
3 zeigt
eine bevorzugte Anordnung von zwei, in der Bodenplatte 20 der
Vorrichtung 10, meanderförmig im Winkel von 90 Grad
zueinander angeordneten Heizelementen 22. Diese Form der
Anordnung ermöglicht
eine gezielte Erwärmung
des Reaktorelements 16 nahe den Reaktionskammern 46 bei
gleichzeitiger Möglichkeit
der Durchleitung des Produktabstroms jeder Reaktionskammer 46 mittels der
Reaktionskanäle 48 durch
die Heizelemente 22 hindurch.
In 4 ist
die in 3 gezeigte Bodenplatte 20 im Schnitt
dargestellt.