DE2606687C3 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden Reaktionsgefäß - Google Patents
Verfahren sowie Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden ReaktionsgefäßInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ..'in Verfahren sowie eine
Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden Reaktionsgefäß, das eine gelöste
und/oder emulgierte, verflüssigte Gase enthaltende, gegen mechanische Beanspruchung empfindliche Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion enthält. Insbesondere han- ι,--,
ddt es sich um die Entnahme von Proben bei der Herstellung von Polyvinylchlorid nach dem Suspensions- bzw. l;mulsionsverfahren.
Methoden zur Entnahme von Proben aus Flüssigkeiten, Pulvern und Gasen sind seit langem bekannt Für
einfache Probenentnahmen aus Flüssigkeiten und Lösungen ist die Stechheber-Methode in verschiedenen
Modifikationen geeignet Die gleiche Methode ist auch bei stabilen Suspensionen, Dispersionen und Emulsionen anwendbar. Handelt es sich dagegen um Mischungen von Flüssigkeiten mit leichtflüchtigen Verbindungen, werden Proben über Schleusen in einem Mehrstufenschritt entnommen. Eine Zusammenfassung der
bekanntesten Methoden findet sich in Kolthoff: »Treatise on Analytical Chemistry Part I, Volume I«,
Seite 81 folgende.
Ferner ist aus der US-PS 32 98 236 bekannt, eine Probe zu ziehen, indem die Kanüle einer Spritze, deren
Kolben mittels eines Gewindes verschiebbar ist, durch
eine Durchstechkappe, wie sie zum Verschluß von medizinischen Injektionslösungen enthaltenden Gefäßen benutzt wird (serum cap), in einen Probeentnahmestutzen gebracht wird. Für den vorliegenden Zweck ist
ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung nicht brauchbar, da sich zim einen bei Einführung
der Kanüle in den Probenraum die Flüssigkeit in die Kanüle entspannt, was zu einer Instabilität der
Dispersion in der Kanüle und damit zur Verstopfung führt, zum anderen die unter Druck gelösten Gase, für
den Fall, daß die Füllung doch einmal gelingen sollte, nach Entfernen der Kanüle aus dem Probenraum die
Probe aus der Spritze drücken würden.
Bei der Probenahme von unter Druck stehenden, gegen mechanische Beanspruchung sowie gegen Druckentspannung hochempfindlichen Dispersionen bzw.
Emulsionen, wie sie z. B. bei der Emulsionspolymerisation von Vinylchlorid anfallen, ist bisher die Methode
der Ausschleusung einer sehr großen Probemenge in einem Mehrstufenschritt der einzig möglich Weg, um zu
einer repräsentativen Probe zu kommen. Jedoch ist auch diese Methode nicht zufriedenstellend, da es bei
empfindlichen Dispersionen oft zu einer Instabilität der Dispersion in den Ventilen bzw. in den Hähnen der
Probenahmeeinrichtung kommt, wobei sich die Ventile verstopfen. Es ist dann nicht mehr möglich, weitere
Proben zu bekommen.
Weiterhin ist nach der Schleusenmethode eine exakte Gehaltsermittlung des gelösten bzw. emulgierten.
gasförmigen Anteils nicht möglich, daß vor dem endgültigen Ausschleusen der Probe eine teilweise
Phasentrennung in Flüssigkeit und Gas eintritt
Ferner besitzt die Schleusenmethode den Nachteil, daß sie die Entnahme größerer Probenmengen erforderlich macht, da Verbindungsleitungen und Ventile
bestimmte (große) lichte Weiten besitzen müssen, damit große Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbunden eine Instabilität der Dispersion vermieden werden
können. Zu große Probenmengen bedeuten jedoch in jedem Falle einen Verlust von Material, zum anderen
kann, insbesondere bei vinylchloridhaltigen Proben eine Belästigung bzw. Gefährdung des Bedienungspersonals
eintreten.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Probenahmesystem zu finden, mit dem sich die geschilderten Nachteile
des Standes der Technik vermeiden lassen.
Diese Aufgabe wurde, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß man die Kanüle einer druckfesten Injektionsspritze, die einschließlich der Kanüle mit einer inerten
Schutzflüssigkeit gefüllt sowie am Ansatz zur Kanüle verschließbar ist, durch eine in der Wand des
Reaktionsgefaßes befindliche, elastische druckfeste Membrane in das Reaktionsgefäß stößt, die Schutzflüssigkeit
aus der Injektionsspritze in das Reaktionsgefäß injiziert, anschließend die Injektionsspritze langsam mit
der Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion füm und die Injektionsspritze verschließt, bevor man die Kanüle aus
der Membrane zieht.
Die Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden Reaktionsgefäß, das eine gelöste
und/oder ernulgierte, verflüssigte Gase enthaltende,
gegen mechanische Beanspruchung empfindliche Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion enthält, zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, besteht aus einer in der Behälterwand angeordneten druckfesten elastischen
Membrane sowie einer druckfesten Injektions- is spritze, die mit einer 5 bis 30 cm langen, einen
Innendurchmesser von 1 bis 2 mm besitzenden, durch die Membrane durchstechenden Kanüle versehen ist
und die weiterhin am Ansatz zur Kanüle einen Absperrhahn besitzt und einschließlich der Kanüle mit
einer inerten Schutzflüssigkeit gefüllt ist.
In dem Reaktionsgefäß kann z. B. bei der Polymerisation
von Vinylchlorid, ein Druck bis etwa 15 bar herrschen. !Sowohl die Membrane als auch die
Injektionsspritze müssen diesem Druck standhalten können. Die Membrane muß von der Kanüle durchstoßen
werden können und so elastisch sein, daß sie nach dem Herausziehen der Kanüle das Reaktionsgefäß
sicher und ohne Undichtigkeiten gegen die Außenwelt abschließt. Weiterhin muß die Membrane, bevor sie jo
ausgewechselt werden muß, eine Vielzahl von Einstichen aushalten und das Material, aus dem die Membrane
besteht, darf von der im Reaktionsgefäß befindlichen Substanz nicht angegriffen werden. Als geeigneter
Membrane-Werkstoff hat sich vulkanisierter Kau- f>
tschuk, z. B. ein Butylkautschuk, ein Äthylen-Propylen
Kautschuk oder Silikonkautschuk bewährt
Um die Membrane nicht zu dick werden zu lassen, benutzt man zweckmäßigerweise Membranen mit einer
Fläche von 0,2 bis 4 cm2. Je nach der Festigkeit des Materials und der Fläche der Membrane ist dann eine
Dicke der Membrane von 2 bis 5 mm erforderlich. Die erforderliche Dicke kann aus den physikalischen
Kennwerten des Membranematerials ermittelt werden. Die Membrane kann besonders dünn bzw. bei
vorgegebener Stärke besonders widerstandsfähig gemacht werden, wenn man ein Membranematerial
verwendet, das eine Schicht aus weichem und eine Schicht aus härtet;» Kautschuk besitzt bzw. bei dem eine
weiche Mittelschicht zwischen zwei härteren Außen- %
schichten liegt. Während die härtere Schicht die mechanische Stabilität, z. B. die Bruchsicherheit der
Membrane erhöht, gewährleistet die weiche Schicht eine sichere Abdichtung der Membrane nach dem
Einstich der Kanüle. Die Membrane kann mittels eines Flansches direkt über der in der Behälterwand
angebrachten öffnung befestigt werden, es ist aber auch möglich, die Membrane in einer eigenen Halterung zu
befestigen, die als Ganzes mit der Behälterwand verbunden wird. Aus Sicherheitsgründen ist es zweck- no
mäßig, außen vor der Membrane einen verschließbaren Hahn anzubringen, damit bei Undichtigkeiten oder
einem Bruch der Membrane ein Austreten von Substanz aus dem Reaktionsgefäß vermieden werden kann. Die
lichte Weite dieses Sicherheitshahnes muß mindestens ,., so groß sein, daß sich die Kanüle der Injektionsspritze
ohne Schwierigkeiten durchschieben läßt.
Die Injektionsspritze muß ebenfalls druckfest sein und en. Vulumen besitzen, das dem Probenverbrauch in
den.· nachfolgenden Analysenverfahren entspricht Im allgemeinen reichen 0,1 bis 20 cmJ aus.
Der Innendurchmesser der im allgemeinen aus Stahl oder Edelstahl bestehenden Kanüie muß größer sein als
der Durchmesser der in der Dispersion enthaltenen Teilchen. Weiterhin wird bei einem großen Kanülendurchmesser
die Dispersion mechanisch nicht so stark beansprucht, da in einer größeren Kanüle eine
geringere Strömungsgeschwindigkeit herrscht und ein geringerer Druckverlust auftritt Bei Druckverlusten
von mehr als 1 bar neigen empfindliche Dispersionen schon zu Instabilitätserscheinungen, d. h. zur Koagulation.
Da bei großen Kanülendurchmessern jedoch auch ein großer Einstich in die Membrane erfolgt, wobei die
Gefahr von Schädigungen der Membrane sich vergrößert, weiterhin auch das Volumen der Kanüle im
Vergleich zu dem Volumen der Spritze größer wird und damit die Analysengenauigkeit leidet, hat es sich als
zweckmäßig erwiesen, Kanülen mit einem Innendurchmesser von etwa 0,3 bis 2 mm zu verwenden. Derartige
Kanülen haben einen Außendurchmesser von etwa 0,8 bis 24 mm. Die Länge der Kanüle liegt im allgemeinen
zwischen 5 cm und 30 cm. Wird die Kanüle langer als 30 cm, so ist in vielen Fällen der Druckverlust bereits zu
hoch. Eine Länge von mindestens 5 cm ist im allgemeinen erforderlich, um aus dem Reaktionskessel
eine repräsentative Probe zu ziehen. In der Praxis sollte die Länge der Kanüle so bemessen sein, daß sie 2 bis
20 cm weit in das Reaktionsgefäß hineinragt.
Die Injektionsspritze ist am Ansatz zur Kanüle mit einem verschließbaren Hahn versehen, der vor dem
Entfernen der Kanüle aus dem Reaktionsgefäß verschlossen werden muß, damit nicht die Probe durch den
Eigendruck der gelösten Gase aus der Spritze gepreßt wird.
Um zu vermeiden, daß sich die Probensubstanz im Augenblick des Durchstoßens der Membrane in die
Kanüle und die Spritze hinein entspannt, wodurch eine hohe mechanische Beanspruchung der Dispersion
auftritt, was zu einer Verstopfung der Kanüle führt, muß die Kanüle und die Spritze mit einer inerten
Schutzflüssigkeit gefüllt sein. Gaspolster dürfen in Kanüle und Spritze nicht vorhanden sein. Die
Schutzflüssigkeit wird nach Durchstechen der Membrane in das zu analysierende Gemisch injiziert. Die
Schutzflüssigkeit darf daher keinen Einfluß, weder chemisch noch physikalisch, auf das zu analysierende
Gemisch ausüben. Zweckmäßig verwendet man als Schutzflüssigkeit Wasser oder am besten eine entsprechende
Wasser/Emulgator-Lösung, wie man sie bei der Polymerisation vorgelegt hat. Da die Schutzflüssigkeit
in das zu analysierende Gemisch injiziert wird, muß, damit der entstehende Fehler vernachlässigbar ist, das
Volumen des Gemisches, aus dem die Probe gezogen wird, wesentlich größer sein als das Volumen der
Schutzflüssigkeit Falls das nicht der Fall ist, muß die
durch die Volumenzunahme erfolgte Änderung der Probenzusammensetzung bei der Berechnung der
Analyse berücksichtigt werden.
Nachdem die Schutzflüssigkeit in das Probengemisch injiziert worden ist, wird eine Probe durch langsames
Zurücknehmen des Injektionsspritzenkolbens blasenfrei in die Spritze gebracht. Um Fehler durch in der Kanüle
verbliebene Schutzflüssigkeit zu vermeiden, kann es erforderlich sein, die Spritze zu spülen, indem die
entnommene Probe wieder in das Probengemisch injiziert wird und erneut eine Probe zu nehmen.
FaIIi. in dem Reaktionsgefäß keine Bewegung in der
Dispersion herrscht, durch die die Schulzflüssigkeit von der Injektionsstclle entfernt wird, wird die Probe an
einer anderen Stelle der Dispersion durch Verändern der Richtung von Kanüle und Spritze entnommen. Die
elastische Membrane läßt derartige Richtungsänderungen zu. Nach der Probenahme wird dann der Hahn an
der Injektionsspritze verschlossen und die Kanüle aus der Membrane gezogen.
Das Verfahren und die Vorrichtung /ur Probenahme werden anhand der Abbildung näher erläutert:
In der Wand des Reaktionsgefäßes B befindet sich
eine gesonderte Halterung, die die Membrane M trägt. Bei eventuellen Undichtigkeiten oder einem Bruch der
Membrane kann das Austreten von Substanz durch den Hahn Hi verhindert werden. Der Hahn Hi ist vor
jeder Probeentnahme zu öffnen und nach jeder Probeentnahme wieder zu verschließen.
Zur Probenahme wird die Kanüle K der Injektionsspritze I, die aus Glas. Kunststoff oder Metall bestehen
kann, durch die Membrane M gestochen. Kanüle K und Injektionsspritze / sind dabei mit der Schutzflüssigkeit
/"/gefüllt. Während des Einstiches ist der Hahn H2 der Spritze zweckmäßigerweise geschlossen, jedoch ist das
nicht unbedingt erforderlich. Nach dem Einstich der Kanüle wird gegebenenfalls der Hahn H2 der Spritze
geöffnet und durch Vorschieben des Kolbens Ko die Schutzflüssigkeit in das Reaktionsgefäß gedruckt.
Sofern in dem Behälter oder in dem Autoklaven keine Bewegung in der Flüssigkeit herrscht, wird aus einei
anderen Position heraus durch Verändern der Richtung von Kanüle und Spritze eine Probe entnommen, indem
vorsichtig der Kolben durch den in dem Behälter oder Autoklaven herrschenden Druck zurückgetrieben wird,
bis eine genau bekannte Menge in der Spritze enthalten ist. Zweckmäßigerweise wird dieser Vorgang der
Entnahme und des Hineindrückens einige Male wiederholt. Wenn eine genau bekannte Menge in der
Spritze enthalten ist. wird Hahn H2 geschlossen und die
Kanüle aus der Membrane M gezogen. Damit befindet sich nun eine repräsentative Probe des Reaktionsbehälters
in der Injektionsspritze und kann weiter analysiert werden.
Der Anteil der leicht flüchtigen Verbindungen kann beispielsweise derart bestimmt werden, daß der Inhalt
der Spritze, dessen Volumen genau bekannt ist, direkt in einem Gaschromatographen analysiert wird. Selbstverständlich
lassen sich an der Probe auch alle weiteren Analysen, wie z. B. Bestimmung des pH-Wertes, des
Feststoffgehaltes, der Dichte usw. vornehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung haben den Vorteil, daß sie sehr einfach sind, daß
keine giftigen Gase während der Probenahme frei werden, daß für eine Probe nur geringe Substanzmengen
gebraucht werden, und daß die entnommenen Mengen während des Probenahmevorgangs ständig
kontrollierbar sind. Weiterhin wird eine hohe Genauigkeit in der Reproduzierbarkeit der Probenahme erzielt
Selbst aus Reaktionsgefäßen, in denen diskontinuierlich Vinylchlorid mit nur geringen Emulgatorkonzentratio
nen von 0.5 bis 1% polymerisiert wird. d.h.. daß die
entstehenden Dispersionen nur über eine geringe , mechanische Stabilität verfügen, lassen sich mit derr
erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Vorrichtung ohne Schwierigkeiten Proben während der gesamter
Polymerisationszeit zwischen den Umsätzen 0 unc 100% entnehmen.
In einem Autoklaven von 6 m3 Inhalt wurde
Vinylchlorid bei einem Druck von 9 bar und bei einet Emulgatorkonzentration von 0,8% diskontinuierlich
i) polymerisiert.
Aus diesem Autoklaven wurden unterhalb des Flussigkeitsspiegcis mitteis einer drucklesten Injektionsspritze,
die eine 15 cm lange Kanüle mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurch-
2ii messer von 0,8 mm durch eine Membrane hindurch, die
einen Durchmesser von 13 mm und eine Stärke von 4 mm besaß. Proben von 1 cm3 entnommen. Die Proben
wurden gaschromatographisch analysiert; die Genauigkeit
der Umsatzermittlung lag bei ± 0,4%.
Zum Vergleich wurden dem Autoklaven Proben nach der Schleusenmethode entnommen:
Das Probengefäß besteht aus einem 101 fassenden druckfesten Behälter, der eine verschließbare öffnung
im unteren Teil sowie zwei verschließbare öffnungen im oberen Teil besitzt. Zur Probenahme wird das
Probengefaß druckfest mit dem Autoklaven verbunden, indem die untere verschließbare öffnung mit dem
flüssigkeitsgefüllten Teil und eine von den beiden oberen öffnungen mit dem Gasraum des Autoklaven
verbunden werden. Zunächst wird das Probengefäß durch die zweite obere öffnung evakuiert, während die
mit dem Autoklaven verbundenen öffnungen noch verschlossen sind. Anschließend wird die öffnung zu der
Vakuumpumpe geschlossen und die Verbindung zum Gasraum des Autoklaven geöffnet. Nachdem der
Druckausgleich stattgefunden hat, wird die Verbindung zum flüssigkeitsgefüllten Teil des Autoklaven geöffnet,
und der Probenbehälter füllt sich mit der Dispersion. Anschließend werden die Verbindungen zu dem
Autoklaven geschlossen und die Dispersion wird durch die vorher zur Evakuierung des Probenbehälters
benutzte öffnung vorsichtig druckentgast. Nachdem der
Druck abgebaut ist, kann man die Dispersion aus dem Behälter ablaufen lassen. — Der Umsatz wird über die
Feststoffkonzentration der Analyse berechnet.
Für jede Probe nach der Schleusenmethode wurden 101 Dispersion verbraucht
Während nach der erfindungsgemäßen Methode noch ein Umsatz von über 95% genau bestimmt werden
konnte, war dies mit der Schleusenmethode nicht mehr möglich, weil schon bei Umsätzen von ca. 70% immer
wieder die Dispersion führenden Leitungen verstopften und nicht durchlässig zu halten waren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden Reaktionsgefäß, das eine
gelöste und/oder emulgierte, verflüssigte Gase enthaltende, gegen mechanische Beanspruchung
empfindliche Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Kanüle einer druckfesten Injektionsspritze, die einschließlich der Kanüle mit einer inerten Schutz- ι ο
flüssigkeit gefüllt sowie am Ansatz zur Kanüle verschließbar ist, durch eine in der Wand des
Reaktionsgefäßes befindliche, elastische, druckfeste Membrane in das Reaktionsgefäß stößt, die Schutzflüssigkeit aus der Injektionsspritze in das Reak-
tionsgefäß injiziert, anschließend die Injektionsspritze langsam mit der Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion
füllt und die Injektionsspritze verschließt, bevcr man die Kanüle aus der Membrane zieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der Injektion der Schutzflüssigkeit die Injektionsspritze spült, indem man sie
gegebenenfalls mehrfach mit der Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion füllt und die Dispersion wieder in
das Reaktionsgefäß injiziert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kanüle 2 bis 20 cm
weit in das Reaktionsgefäß schiebt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzflüssigkeit aus
Wasser oder aus einer wäßrigen Emulgatorlösung, wie sie bei der Herstellung der Dispersion benutzt
wird, besteht.
5. Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem unter Druck stehenden Reaktionsgefäß, das J5
eine gelöste und/oder emulgierte, verflüssigte Gase enthaltende, gegen mechanische Beanspruchung
empfindliche Feststoff-Flüssigkeits-Dispersion enthält, zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Behälterwand angeordnete druckfeste, elastische
Membrane (M) sowie eine druckfeste Injektionsspritze (7Jt die mit einer 5 bis 30 cm langen, einen
Innendurchmesser von 0,3 bis 2 mm besitzenden, durch die Membrane (M) durchstechbaren Kanüle
(K) versehen ist, und die weiterhin am Ansatz zur Kanüle (K) einen Absperrhahn (H2) besitzt und
einschließlich der Kanüle (K) mit einer inerten Schutzflüssigkeit (F/;gefüllt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Membrane (M) 0,2 bis
4 cm2 beträgt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der
Injektionsspritze (l)0,\ bis 30 cmJ beträgt. 5s
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