Neutraler Gastransport in speziell konditionierten Rohren

Edelstahlrohre für den Analytikbereich

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Gerade im Bereich der Hochleistungsanalytik von Gasen sind Beeinflussungen durch die Gasleitungen unerwünscht, da hierdurch die Analysenergebnisse erheblich verfälscht werden können. Die Gründe für die meisten Verfälschungen sind dabei Wechselwirkungen zwischen Gas und Rohroberfläche. Sie werden nachfolgend im Detail für Edelstahlrohre dargestellt.

Dipl.-Ing. Dr. Georg Henkel

Fließen Gase oder Gasmischungen durch Rohrleitungen, dann belegen sie ähnlich wie Flüssigkeiten die Rohrwandungen. Speziell bei Gasmischungen wurde festgestellt, dass verschiedene Gaskomponenten ein unterschiedliches Belegungsverhalten zeigen, das neben der jeweiligen Gasart auch von den Oberflächenbedingungen abhängt. Ebenso ist bekannt, dass verschiedene Oberflächenzustände die berührenden Gase bzw. einzelne Komponenten durch katalytische Wirkungen entsprechend verändern können.
Wechselwirkungen
Gasmoleküle haben je nach Molekülstruktur verschiedene Möglichkeiten, mit der Oberfläche einen Festkörper zu interagieren. Sie belegen die Oberflächen, dringen infolge von Diffusionseffekten in Vertiefungen ein, haften an Oberflächen und lösen sich gegebenenfalls auch in Flüssigkeiten bzw. reagieren mit zugänglichen Medien. Diese Vorgänge werden im Allgemeinen durch das Ad- bzw. Desorptionsverhalten der Gase mit den entsprechenden Feststoffen beschrieben.
Der allgemeine Begriff der Ad-/Desorption beinhaltet somit sowohl die reine Gasanlagerung an Flächen wie auch die begrenzte Diffusion in oberflächennahe Schichten. Alle genannten Effekte können bei Gasmischungen die Konzentration der Mischung nachhaltig verändern, insbesondere wenn die Gaskomponenten in ihrem Aufbau (Molekülgröße, Polarität, Reaktivität, etc.) deutlich unterschiedlich sind. Speziell Analysengasmischungen für Motorjustierungen, die NOx enthalten, zeigen sich auf unterschiedliche Adsorptionen an der Rohroberfläche besonders sensibel.
Edelstahloberfläche
Nachdem sich speziell Edelstahloberflächen hinsichtlich Topographie, Morphologie und Energieniveau deutlich unterscheiden, ist es von Bedeutung, inwieweit diese Unterschiede den Gas- bzw. Gasmischungscharakter beeinflussen bzw. zu verändern vermögen. Die Tabelle zeigt die unterschiedlichen Oberflächenmerkmale von spanlos (gezogene) oder spanabhebend (geschliffene, gehonte) bearbeiteten Edelstahloberflächen im Gegensatz zu elektropolierten Oberflächen.
Die Adsorptionsfähigkeit von Gaskomponenten ist bei elektrochemisch polierten Edelstahloberflächen sowohl im Hinblick auf die Oberflächenbelegung als auch der lokalen Diffusionsfähigkeit (gasdichte Oberfläche) deutlich geringer. Die wahre Oberfläche von elektropolierten Rohren zu mechanisch bearbeiteten Rohroberflächen bei etwa gleichem Ra-Wert zeigt ein Verhältnis von ca. 1 : 4. Dadurch beträgt die für die Adsorption linear verantwortliche Fläche bei elektropolierten Rohroberflächen etwa 1/4. Das grenzschichtnahe Volumen gestaltet sich bei mechanisch gefertigten Rohroberflächen um den Faktor 5 bis 7 größer als bei elektrochemisch polierten und konditionierten Edelstahloberflächen. Dies ist vor allem für die Adsorptionskomponente der lokalen Diffusionsfähigkeit von eminenter Bedeutung. Mes-sungen der Oberflächenspannung zeigen bei elektrochemisch polierten Oberflächen etwa den halben Wert an. Dies ist speziell im Hinblick auf Van der Waals bedingte Gasmolekülanlagerungen wie auch auf Brückenbildungen polarer Gasmoleküle von wesentlicher Bedeutung, zumal höhere Oberflächenspannungen auch die Anlagerung deutlich begünstigen. Eine Reaktion von Gaskomponenten mit der Edelstahloberfläche bzw. mit Restkontaminationen wie auf mechanisch gefertigten Oberflächen, ist bei elektrochemisch polierten Oberflächen infolge der Reinheit und der hohen Korrosionsresistenz (Cr/Fe-Verhältnis) nicht zu erwarten.
Speziell die kalkulierbare Reinheit der elektrochemisch polierten Oberfläche lassen Fremdstoffkontaminationen sicher vermeiden und ermöglichen konstante Verhältnisse im Betrieb. Eine Kontamination von Gasen durch Oberflächenpartikelgenerationen ist bei elektrochemisch polierten Oberflächen nicht zu erwarten. Katalytische Wirkungen der Rohroberfläche auf Gaskomponenten (topographische Mikrospitzen, Fremdkontaminationen wie Oxide, Sulfide, etc.) können bei elektrochemisch polierten Oberflächen im Gegensatz zu mechanisch gefertigten Oberflächen ebenfalls ausgeschlossen werden. Breite Erfahrungen, auch in ähnlichen Anwendungsbereichen, zeigen, dass die Beeinflussung von sensiblen Gasen bzw. Gasmischungen speziell durch den Einsatz kontrolliert elektropolierter und konditionierter Edelstahloberflächen vermieden werden kann.
Alternative
Neben der bekannten elektrochemisch polierten, hochreinen Oberflächenqualität Ultron hat Dockweiler in diesem Jahr speziell für den Bereich Analytik eine neue Rohrqualität – TCC anodisch gereinigt – auf den Markt gebracht. Zielsetzung ist, für den breiten Betrieb im Labor eine sichere, wirtschaftliche Alternative anzubieten, die die Forderung aus der Praxis – Schutz vor Partikelkontamination – erfüllt.
Für kritische Einsatzbereiche, beispielsweise Durchführung von korrosiven und ultrareinen Gasen bzw. Gasmischungen, gibt es aber keine Alternative zu elektropolierten, im Reinraum verpackten Rohrsystemen.
E cav 248
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