3 Aufbau des Chemischen Verstärkers

1. chemischer Reaktor, in dem die Radikalkonversion stattfindet,

2. Gaszumischsystem für den Reaktor,

3. Detektoreinheit mit einem Stickstoffdioxid-Detektor,

4. Datenerfassungs- und Auswertesystem,

5. Kalibrationseinheit für die NO₂-Empfindlichkeit des Detektors.

Hinzu kommt die Radikalkalibrationsquelle, die im folgenden Kapitel behandelt wird.
 

In der Abbildung 2 sind die ersten vier Komponenten des Systems dargestellt. Eine Pumpe saugt die Meßluft in den Reaktor, dort mischt sie sich mit den zugegebenen Gasen NO, CO und N₂ und gelangt durch einen Schlauch in den NO₂-Detektor. Direkt vor dem Detektor befindet sich eine weitere Stelle, an der Gas zugegeben wird. Dabei handelt es sich um einen kleinen N₂-Fluß von ca. 30 ml/min, der über eine NO₂-Permeationsquelle fließt, die sich in einem auf 40 ± 0,3 °C temperaturstabilisierten Ofen befindet. Das aus dem Ofen mitgeführte NO₂ dient der Linearisierung des Detektorsignals, da der NO₂-Detektor für niedrige NO₂-Konzentrationen ein stark nichtlineares Verhalten zeigt. Im Detektor kommt es zur Chemolumineszenzreaktion des Stickstoffdioxids aus dem Reaktor mit einer Luminollösung (siehe Detektor-Abschnitt, S. 32).

Der Gesamtfluß durch das System wird mit Hilfe eines elektronischen Durchflußreglers (Elektr. FC) kontrolliert, der sich zwischen Abgaspumpe und Detektor befindet. Dort ist auch eine Reinigungseinheit für das Abgas (Abgasscrubber) in die Leitung eingebaut. Es handelt sich dabei um eine Edelstahlpatrone mit Pellets aus Aluminiumoxid, die mit 0,5% Platin beschichtet sind, und eine Patrone mit Aktivkohle. Die Patrone mit den Al/Pt-Pellets oxidiert die nicht umgewandelten NO- und CO-Moleküle zu NO₂ und CO₂ und ist auf Temperaturen über 200°C geheizt, um die Konversion des CO zu verbessern. Die Aktivkohle wird benötigt, um das NO₂ zu absorbieren.

Reaktor:

Der Reaktor besteht aus einem speziell angefertigten Glasrohr. Eine detailliertere Darstellung mit Abmessungen ist in Abbildung 3 gezeigt. Bei dem hinteren Gasadditionspunkt handelt es sich um einen einfachen Glasstutzen, durch den die Gase beigemengt werden. Am vorderen Additionspunkt werden die Gase durch eine Ringfritte zugegeben, um ein möglichst gleichmäßiges Einströmen der Gase zu gewährleisten. Aufgrund der Geometrie und des Gasflusses im Reaktor kann davon ausgegangen werden, daß in ihm laminare Strömung herrscht. Zur Beurteilung, ob ein laminares Profil vorliegt, kann die dimensionslose Reynoldszahl Re verwendet werden.

Ein Umschlagen der Strömung von laminar zu turbulent erfolgt bei Werten oberhalb der kritischen Reynoldszahl von Re 2300. Im Reaktor wird mit der mittleren Gasgeschwindigkeit von 9,3 cm s^-1 und dem Durchmesser d = 2 cm gemäß (Gl.6) ein Wert von Re = 130 erreicht. Nur direkt hinter der dünnen Ansaugnase wird Turbulenz erwartet.
 

Durch die gleichmäßige Zugabe der Gase am ersten Punkt, soll der laminare Luftstrom nicht allzusehr gestört werden, so daß die zugemischten Gase die höchsten Konzentrationen am Rand des Detektors aufweisen. Dies ist wichtig, um eine kleine Wandverlustrate des Detektors zu erhalten. Diffundieren die Radikale in Richtung Wand, wird durch die hohe NO- bzw. CO-Konzentration die Wahrscheinlichkeit zur Reaktion mit diesen Gasen erhöht, so daß es nicht sofort zu Reaktion mit der Wand, sondern zu weiteren Radikalumwandlungszyklen kommt.

Der Abstand zwischen den Gasadditionspunkten ist so gewählt, daß sich eine durchschnittliche Aufenthaltszeit von ca. 2,4 Sekunden zwischen den beiden Punkten ergibt. In Modellrechnungen wurden niedrigere Zeiten als optimal bestimmt [Hastie et al., 1991, Cantrell et al., 1993]. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß die Modellrechnungen zu kurze Zeiten ergeben, da eine gewisse Zeit zur Durchmischung der Gase im Reaktor nötig ist [Clemitshaw et al., 1997].