ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ Российский патент 1997 года по МПК G01N30/60 

Предлагаемое изобретение относится к области приборов для анализа состава веществ, а именно к устройствам промышленных газовых хроматографов, и может быть использовано для аналитического контроля технологических потоков и газовых промвыбросов в различных областях промышленности, энергетики и охраны окружающей среды.

Известен газовый хроматограф, содержащий аналитический блок, включающий блок переключения потоков, блок хроматографических колонок, и блок детектора, входы газа носителя и анализируемой среды, соединенные с блоком переключения потоков анализатора, выход газа-носителя, связанный с внешней средой, резервуар с газом-носителем, и побудитель расхода газа-носителя, вход которого связан через блок клапанов с внутренним объемом резервуара с газом-носителем, а выход с выходом газа-носителя анализатора [1]
Недостатком такого хроматографа является то, что все части анализатора и циркуляционного контура хроматографа находятся в контакте с окружающей внешней средой, что создает возможность загрязнения газа-носителя или возникновения его потерь через неплотности соединений, что приводит к повышению потерь газа-носителя и снижению точности анализа.

Известен также газовый хроматограф, ближайший по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому, содержащий анализатор, включающий блок переключения потоков, блок хроматографических колонок и блок детектора, расположенные в защитной оболочке анализатора, входы газа-носителя и анализируемой среды, соединенные с блоком переключения потоков анализатора и резервуар с газом-носителем, соединенный с блоком переключения потоков через вход газа-носителя, выход газа-носителя, соединенный с внешней средой [2]
Данный хроматограф позволяет, за счет размещения всех частей анализатора внутри резервуара с газом-носителем, обеспечить защиту газа-носителя от загрязнений компонентами окружающей среды, предотвратить потери газа-носителя и повысить устойчивость потока газа-носителя.

Однако данный хроматограф имеет недостаточный межрегламентный ресурс работы, вследствие необходимости перезаправок газом-носителем из-за его потерь через аналитический контур. Кроме того, размещение частей анализатора в резервуаре с газом-носителем обуславливает попадание газовыделенной конструкции в поток газа-носителя, поступающего на вход анализатора, что также снижает точность анализа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение межрегламентного ресурса работы и надежности анализа за счет исключения перезаправки газом-носителем резервуара и его потерь и очистки газа-носителя внутри резервуара от компонентов пробы и газовыделений конструкции в потоке газа-носителя, поступающего на вход анализатора.

Технический результат достигается тем, что в газовом хроматографе, содержащем анализатор, включающий блок переключения потоков, блок хроматографических колонок и блок детектора, расположенные в защитной оболочке анализатора, входы газа-носителя и анализируемой среды, соединенные с блоком переключения потоков анализатора, и резервуар с газом-носителем, соединенный с блоком переключения потоков через вход газа-носителя, согласно изобретению, в анализатор дополнительно введены насос-побудитель расхода газа-носителя, расположенный вместе со входом газа-носителя во внутреннем объеме резервуара с газом-носителем и соединенный со входом газа-носителя и через блок переключения потоков с блоком хроматографических колонок, и два фильтра-поглотителя, один из которых расположен между блоком переключения потоков и входом газа-носителя, а второй между блоком детектора и выходом газа-носителя и пробы анализируемой среды, размещенные во внутреннем объеме резервуара, который представляет собой защитную оболочку анализатора.

При этом, хроматограф дополнительно снабжен электронным блоком, размещенным во внутреннем объеме резервуара с газом-носителем.

В таком устройстве введение в циркуляционный контур анализатора насоса-побудителя расхода газа-носителя, размещенного внутри резервуара и соединенного с другими элементами контура указанным образом, обеспечивает защиту газа-носителя от загрязнений компонентами окружающей среды и предотвращает потери газа-носителя за счет исключения перезаправки резервуара газом-носителем. Это приводит к повышению межрегламентного ресурса работы хроматографа и точности анализа.

Введение в анализатор двух фильтров-поглотителей, один из которых расположен перед выходом газа-носителя, а другой после входа газа-носителя позволяет, с одной стороны, предотвратить накопление компонентов пробы анализируемой среды в газе-носителе внутри резервуара и тем самым устранить их влияние на точность анализа и увеличить надежность и ресурс, а с другой стороны предотвратить попадание газовыделений конструкции в потоке газа-носителя, поступающего на вход анализатора, что также повышает точность анализа.

Размещение электронного блока внутри резервуара с газом-носителем, в частности с галлием, позволяет достигнуть дополнительного повышения надежности и ресурса хроматографа за счет повышения надежности тепловыделяющих электрорадиоэлементов электронного блока.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что в анализатор дополнительно введены насос-побудитель расхода газа-носителя, расположенный вместе с выходом газа-носителя во внутреннем объеме резервуара с газом-носителем и соединенный со входом газа-носителя и через блок переключения потоков с блоком хроматографических колонок, и два фильтра-поглотителя, один из которых расположен между блоком переключения потоков и входом газа-носителя, а второй между блоком детектора и выходом газа-носителя и пробы анализируемой среды, размещенные во внутреннем объеме резервуара, который представляет собой защитную оболочку анализатора.

Таким образом, заявляемый хроматограф соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что включение побудителя расхода газа-носителя в циркуляционный контур анализатора известно [1] Однако в известном решении все части циркуляционного контура анализатора находятся в контакте с окружающей средой, что обуславливает потери газа-носителя через неплотности соединений контура и его загрязнение компонентами окружающей среды.

При введении насоса-побудителя в указанной связи с остальными частями анализатора в заявляемый хроматограф, вышеуказанный насос-побудитель проявляет новые свойств, а именно предотвращает потери газа-носителя и обеспечивает защиту газа-носителя от загрязнений компонентами окружающей среды. Кроме того, в аналоге контур замкнутый, а выход газа-носителя соединен со входом, что приводит к повышенной чувствительности и пульсациям насоса-побудителя и следовательно к снижению точности измерений и повышению порога чувствительности. Это позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретению критерию "изобретательский уровень".

Использование предлагаемого изобретения в нефтяной и газовой промышленности, а также в энергетике для аналитического контроля технологических потоков и газовых промвыбросов обеспечивает соответствие критерию "промышленная применимость".

Предлагаемый хроматограф поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена блок-схема заявляемого газового хроматографа; на фиг.2 принципиальная газовая схема заявляемого газового хроматографа.

Предлагаемый газовый хроматограф содержит (см.фиг.1) герметичный резервуар 1 с газом-носителем, например, гелием, анализатор, а также источник питания, электронный блок 20 с выходом 21 и пульт управления (на чертеже не указан), которые соединены с блоками анализатора.

Анализатор включает блок 2 переключения потоков газа-носителя и анализируемой среды (см.пунктирную линию на фиг.2), блок 3 хроматографических колонок (см. пунктирную линию на фиг.2) и блок 4 детектора. Блоки анализатора размещены во внутреннем объеме 5 резервуара 1. Во внутреннем объеме 5 резервуара 1 размещен также насос-побудитель 6 расхода газа-носителя - программируемый насос. Газовый хроматограф включает соединенный с источником анализируемого продукта вход 7 для анализируемой среды, расположенный вне корпуса резервуара 1, который соединен с блоком 2 переключения потоков, вход 8 для газа-носителя, размещенный во внутреннем объеме 5 резервуара 1 и соединенный с блоком 2 переключения потоков, и выход 9 газа-носителя и пробы анализируемой среды, размещенной во внутреннем объеме 5 резервуара 1. Вход 8 для газа-носителя соединен с блоком 2 переключения потоков через размещенный во внутреннем объеме резервуара 1 фильтр-поглотитель 10, а выход 9 с блоком 4 детектора через фильтр-поглотитель 11. Во внутреннем объеме 5 резервуара 1 также размещены насос-дозатор 12 для анализируемой среды, соединенный через блок 2 переключения потоков с выходом 13 для сброса пробы анализируемой среды, размещенным вне корпуса резервуара 1 (см.фиг.2), и дозирующий объем 14. Блок 2 (см. фиг. 2) переключения потоков состоит из системы клапанов "К₁ - K₉". Блок 3 (см. фиг.2) хроматографических колонок состоит из сравнительной 15 и аналитической 16 колонок. Блок 4 детектора выполнен в виде двухплечевого катарометра, включающего сравнительную и измерительную ячейки, имеющие выход 17 газа носителя во внутренний объем резервуара из сравнительной колонки 15 и выход 18 для газа-носителя и анализируемых компонентов пробы среды из аналитической колонки 16, соединенный с выходом 9 газа-носителя во внутренний объем 5 резервуара 1. Фильтр-поглотитель 11 размещен на линии выхода 18 катарометра между последним и выходом 9 для газа-носителя. Дозирующий объем 14 соединен с насосом-дозатором 12 через клапан K₈ блока 2 переключения потоков с аналитической колонкой 16 блока 3 хроматографических колонок через клапан K₃ блока 2 и с насосом-побудителем 6 через клапаны K₅ и K₇ блока 2. Насос-побудитель 6 соединен с блоком 3 хроматографических колонок через клапаны K₁ и K₂ блока 2. Вход 7 для анализируемой среды соединен через клапан K₄ с дозирующим объемом 14. Насос-дозатор 12 с входом 7 через дозирующий объем 14 и с выходом 13 для сброса пробы анализируемой среды через клапан K₉ блока 2 переключения потоков. При этом клапаны K₉ и K₈, K₇ и K₆, K₂ и K₃ блока 2 соответственно соединены между собой.

Вход 7 для анализируемой среды и выход 13 для сброса анализируемой среды выполнены проходящими через стенку корпуса резервуара 1 с газом-носителем, который в месте прохождения этих выходов выполнен с герморазъемами 19. Последние могут быть выполнены в виде проходного штуцера с уплотнительным кольцом и накидными гайками или образованы опаиванием стенок корпуса резервуара 1 с газом-носителем.

Хроматографические колонки 15 и 16 выполнены по а.с. N 763784, 1980 г. блок 2 переключения потоков по а.с. N 1229669, 1986 г. а стабилизаторы температуры колонок (на черт. не указаны) по а.с. N 834682, 1981 г. В качестве газа-носителя использован гелий, обладающий наибольшей среди газов теплопроводностью, что улучшает теплоотвод от греющихся элементов и повышает их надежность.

Резервуар 1 имеет в основании корпуса запорный вентиль (на черт. не указан) для специальных процедур, например для перезаправки газом-носителем. Резервуар 1 выполнен из алюминиевых сплавов, рассчитан на рабочее давление газа-носителя (гелия) около 3 атм. и имеет внутренний объем около 24 л.

Предлагаемый газовый хроматограф работает следующим образом.

Хроматограф может работать в режимах циклическом (автоматический выход на готовность к следующему анализу после выполнения предыдущего) или в разовом (самовыключение после выполнения очередного анализа). Описание работы хроматографа приведено для случая циклического режима (см.фиг.2).

Технологический цикл одного анализа включает следующие стадии:
1.Забор газа-носителя;
2. выход на режиме, включая продувку колонок 15 и 16 в нагретом состоянии;
3.отбор пробы анализируемой среды в полость дозирующего насоса 1,2;
4. изоляция пробы: прокачка дозирующего объема 14 анализируемой средой и установка давления пробы среды в дозирующем объеме 14 на уровне, заданном программой;
5.ввод пробы из дозирующего объема в аналитическую колонку 16;
6.анализ пробы: разделение компонентов пробы в колонке и их детектирование;
7. сброс остатка пробы в дренаж или в источник анализируемой среды и возврат на исходную стадию.

1.После включения хроматографа открывается клапан 6 переключателя потока 2, включается насос-побудитель 6. Поршнем насоса-побудителя 6 через фильтр-поглотитель 10 и клапан K₆ втягивается до 50 см³ газа-носителя (при давлении в резервуаре 3 атм и объеме газа-носителя 200 см³) из внутреннего объема газа-носителя, находящегося в резервуаре 1. Газ-носитель, проходя через фильтр-поглотитель 10, освобождается от примесей, попавших в газ-носитель, вследствие газовыделений конструкций, размещенных в резервуаре 1, и поступает в цилиндр насоса 6. Заданное количество поступившего в цилиндр газа-носителя определяется моментом остановки поршня насоса 6, который задается программой.

2. После остановки поршня насоса 6 и заполнения цилиндра насоса 6 газом-носителем клапан K₆ закрывается и открываются клапаны K₇,K₁ и K₂. Обратным движением поршня насоса 6 газ-носитель подается через сравнительную колонку 15 и аналитическую колонку 16 на соответственно сравнительную и измерительную ячейки блока детектора 4. При этом скорость потока газа-носителя определяется скоростью перемещения поршня и может быть программируемой. Из ячеек детектора через фильтр-поглотитель, в котором поглощаются примеси, попадающие в газ-носитель из аналитической колонки, газ-носитель через газовый выход 9 поступает во внутренний объем 5 резервуара 1. На этой стадии первоначально колонки нагреты до температуры около 200^oC, а затем через 10 30 минут (в зависимости от программ) температура колонок снижается до базисной 40^oC и в течение 5 минут происходит выдержка для стабилизации газовых потоков и температур. На этой же стадии происходит отдувка примесей из колонок и коммуникаций, оставшихся от предыдущего анализа и стабилизация температуры колонок и детектора.

3.По истечении времени выхода на режим по команде оператора производится отбор пробы. При этом открываются клапаны K₄ и K₈, и включается насос-дозатор 12. Перемещением поршня насоса заданный объем пробы анализируемой среды втягивается через газовый вход 7, проходит через клапан K₄, дозирующий объем 14, клапан K₈ и поступает в цилиндр насоса-дозатора 12.

4.После отбора, достаточного для анализа количества пробы, клапан K₄ закрывается, после чего проба изолируется в дозирующем объеме 14 закрытием клапана K₈. При этом перемещением поршня насоса 12 в дозирующем объеме 14 создается давление, равное давлению газа-носителя на входах колонок 15 и 16, но и на входе клапана K₇, что исключает пневматические помехи при последующем вводе пробы.

5.Закрывается клапан K₂ и одновременно открываются клапаны K₃ и K₅, через которые поток газа-носителя выносит пробу из дозирующего объема 14 через клапан K₃ в аналитическую колонку 16. Затем клапаны K₅ и K₃ закрываются и открывается клапан K₂.

6. Поступившая в аналитическую колонку 15 проба разделяется на слое сорбента в потоке газа-носителя на компоненты, которые, поступая в измерительную ячейку детектора 4 детектируются, а затем попадают во внутренний объем резервуара 1 через фильтр 11, где компоненты проб поглощаются, чем предотвращается их попадание в газ-носитель внутри резервуара 1.

7. По окончании разделения (по времени, записанному в программе) открывается клапан K₉ и оставшаяся часть пробы в насосе-дозаторе 12 сбрасывается через клапан K₉ и газовый выход 9 наружу (в окружающую среду). После этого клапан K₉ закрывается и в зависимости от программы хроматограф выключается или возвращается в состояние, описанное для первой стадии. При общей длительности цикла около 30 мин расход газа-носителя на все стадии составляет около 180 см³ в приведенном объеме, то есть для этого достаточен один рабочий ход насоса 12.

Возможна также программными средствами реализация и других циклов, например, ввод пробы с дозированием по времени больших проб, программирование расхода газа-носителя за счет программ управления насосом-побудителем 12 расхода и так далее.

Таким образом, предлагаемый газовый хроматограф за счет размещения насоса-побудителя расхода газа-носителя и газового выхода в циркуляционном контуре анализатора во внутреннем объеме резервуара исключает частые перезаправки резервуара газом-носителем и возможные загрязнения газа-носителя компонентами окружающей среды через неплотности соединений насоса и других коммуникационных соединений анализатора, что повышает межрегламентный ресурс работы хроматографа и его надежность, а также точность анализа по сравнению с прототипом. Кроме того, размещение в резервуаре с газом-носителем фильтров-поглотителей, с одной стороны позволяет очистить газ-носитель внутри резервуара от компонентов пробы анализируемой среды, поступающей во внутренний объем резервуара и исключить попадание газовыделений конструкции в поток газа-носителя, поступающего на вход анализатора, что также повышает точность анализа по сравнению с прототипом.

Размещением колонок в резервуаре с газом-носителем при использовании гелия достигается быстрое охлаждение колонок, чем сокращается длительность цикла анализа и повышается производительность хроматографа 10 20^o по сравнению с прототипом.

Кроме того, при размещении электронного блока также внутри резервуара с газом-носителем, в частности с гелием, достигается дополнительное повышение надежности и ресурса хроматографа за счет повышения надежности тепловыделяющих электрорадиоизделий (ЭРИ) электронного блока, которые, в этом случае, имеют улучшенный теплоотвод за счет высокой теплопроводности гелия. По этой же причине отпадает необходимость в установке ЭРИ на радиаторы или существенно уменьшаются их размеры, благодаря чему упрощается конструкция электронного блока и уменьшаются его габариты. Работа ЭРИ при меньших рабочих температурах ведет к снижению уровня шумов электронных схем, что позволяет повысить точность измерений и снизить порог чувствительности.

Использование: изобретение относится к области приборов для анализа состава вещества, а именно к промышленным газовым хроматографам, и может быть использовано для аналитического контроля технологических потоков и газовых промвыбросов в различных областях промышленности, энергетики и охраны окружающей среды. Сущность изобретения: газовый хроматограф включает герметичный резервуар с газом-носителем, например, гелием. Во внутреннем объеме резервуара размещен анализатор, включающий соединенные между собой блок переключения потоков газа-носителя и пробы анализируемой среды, блок хроматографических колонок и блок детектора, вход газа-носителя, размещенный внутри резервуара с газом-носителем и соединенный с блоком переключения потоков, вход анализируемой среды, размещенный вне резервуара и выход газа-носителя и пробы анализируемой среды, соединенный с блоком детектора. Анализатор включает также расположенные во внутреннем объеме резервуара насос-побудитель расхода газа-носителя, соединенный с входом газа-носителя и блоком хроматографических колонок и два фильтра-поглотителя. Насос-побудитель соединен с входом газа-носителя через блок переключения потоков и фильтр-поглотитель и с блоком хроматографических колонок через блок переключения потоков, а выход газа-носителя размещен во внутреннем объеме резервуара и соединен с блоком детектора через второй фильтр-поглотитель. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Газовый хроматограф, содержащий анализатор, включающий блок переключения потоков, блок хроматографических колонок и блок детектора, расположенные в защитной оболочке анализатора, входы газа-носителя и анализируемой среды, соединенные с блоком переключения потоков анализатора, и резервуар с газом-носителем, соединенный с блоком переключения потоков через вход газа-носителя, отличающийся тем, что в анализатор дополнительно введены насос-побудитель расхода газа-носителя, расположенный вместе с входом газа-носителя во внутреннем объеме резервуара с газом-носителем и соединенный с входом газа-носителя и через блок переключения потоков с блоком хроматографических колонок, и два фильтра-поглотителя, один из которых расположен между блоком переключения потоков и входом газа-носителя, а второй между блоком детектора и выходом газа-носителя и пробы анализируемой среды, размещенные во внутреннем объеме резервуара, который представляет собой защитную оболочку анализатора. 2. Хроматограф по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электронным блоком, размещенным во внутреннем объеме резервуара с газом-носителем.