ПРЕПАРАТИВНЫЙ ХРОМАТОГРАФ Российский патент 2002 года по МПК B01D15/08 G01N30/02 

Заявляемое техническое решение относится к области разработки аппаратуры для разделения химических соединений, в частности к препаративным хроматографическим системам.

Известен препаративный газовый хроматограф (авт. свид. СССР 766613, МКИ B 01 D 15/08, 1980), состоящий из дозатора, испарителя, разделительной колонки, нагревателя, байпасной линии, регуляторов расхода и запорных клапанов. В известном хроматографе для регулирования ввода проб по времени и по концентрации используется сложная и недостаточно надежная система переключения дозатора, испарителя и байпасной линии с помощью запорных элементов, что требует высокой стабильности параметров потоков и их индивидуальной регулировки и согласования. В хроматографическом устройстве, описанном в патенте США 5096471, МКИ B 01 D 15/08, 1992, используется система охлаждения и нагрева пробы, вводимой в разделительную колонку. Перемещение пробы и газа-носителя в разделительной колонке осуществляется с помощью вакуум-насоса, отсасывающего все компоненты пробы до заданного момента времени, после чего подключается охлаждающая камера в которой собираются все остальные компоненты пробы. Известное хроматографическое устройство имеет узкое назначение и может быть применено лишь для выделения одного компонента или фракции разделяемой смеси.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является препаративный хроматограф, описанный в патенте США 4536199, НКИ 55-67. МКИ B 01 D 15/08, 1985). Данный хроматограф состоит из дозирующего устройства, испарителя, разделительной колонки, нагревателя, детектора, нескольких ловушек для сбора разделенных компонентов (сборников фракций) и двух вентилей. Известный хроматограф обеспечивает подключение любой из ловушек к детектору для идентификации каждого компонента. Основными недостатками известного хроматографа являются недостаточная надежность и ограниченность его применения, так как, во-первых, не обеспечивается оптимальность ввода разделяемой смеси в колонку, во-вторых, переключение ловушек для сбора разделенных компонентов осуществляется при температуре окружающего воздуха и на достаточном расстоянии от разделительной колонки, что может привести к конденсации высококипящих компонентов и смешения зон разделенных компонентов в потоке газа-носителя, и в-третьих, система поддержания и регулирования температуры разделительной колонки не обеспечивает быстрого и эффективного ее изменения.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является расширение функциональных возможностей и повышение надежности.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в препаративном хроматографе, содержащем дозирующее устройство, разделительную колонку с входным и выходным каналами, сборники фракций и нагревательный элемент, расположенный с внешней стороны разделительной колонки, дозирующее устройство выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого установлен подвижный поршень, а на наружной поверхности размещен нагреватель, при этом к верхней части полости цилиндра через клапан подключена линия подачи газа-носителя, которая через регулируемый дроссель и двухпозиционный клапан также присоединена к входному каналу разделительной колонки, который при другом положении двухпозиционного клапана сообщается с нижней частью полости цилиндра, разделительная колонка представляет собой два расположенных коаксиально цилиндра, причем на торцах внутреннего цилиндра закреплены два конических наконечника, а в центральном канале внутреннего цилиндра расположены дополнительный нагревательный элемент и охлаждающий элемент, при этом входной и выходной каналы разделительной колонки образованы полостями между соответствующими коническими наконечниками и коническими соплами, установленными на наружном цилиндре разделительной колонки, причем в нижней части выходного канала размещены запорные элементы, затворы которых перекрывают распределительные каналы, соединяющие выходной канал разделительной колонки с линией отвода газа-носителя и с сборниками фракций, а затворы запорных элементов жестко соединены со струнами, выведенными через стенки распределительных каналов к приводам запорных элементов.

Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и повышение надежности, так как, во-первых, достигается оптимизация ввода в разделительную колонку как газовых, так и паровых смесей методом поршня, при этом дозатор дополнительно выполняет функцию испарителя, ввод смеси осуществляется поршнем, установленным в цилиндре с небольшим зазором, обеспечивающим только пропуск газа-носителя, что дает возможность избежать заклинивании поршня и износа его поверхностей, особенно при вводе смесей, содержащих агрессивные вещества и вещества, склонные к образованию смол или других отложений на поверхностях аппаратуры, в-третьих, достигается повышение эффективности разделения компонентов смеси за счет значительного уменьшения поперечной диффузии разделяемых веществ в кольцеобразной разделительной колонке и за счет равномерного прогрева сорбента двумя нагревательными элементами с двух сторон (со стороны наружного и со стороны внутреннего цилиндров), в-четвертых, использование для изменения температуры разделительной колонки двух нагревательных элементов и охлаждающего элемента позволяет делать это быстро и эффективно, что дает возможность реализовывать различные температурные циклы разделения, а также уменьшить время вывода хроматографа на исходные режимы работы, переключение потока газа-носителя на выходе разделительной колонки с помощью запорных элементов, расположенных непосредственно в выходном канале, исключает конденсацию высококипящих соединений и смешение различных фракций до их попадания в распределительные каналы и в сборники фракций, и в-шестых, небольшие габариты запорных элементов и дистанционное управление ими с помощью струн обеспечивает минимальное влияние система переключения сборников фракций на поток газа-носителя, отводимый из колонки, что предотвращает смешение зон различных веществ в потоке газа-носителя и попадание одних веществ в сборники фракций других веществ, а также позволяет увеличить число коммутируемых сборников фракций до 18-ти.

Пример конкретного исполнения предлагаемого препаративного хроматографа представлен на чертеже.

Препаративный хроматограф состоит из дозирующего устройства 1, включающего цилиндр 2 с каналами для подачи (3) и отвода (4) дозируемого продукта, крышку 5 с каналом подачи газа-носителя 6, дно 7 с каналом 8 вывода дозируемой смеси, поршень 9, установленный с небольшим зазором в цилиндре 2, стержень 10, жестко соединенный с поршнем 9 и выведенный за пределы дозирующего устройства 1, уплотнитель 11 стержня 9, электронагреватель 12 и теплоизолирующий слой 13, двухпозиционного клапана 14, включающего затвор 15, перекрывающий поочередно канал 8 и канал 16, соединенный с линией подачи газа-носителя 17, шток 18 и пневмопривод 19, разделительной колонки 20, которая выполнена в виде двух расположенных коаксиально цилиндров 21 и 22 и которая сообщается с входным 23 и выходным 24 каналами, образованными полостями между коническими наконечниками 25 и 26 и коническими соплами 27 и 28 соответственно, электронагревательного элемента 29, расположенного на внешней поверхности наружного цилиндра 21, охлаждающего элемента 30 и дополнительного электронагревательного элемента 31, размещенных в центральном канале внутреннего цилиндра 22, запорных элементов 32, 33, 34, расположенных в нижней части выходного канала 24, распределительных каналов 35, 36, 37, выходящих в канал 24 и перекрываемых запорными элементами 32, 33, 34 соответственно, регулируемого дросселя 38 и сборников фракций 39, 40, подключенных с одной стороны к распределительным каналам 35, 36, 37, а с другой - к линиям отвода газа-носителя 41, 42, 43 соответственно. К каналу 3 дозатора 1 присоединена линия 44 подачи дозируемого продукта, на которой установлены вентиль 45 и манометр 46 и к которой через вентили 47, 48 подключены бачок 49 с жидким продуктом и линия 50 подачи газообразного продукта соответственно. К каналу 6 дозирующего устройства 1 присоединена линия 50, соединенная с линией 17 подачи газа-носителя, на которой установлен регулируемый дроссель 52. Снаружи цилиндр 21 разделительной колонки 20 и сопла 27 и 28 покрыты термоизолирующим слоем 53. В верхней и нижней части разделительной колонки 20 установлены проволочные сетки 54 и 55, удерживающие сорбент в колонке 20. Каждый из запорных элементов 32, 33, 34 включает затвор 56, шток 57, пружину 58, струну 59, жестко связанную с затвором 56, уплотнитель 60 струны 59, размещенный на стенке распределительного канала 35 (36, 37), и пневмопривод 61, состоящей из корпуса 62, с каналом 63 для подачи сжатого воздуха, поршня 64, жестко соединенного со струной 59, пружины 65 и уплотнителя 66 струны 59. Каждый из сборников фракции 39, 40 включает охлаждаемую ловушку 67, верхняя часть которой подключена в линии 42 (43) отвода газа-носителя, а в нижнюю часть выведен трубопровод 68, соединенный с распределительным каналом 36 (37), и сосуд 69 с хладагентом. На линиях 41, 42, 43 отвода газа-носителя установлены отсечные клапаны 70, 71, 72 соответственно. На линии 51 установлен пневмоуправляемый клапан 73, синхронно работающий с пневмоприводом 19. К каналу 4 дозирующего устройства 1 подключена вакуумная линия с установленным на ней вентилем 75. Для подачи и отвода хладагента из охлаждающего элемента 30 служат трубопроводы 76 и 77 соответственно.

Хроматограф работает следующим образом. В исходном положении затвор 15 клапана 14 смещен влево, т.е. сжатый воздух подан в правую полость пневмопривода 19. При этом канал 8 перекрыт затвором 15, клапан 73 закрыт и поток газа-носителя по линии 17 через регулируемый дроссель 52, канал 16 и клапан 14 подается во входной канал 23 и далее в разделительную колонку 20. Из разделительной колонки 20 поток газа-носителя поступает в выходной канал 24 и через открытый запорный элемент 32 проходит в распределительный канал 35, из которого через дроссель 38 и открытый клапан 70 газ-носитель по линии 41 отводится из хроматографа (выбрасывается в атмосферу или направляется в резервуар для его сбора). При этом сжатый воздух в пневмопривод 61 запорного элемента 32 не подан, т.е. поршень 64 под действием пружины 65 находится в правом положении, натяжение струны 59 ослаблено и пружина 58 удерживает затвор 56 в верхнем положении (запорный элемент 32 открыт). В пневмоприводы 61 других запорных элементов (33, 34) подан сжатый воздух и струны 59 этих запорных элементов прижимают их затворы 56 к распределительным каналам 36, 37 и перекрывают их. Одновременно и клапаны 71, 72 находятся в закрытом положении, т.е. сборники фракций 39 и 40 изолированы от канала 24 и от атмосферы. Далее включают электронагреватели 29 и 31 и устанавливают в разделительной колонке 20 заданную температуру. После выхода хроматографа на заданные режимы (температур, потока газа-носителя и др.) производят ввод разделяемой смеси в колонку 20. При вводе газовых смесей предварительно отвакуумированную полость дозирующего устройства 1 заполняют продуктом из линии 50 через вентили 48, 45 до давления, равного давлению газа-носителя в входном канале 23 (контроль давления по манометру 46). Вентили 45, 48 закрывают. При вводе жидких смесей из бачка 49 передавливают продукт газом-носителем через вентили 47 и 45 (вентиль 48 при этом закрыт) по линии 44 и канал 3 в предварительно отвакуумированное дозирующее устройство 1. Количество жидкого продукта, поданного в дозирующее устройство 1, определяется по уровнемеру на бачке 49. Затем вентили 45 и 47 перекрывают и включают электронагреватель 12 и испаряют жидкую смесь в объеме дозирующего устройства 1.

Для ввода разделяемой смеси в колонку 20 одновременно подают сжатый воздух в левую полость пневмопривода 19 (изображено пунктиром) и открывают клапан 73. Затвор 15 клапана 14 перемещается вправо и перекрывает канал 16. Газ-носитель проходит через канал 6 дозирующего устройства 1 и перемещает поршень 9 вниз. Поршень 9 выдавливает смесь из объема дозирующего устройства 1 через канал 8 и клапан 14 в входной канал 23 разделительной колонки 20. Газ-носитель при этом проходит из дозирующего устройства 1 по зазору между поршнем 9 и стенками цилиндра 2 к каналу 8 и клапану 14 и далее перемещает разделяемую смесь по каналу 23 и по колонке 20. При перемещении смеси по колонке 20 в потоке газа-носителя формируются зоны разделенных компонентов, которые поочередно выходят в канал 24. При попадании в выходной канал 24 переднего фронта первого компонента разделяемой смеси одновременно закрываются запорный элемент 32 и клaпaн 70 и открывается запорный элемент 33 и клапан 71. Для этого подают сжатый воздух в пневмопривод 61 запорного элемента 32, т.е. натягивают струну 59 и затвор 56 перекрывает распределительный канал 35 (изображено пунктиром), а из пневмопривода 61 запорного элемента 33 сбрасывают сжатый воздух, натяжение струны 59 этого запорного элемента ослабевает и затвор 56 поднимается вверх и распределительный канал 36 соединяется с выходным каналом 24 (представлено на чертеже пунктиром). Газ-носитель из канала 24 переносит первый компонент разделенной смеси в распределительный канал 36, а из него по трубопроводу 68 в ловушку 67, в которой этот компонент улавливается. Далее газ-носитель из ловушки 67 сборника фракций 39 по линии 42 через клапан 71 уделяется из хроматографа. Для улавливания второго компонента разделенной смеси закрываются запорный элемент 33 и клапан 71 (сборник фракции 39 изолируется), и открывают запорный элемент 34 и клапан 72, т.е. сборник фракций 40 подключается к выходному каналу 24. После улавливания второго компонента разделенной смеси выходной канал 24 снова подключается к линии 41 отвода газа-носителя, для чего изолируют сборник фракций 40 (закрывают запорный элемент 34 и клапан 72) и открывают запорный элемент 32 и клапан 70. На чертеже представлен хроматограф с двумя сборниками фракций (для упрощения изображения хроматографа). В действительности в выходном канале хроматографа может быть компактно размещено до 19-ти запорных элементов диаметром несколько миллиметров, т. е. число коммутируемых сборников фракций, а значит, и число выделяемых компонентов достигает 18-ти.

Перед следующим вводом разделяемой смеси в колонку 20 приводят дозирующее устройство 1 в исходное положение, для чего одновременно подают сжатый воздух в правую полость пневмопривода 19 и закрывают клапан 73. Шток 18 перемещает затвор 15 клапана 14 влево и канал 8 изолируется от входного канала 23. Газ-носитель из линии 17 поступает через канал 16 и клапан 14 в канал 23, а дозирующее устройство изолируется от линий газа-носителя. За стержень 10 поднимают вверх поршень 9, открывают вентиль 75 и по линии 74 вакуумируют объем дозирующего устройства 1. Закрывают вентиль 75, после чего дозирующее устройство готово к отбору и вводу следующей порции разделяемой смеси.

Выше представлена работа хроматографа в изотермическом режиме. В хроматографе могут быть реализованы неизотермические циклы разделения, причем как с повышением температуры, так и с ее понижением. В первом случае заданная скорость увеличения температуры легко реализуется путем одновременного воздействия на слой сорбента с двух сторон двух нагревателей 29 и 31, что не только позволяет увеличить скорость подъема температуры, но и минимизировать температурные градиенты в слое сорбента. При этом после окончания цикла разделения обеспечивается быстрый переход от более высокой конечной температуры к низкой (исходной) температуре за счет отключения нагревателей 29, 31 и пропускания хладагента через охлаждающий элемент 30. При реализации неизотермического режима с понижением температуры в охлаждающий элемент 30 осуществляется программированная подача хладагента, что обеспечивает заданную скорость снижения температуры разделительной колонки 20.

Изобретение относится к препаративным хроматографическим системам. Препаративный хроматограф включает дозирующее устройство, двухпозиционный клапан, соединяющий входной канал разделительной колонки с дозирующим устройством или с линией подачи газа-носителя, разделительная колонка представляет собой два расположенных коаксиально цилиндра, два наконечника, закрепленных на внутреннем цилиндре разделительной колонки, два конических сопла, установленных на наружном цилиндре разделительной колонки таким образом, что полости между соответствующими наконечниками и соплами образуют входной и выходной каналы разделительной колонки, два нагревательных элемента, один из которых расположен на внешней поверхности наружного цилиндра, а другой - в центральном канале внутреннего цилиндра, охлаждающий элемент, также размещенный в центральном канале внутреннего цилиндра, и запорные элементы, расположенные в нижней части выходного канала и перекрывающие распределительные каналы, соединяющие выходной канал разделительной колонки с линией отвода газа-носителя и со сборниками фракций. Затворы запорных элементов жестко соединены со струнами, выведенными через стенки распределительных каналов к приводам этих запорных элементов. Дозирующее устройство представляет собой полый цилиндр, внутри которого установлен подвижный поршень, а на наружной поверхности - нагреватель, причем к верхней части полости цилиндра через клапан подключена линия подачи газа-носителя, а к нижней части полости цилиндра выведен канал, соединенный с двухпозиционным клапаном. Достигается расширение функциональных возможностей и надежность в работе. 1 ил.

Препаративный хроматограф, содержащий дозирующее устройство, разделительную колонку с входным и выходным каналами и сборники фракций, отличающийся тем, что дозирующее устройство выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого установлен поршень, на наружной поверхности размещен нагреватель, а к верхней его части через клапан подключена линия подачи газа-носителя, которая через регулируемый дроссель и двухпозиционный клапан также присоединена к входному каналу разделительной колонки и сообщена с нижней частью полости цилиндра, разделительная колонка выполнена в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, между которыми размещен сорбент, входные и выходные каналы колонки образованы коническими наконечниками и расположенными коаксиально снаружи коническими элементами, присоединенными соответственно к торцам внутреннего и наружного цилиндра колонки, в полости внутреннего цилиндра расположены нагревательный и охлаждающий элементы, в нижней части выходного канала установлены запорные элементы для перекрытия распределительных каналов, один из которых сообщает выходной канал разделительной колонки с линией отвода газа-носителя, а другие сообщают выходной канал со сборниками фракций, при этом затворы запорных элементов жестко соединены с пневмоприводами посредством струн, выведенных через стенки распределительных каналов.