СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ В ПОТОКЕ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01N30/06 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для градуировки газоаналитической аппаратуры, в частности для калибровки газохроматографических детекторов, создания градуировочных газовых смесей при разработке методов анализа объектов окружающей среды и в токсикологических исследованиях, а также в различных производствах, где необходимо создание постоянных во времени концентраций летучих веществ в инертном газе-разбавителе.

Известны способ и устройство для получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа, в которых газовый поток насыщают до заданной концентрации путем последовательного барботажного контакта газового потока по крайней мере с тремя неподвижными порциями летучих соединений в малолетучем растворителе, концентрация которых последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной за исключением первой порции раствора, в которой концентрация летучих веществ выше (см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Онучак Л.А., Лепский М.В. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа. Патент РФ №2213958 от 23.11.01 // Бюл. изобр. №28 от 10.10.03).

Недостатками известного способа и устройства являются значительный расход исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе и трудоемкая операция приготовления растворов.

Известен также способ получения постоянных концентраций веществ в потоке газа путем последовательного барботажного контакта газового потока с двумя порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, причем температура первой порции раствора изменяется в зависимости от концентрации этих веществ в газовом потоке на выходе из второй порции (см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Арутюнов Ю.И., Исмагилов Д.Р. и др. Способ получения постоянных концентраций веществ в потоке газа и устройство для его осуществления. Патент РФ №2279672 от 22.06.2004 // Бюл. изобр. №19 от 10.07.06).

Известно также устройство для осуществления этого способа, содержащее две термостатированные последовательно соединенные барботажные секции с фиксированным количеством летучих веществ, растворенных в малолетучем растворителе, анализатор качества, установленный на выходе второй барботажной секции, сигнал которого поступает в блок регулирования температуры термостатирующим устройством барботажных секций.

Однако в известных способе и устройстве существует повышенный расход исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе и недостаточная эффективность процессов сорбции и десорбции при насыщении потока инертного газа летучими веществами.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения потока газа с постоянными концентрациями летучих веществ, включающий насыщение потока инертного газа летучими соединениями до равновесных концентраций путем контакта инертного газа с зернистым слоем неподвижной фазы, в качестве которой используются твердые адсорбенты или твердые носители с фиксированным количеством летучих веществ (см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Арутюнов Ю.И., Смыгина И.Н., Никитченко Н.В. Способ получения потока инертного газа с постоянными концентрациями летучих компонентов и устройство для его осуществления. Патент РФ №2324174 от 07.08.2006 // Бюл. изобр. №13 от 10.05.08).

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для осуществления этого способа получения постоянных концентраций веществ в потоке газа, содержащее последовательно соединенные блок подготовки инертного газа и термостатированную трубчатую проточную систему, заполненную зернистым слоем неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих веществ, причем трубчатая проточная система выполнена, по крайней мере, из трех последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединена с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр по сравнению с последующими.

Недостатками известного способа и устройства являются низкая степень извлечения летучих веществ из зернистого слоя неподвижной фазы и узкий временной интервал поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке при заданных фиксированных количествах летучих веществ в зернистом слое сорбента.

Задачей изобретения является увеличение степени извлечения летучих веществ из зернистого слоя и расширение временного интервала поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа, основанном на равновесном насыщении непрерывно пропускаемого потока инертного газа через термостатированную проточную систему, содержащую зернистый слой твердого носителя или адсорбента с фиксированным количеством летучих веществ, температуру проточной системы регулируют в зависимости от концентрации летучих веществ в газовом потоке на выходе системы.

Эта задача решается также за счет того, что в устройстве получения концентраций летучих веществ в потоке газа, содержащем термостатированную проточную систему, выполненную из двух последовательно соединенных секций одинаковой длины, заполненных зернистым слоем с фиксированным количеством летучих веществ, первая соединена с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр, а на выходе второй секции установлен анализатор качества, который соединен через блок регулирования температуры с термостатирующим устройством проточной системы.

При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в более полном извлечении летучих веществ из зернистого слоя твердого носителя или адсорбента за счет изменения температуры в трубчатой проточной системе в зависимости от концентрации летучих веществ в газовом потоке на выходе системы. При этом значительно увеличивается временной интервал поддержания постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа за счет подпитки летучими веществами второй секции трубчатой проточной системы по сигналу датчика анализатора качества, установленного на выходе проточной системы и управляющего температурой проточной системы с помощью блока регулирования температуры.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Пример конкретного выполнения способа и устройства для его осуществления

На фиг.1 схематически изображено устройство получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа. Устройство содержит: линию 1 для подвода инертного газа, блок подготовки инертного газа 2, термостат 3 для поддержания постоянной температуры в трубчатой проточной системе, состоящей из двух последовательно соединенных секций, первой секции 4, имеющей больший диаметр, чем вторая секция 5. Секции 4 и 5 имеют одинаковую длину. На выходе второй секции 5 установлен анализатор качества 6, измеряющий концентрацию летучих веществ в линии потока газа 7. Анализатор качества 6 соединен с термостатом 3 с помощью блока регулирования температуры 8.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Предварительно насыщают сорбент в трубчатой проточной системе летучими веществами до равновесных концентраций или до «проскока», когда выравниваются концентрации на входе и на выходе проточной системы. Для этого трубчатую проточную систему продувают парами летучих веществ до насыщения сорбента. Степень насыщения контролируют анализатором качества. После насыщения сорбента летучими веществами трубчатую проточную систему устанавливают в термостат 3 с заданной температурой и подают инертный газ в линию 1, блок подготовки инертного газа 2 и далее в трубчатую проточную систему 4 и 5 с определенной объемной скоростью. Из второй секции 5 в линию 7 поступает поток инертного газа, насыщенный летучими веществами с постоянной концентрацией в соответствии с константой распределения. Анализатор качества 6 измеряет концентрацию летучих веществ в линии 7 и по мере ее уменьшения выдает сигнал в блок регулирования температуры 8 для соответствующего повышения температуры в термостате 3. При этом уменьшается константа распределения и парогазовая фаза на выходе второй секции 5 насыщается новыми порциями летучих веществ, необходимыми для поддержания их постоянной концентрации в линии 7 на выходе проточной системы.

Экспериментальная оценка выполнения предлагаемого и известного способов получения постоянных концентраций летучих веществ к потоке газа проводилась на примере получения парогазовых смесей с постоянными концентрациями во времени для бензола с концентрацией при 20°С С_G ²⁰=0,23±5,0% мкг/см³, н-гептана с С_G ²⁰=0,09±5,0% мкг/см³ и толуола С_G ²⁰=0,07±5,0% мкг/см³. При этом расход инертного газа азота (ОСЧ) был равен F=10 см³/мин.

Сорбент изготавливали на основе твердого носителя диатомитового кирпича, модифицированного смолой ПН-15 в количестве 0,5% мас. Зернение твердого носителя 0,2-0,25 мм. На твердый носитель из раствора хлороформа наносили малолетучую жидкость (тридекан) в количестве 30% мас. и после удаления растворителя готовый сорбент заполняли в две секции трубчатой проточной системы. Первая секция 4 имела внутренний диаметр 16,8 мм и длину 50 мм и обеспечивала необходимую подпитку летучими веществами второй секции 5, имеющий внутренний диаметр 15 мм и длину 50 мм. После заполнения сорбентом трубчатую проточную систему кондиционировали при 120°С в термостате 3 в течение 5 часов с расходом азота в системе 10 см³/мин. После кондиционирования вход трубчатой проточной системы (секция 4) подсоединяли к барботеру Рыхтера, в который помещали 20 см³ смеси летучих веществ (бензол, н-гептан, толуол), и проводили насыщение сорбента в системе при температуре 20°С со скоростью барботирования азотом 20 см³/мин. Насыщение проводили до тех пор, пока концентрация летучих веществ на выходе из барботера и на выходе второй секции 5 не становилась одинаковой, контроль за концентрацией проводили анализатором 6.

В известном способе поток азота насыщали до равновесных концентраций при 20°С и определяли время поддержания постоянной концентрации летучих веществ на выходе проточной системы (τ²⁰, час) и концентрацию летучих веществ в сорбенте (С_L ²⁰, мг/см³).

В предлагаемом способе температура проточной системы не постоянна и устанавливается в зависимости от сигнала анализатора 6. При этом происходит более полное извлечение летучих веществ и значительно увеличивается время поддержания постоянной концентрации в парогазовой смеси, так как в зависимости от этой концентрации по сигналу анализатора качества 6 повышается температура в термостате 3 проточной системы и уменьшается константа распределения. Одновременно с этим повышается концентрация летучих веществ в линии 7, т.е. происходит более полное дополнительное по сравнению с температурой 20°С извлечение летучих веществ с зернистого слоя сорбента.

Пример 1. Температура в термостате 3 изменялась от 20 до 60°С. При этом измерялись время поддержания равновесной концентрации летучих компонентов на выходе из системы в линии 7 при достижении температуры проточной системы 60°С (τ⁶⁰, час) и концентрации летучих веществ, оставшихся в зернистом слое (С_L ⁶⁰, мг/см³).

Пример 2. Температура в термостате изменялась от 20 до 80°С. Измерялись соответственно τ⁸⁰, час, и С_L ⁸⁰, мг/см³.

Пример 3. Температура в термостате изменялась от 20 до 105°С. Измерялись соответственно τ¹⁰⁵, час, и С_L ¹⁰⁵, мг/см³.

В таблице 1 приведены результаты экспериментального определения константы распределения исследуемых сорбатов в тридекане при температурах 20, 60, 80 и 105°С известным хроматографическим методом (см. Руководство по газовой хроматографии. Пер. с немец. / Под ред. А.А.Жуховицкого. М.: Мир, 1969. 504 с.).

Таблица 1 Экспериментальные значения константы распределения сорбатов в системе тридекан-азот Сорбаты Константа К_с при температурах, °С 20 60 80 105 Бензол 760 152 84,7 46,6 н-Гептан 1872 374,4 194,4 98,4 Толуол 2461 492,3 246,8 122,7

Результаты эксперимента представлены в таблице 2 «Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов».

Таблица 2 Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов Сорбаты C_G ²⁰, мкг/см³ Известный способ Предлагаемый способ С_L ²⁰, τ²⁰, С_L ⁶⁰, τ⁶⁰, С_L ⁸⁰, τ⁸⁰, С_L ¹⁰⁵, τ¹⁰⁵, мг/см³ час мг/см³ час мг/см³ час мг/см³ час Бензол 0,23±5% 0,171 0,98 0,034 4,90 0,019 8,79 0,010 15,98 н-Гептан 0,09±5% 0,168 2,49 0,032 12,45 0,017 23,98 0,009 47,37 Толуол 0,07±5% 0,175 3,17 0,035 15,80 0,017 31,70 0,009 63,58

Как видно из приведенных в таблице 2 данных, предлагаемый способ обеспечивает значительное повышение времени поддержания постоянных концентраций летучих веществ в парогазовом потоке. При этом более полно извлекаются из неподвижной фазы (тридекан), нанесенный на зернистый слой твердого носителя, исследуемые летучие вещества, т.е. уменьшается расход сорбатов для получения их постоянных концентраций на выходе С_G ²⁰±5%. Так, для н-гептана при изменении температуры проточной системы от 20 до 105°С время поддержания постоянной концентрации на выходе увеличилась в 19 раз по сравнению с известным способом. С 2,49 час увеличилось до 47,37 час за счет того, что примерно в 19 раз увеличилось извлечение н-гептана из сорбента С_L ¹⁰⁵=0,09 мг/см³, а C_L ²⁰=0,168 мг/см³ для известного способа.

Этот эффект достигается путем изменения температуры проточной системы в зависимости от концентрации летучих веществ на выходе системы от 20°С, когда константа распределения н-гептана с системе азот - тридекан равна K_c ²⁰=1872, до 105°С, когда К_c ¹⁰⁵=98,4.

Дальнейшее повышение температуры в системе выше 105°С позволит еще больше извлекать летучие вещества из сорбента и тем самым еще больше увеличить время поддержания постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа. Однако при температурах выше 105°С начинает существенно повышаться содержание в паровой фазе малолетучего растворителя тридекана, что является нежелательным эффектом при эксплуатации устройства. В связи с этим целесообразно в качестве неподвижных фаз для изготовления сорбента использовать высококипящие растворители или твердые и пористые сорбенты.

Использование предлагаемого способа получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа и устройства для его осуществления позволяет:

1. Значительно увеличить время поддержания постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа за счет изменения температуры сорбента в зависимости от концентрации этих веществ на выходе.

2. Сократить расход исходного количества летучих веществ в зернистом слое сорбента для получения одного и того же количества парогазовых смесей с постоянной концентрацией летучих веществ за счет изменения константы распределения этих веществ в системе сорбат - сорбент - азот.

3. Организовать метрологическое обеспечение газоаналитических и хроматографических измерений при проведении различных аналитических и физико-химических исследований.

Использование: для градуировки газоаналитической аппаратуры и получения градуировочных парогазовых смесей при анализе объектов окружающей среды, а также в токсикологических исследованиях. Способ включает насыщение потока инертного газа летучими веществами до равновесных концентраций, которое осуществляется путем контакта инертного газа с зернистым слоем твердого носителя или адсорбента, содержащим фиксированное количество летучих веществ. Причем температуру проточной системы регулируют в зависимости от концентрации летучих веществ на выходе системы. Устройство для осуществления способа получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа содержит термостатированную трубчатую проточную систему, заполненную зернистым слоем с фиксированным количеством летучих веществ. Трубчатая проточная система выполнена из двух последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединена с линией инертного газа и имеет больший диаметр, а на выходе второй секции установлен анализатор качества, который соединен через блок регулирования температуры с термостатирующим устройством проточной системы. Техническим результатом изобретения является увеличение степени извлечения летучих веществ из зернистого слоя и расширение временного интервала поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа, основанный на равновесном насыщении непрерывно пропускаемого потока инертного газа через термостатированную проточную систему, содержащую зернистый слой твердого носителя или адсорбента с фиксированным количеством летучих веществ, отличающийся тем, что температуру проточной системы регулируют в зависимости от измеряемой концентрации летучих веществ в газовом потоке на выходе системы.

2. Устройство получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа, содержащее последовательно соединенные блок подготовки инертного газа и термостатированную трубчатую проточную систему, выполненную из двух последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединена с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр, причем секции проточной системы заполнены зернистым слоем с фиксированным количеством летучих веществ, отличающееся тем, что на выходе второй секции проточной системы установлен анализатор качества, измеряющий концентрацию летучих веществ, который соединен через блок регулирования температуры с термостатирующим устройством трубчатой проточной системы.