ПОТОКОВЫЙ ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ Российский патент 2016 года по МПК G01N30/00 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к потоковым газовым хроматографам во взрывозащищенном исполнении, предназначенным для определения качественного и количественного состава различных газов, например природного газа на технологических потоках предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

Известен промышленный газовый хроматограф «ЦветПоток» (ХПУ-2) (http://www.tswet.ru/products/tsvp.html). Данный промышленный газовый хроматограф содержит цилиндрический металлический корпус, выполненный в виде кожуха с закрепленным на его торце фланцем, соединенным с основанием, на котором закреплены электронный блок управления, формирователи потоков газа-носителя и анализируемого газа, а также теплоизолированный от корпуса и электронного блока с формирователями потоков газа аналитический блок, включающий в себя детектор, размещенный в термостатированном цилиндрическом корпусе, на наружной поверхности которого размещена хроматографическая колонка, выполненная в виде спирали из заполненной сорбентом металлической трубки и соединенная своим выходом с детектором, а входом -с краном-дозатором с дозирующей петлей, связанной своими входами с выходами формирователей потоков газа-носителя и анализируемого газа.

В этом хроматографе хроматографическая колонка расположена на наружной поверхности термостата детектора, имеющего большую массу, что требует большого времени выхода на режим и потребления большой мощности.

Кроме того, на результаты анализа влияет изменение температуры окружающей среды (изменение температуры и градиента температуры по длине хроматографической колонки), что не позволяет добиться максимальной эффективности колонки.

Наиболее близким к настоящему изобретению является потоковый хроматограф по патенту RU 2468363, который содержит корпус с закрепленными на нем штуцером для ввода газа-носителя, штуцером для ввода анализируемого газа, штуцером для подвода градуировочного газа, штуцером для сброса анализируемого газа и штуцером для сброса газа, поступающего из измерительной ячейки детектора. В корпусе расположено устройство для подготовки и ввода пробы, включающее в себя регулятор расхода газа, измеритель расхода газа, прецизионный регулятор давления, четырехпортовый кран и три пневмосопротивления. Кроме того, в корпусе имеется термостатированный отсек, в котором расположены детектор, хроматографическая колонка и кран-дозатор с дозирующей петлей. Детектор включает в себя сравнительную ячейку по теплопроводности и измерительную ячейку. Предпочтительно регулятор расхода газа и измеритель расхода газа выполнены электронными. Прецизионный регулятор давления также может быть выполнен электронным. Штуцер для ввода газа-носителя соединен с первым входом четырехпортового крана через первое пневмосопротивление и с входом регулятора расхода газа, выход которого соединен с входом сравнительной ячейки детектора. Штуцер для ввода анализируемого газа соединен со вторым входом четырехпортового крана и через третье пневмосопротивление со штуцером для сброса анализируемого газа, который, в свою очередь, через второе пневмосопротивление соединен с краном-дозатором. Штуцер для подвода градуировочного газа соединен с третьим входом четырехпортового крана. Штуцер для сброса газа соединен с выходом измерителя расхода газа, вход которого соединен с выходом измерительной ячейки детектора. Выход четырехпортового крана соединен с входом прецизионного регулятора давления, выход которого соединен с краном-дозатором. Кран-дозатор соединен также с выходом сравнительной ячейки детектора и с входом хроматографической колонки, выход которой соединен с входом измерительной ячейки детектора.

Хроматограф работает в двух режимах - в режиме «Анализ», в котором производят продувку, и в режиме «Ввод пробы», в котором производят ввод анализируемой смеси и осуществляют градуировку прибора.

Однако в данном хроматографе система управления газовыми потоками всех устройств хроматографа завязаны на два узла - 4-портовый кран и многопортовый кран-дозатор, что приводит к увеличению длины и внутреннего объема коммуникаций, в которых задерживаются остатки предыдущих проб, что оказывает отрицательное влияние на точность дозирования пробы и результаты анализа.

Кроме того, показания измерителя расхода газа позволяют установить только факт нарушения герметичности газовой схемы, хотя для потоковых хроматографов важной проблемой является локализация места нарушения герметичности, что невозможно сделать без отключения и вскрытия хроматографа на месте эксплуатации.

Наличие у известного хроматографа только двух режимов работы ограничивает функциональные возможности его использования на потоках, требующих исполнения методик в режимах, зависящих от различных аналитических задач.

Задачей изобретения является повышение точности измерения состава газа и повышение уровня автоматизации при регламентных работах, расширение функциональных возможностей хроматографа и областей его применения.

Указанные задачи решены в потоковом хроматографе, содержащем корпус со штуцерами ввода и вывода газов и расположенные в корпусе устройство для подготовки и ввода пробы, включающее в себя регуляторы давления и расхода, измеритель расхода и дроссель; теплоизолированный аналитический блок, включающий термостат, в котором размещены хроматографическая аналитическая колонка, детектор и дозирующий объем; систему трубопроводов, соединяющих функциональные компоненты хроматографа между собой и со штуцерами ввода и вывода газов; средства управления направлениями газовых потоков.

Согласно изобретению средства управления направлениями газовых потоков включают в себя электронный блок управления и связанные с ним посредством коммутатора управляемые 2-портовые запорные клапаны, установленные в соответствующих трубопроводах при этом электронный блок управления выполнен с возможностью независимого управления каждым запорным клапаном.

Электронный блок управления, связанный с управляемыми 2-портовыми клапанами, обеспечивает возможность независимого управления каждым запорным клапаном в отдельности. Это позволяет осуществлять различные режимы работы хроматографа, в частности определять места нарушения герметичности газовой схемы путем изоляции ее отдельных участков, комбинируя сочетания открытых и закрытых клапанов.

Предпочтительно электронный блок управления содержит коммутатор связи с запорными клапанами, образуя распределенную систему управления потоками.

Предпочтительно управляемые 2-портовые запорные клапаны установлены в трубопроводах в непосредственной близости к функциональным компонентам хроматографа, что позволяет в несколько раз сократить внутренние объемы и адсорбирующие поверхности вблизи функциональных узлов, чувствительных к следам предыдущих анализов в подводящих к ним коммуникациях, повышая тем самым точность измерения состава газа.

Предпочтительно хроматограф дополнительно содержит датчик давления, датчик температуры и нагреватель, функционально связанные с блоком управления.

Корпус хроматографа образован основанием и кожухом, герметично соединенными между собой, а его внутренний объем может быть заполнен газом-носителем, в частности гелием, под избыточным давлением 0,5 атм. Это обеспечивает защиту внутренних устройств от внешних загрязнений и защищает нагревающиеся электронные компоненты от перегрева, повышая тем самым надежность хроматографа и увеличивая межрегламентный и межремонтный ресурсы.

Предпочтительно в качестве газа-носителя использован гелий.

Для повышения надежности идентификации порога чувствительности и точности определения тяжелых компонентов пробы в аналитическом блоке хроматографа может быть дополнительно установлена форколонка, снабженная собственным нагревателем.

Предпочтительно трубопроводы выполнены в виде гибких фторопластовых трубок, что облегчает монтажные работы в процессе производства, регламентных и ремонтных работ, а также вследствие низких адсорбционных свойств фторопласта снижает вредную адсорбцию компонентов пробы.

Изобретение поясняется чертежом.

На фигуре представлена принципиальная схема хроматографа.

Хроматограф содержит корпус, состоящий из кожуха 1 и герметично соединенного с ним основания 2. Внутренний объем корпуса заполнен газом-носителем, в частности гелием, под избыточным давлением 0,5 атм. На основании 2 размещены штуцеры 3.1 и 3.2 ввода стандартных образцов, штуцер 3.3 ввода анализируемого газа, штуцер 3.4 ввода газа-носителя и штуцеры 3.5 и 3.6 сброса газов. На основании 2 также размещены электронный блок управления 4, включающий в себя коммутатор связи с запорными клапанами (условно не показан) и устройство 5 подготовки и ввода пробы, которое включает в себя два регулятора 6 и 7 давления, регулятор 8 расхода, измеритель 9 расхода, дроссель 10, первую группу клапанов 11.1-11.6 и датчик 12 давления. В корпусе также расположен аналитический блок 13, включающий в себя термостат 14, в котором размещены хроматографическая аналитическая колонка 15, детектор 16 с измерительной и сравнительной ячейками 16.1 и 16.2, соответственно, дозирующий объем 17, форколонка 18, снабженная собственным нагревателем (условно не показан), и вторая группа запорных клапанов 11.7-11.20. Кроме того, на основании 2 размещены датчик 19 температуры и нагреватель 20.

Штуцеры 3.1-3.3 соединены с клапанами 11.1-11.3, выходы которых через регулятор давления 6 соединены с клапаном 11.7. Штуцер 3.4 через клапан 11.4, регулятор давления 7 и регулятор расхода 8 соединен с входом сравнительной ячейки 16.2 детектора 16. Выход дозирующего объема 17 через клапаны 11.8, 11.10, дроссель 10 и клапан 11.5 соединен со штуцером сброса 3.5, а через клапаны 11.8 и 11.11 через форколонку 18 и клапан 11.14 соединен с входом аналитической колонки 15. Выход аналитической колонки 15 через клапаны 11.17 и 11.20 соединен с входом измерительной ячейки 16.1. Выход измерительной ячейки 16.1 детектора 16 через измеритель расхода 9 и клапан 11.6 соединен со штуцером сброса 3.6.

Блок 4 управления соединен с клапанами 11.1-11.20, а также с датчиком 12 давления, датчиком 19 температуры и нагревателем 20.

Хроматограф работает следующим образом.

В исходном состоянии блок 4 управления посредством коммутатора связи с запорными клапанами переводит клапаны 11.4, 11.6, 11.13, 11.17 и 11.20 в открытое положение, а остальные клапаны - в закрытое положение. В штуцер 3.4 подают газ-носитель, который через клапан 11.4, регулятор давления 7, регулятор расхода 8, сравнительную ячейку 16.2 детектора 16, и клапан 11.13 поступает на аналитическую колонку 15, а через клапаны 11.17 и 11.20 - на измерительную ячейку 16.1 детектора 16 и далее через измеритель расхода 9, клапан 11,6 на штуцер сброса 3.6. При этом равенство расходов газа по регулятору 8 расхода и измерителю 9 расхода свидетельствует об отсутствии течей, а стабилизация нулевой линии детектора 16 - о готовности хроматографа к выполнению анализа градуировочного или анализируемого газа.

Пример 1. Анализ сухого природного газа.

После приведения хроматографа в описанное выше исходное состояние (клапаны 11.4, 11.6, 11.13, 11.17 и 11.20 открыты, остальные закрыты) к штуцеру 3.1 подводится проба газа. Блок 4 управления посредством коммутатора связи с запорными клапанами открывает клапаны 11.1, 11.7, 11.8, 11.10, 11.5, и проба газа через клапан 11.1, регулятор давления 6 и клапан 11.7 продувает дозирующий объем 17 и сбрасывается через клапаны 11.8, 11.10, дроссель 10, клапан 11.5 и штуцер 3.5 сброса. Затем закрывается клапан 11.13 и открываются клапаны 11.9, 11.11, 11.12. При этом поток газа-носителя с выхода ячейки 16.2 детектора 16 через клапан 11.9 выносит анализируемую пробу из дозирующего объема 17 через клапаны 11.8,11.11 и 11.12 на аналитическую колонку 15, где происходит разделение компонентов пробы. С выхода колонки 15 поток газа через клапаны 11,17, 11.20 поступает на измерительную ячейку 16.1 детектора 16 и далее на сброс через измеритель расхода 9 и клапан 11.6

Пример 2. Анализ газа, содержащего тяжелые углеводороды.

При таком анализе существует проблема, заключающаяся в том, что с увеличением времени удерживания происходит размывание хроматографических профилей тяжелых компонентов до уровня ниже порога чувствительности и наложение профилей компонентов. В этом случае отбор и анализ пробы производится следующим образом.

После приведения хроматографа в описанное выше исходное состояние (клапаны 11.4, 11.6, 11.13, 11.17 и 11.20 открыты, остальные закрыты) к штуцеру 3.2 подводится проба газа. Блок 4 управления посредством коммутатора связи с запорными клапанами открывает клапаны 11.2, 11.7, 11.8, 11.11 и 11.16, и проба газа через клапан 11.2, регулятор давления 6, клапан 11.7, дозирующий объем 17 и клапаны 11.8 и 11.11 поступают на форколонку 18. С выхода форколонки 18 газ через клапаны 11.16, 11.20, ячейку 16.1 детектора 16, измеритель расхода 9 и клапан 11.6 поступает на штуцер сброса 3.6. В это время газ-носитель от выхода сравнительной ячейки 16.2 детектора 16 через клапан 11.13 поступает на вход аналитической колонки 15. Через заданное программой время закрываются клапаны 11.11 и 11.13 и открываются клапаны 11.14, 11.15 и 11.18. За это время в форколонке 18 накапливается количество легких компонентов пробы, пропорциональное объему форколонки и коэффициентам Генри, и количество компонентов пробы, пропорциональное объему пропущенной через форколонку пробы с учетом их коэффициентов Генри, причем объемная концентрация накопленных в форколонке 18 тяжелых компонентов существенно выше, чем в пробе, протекающей через дозирующий объем.

Газ-носитель от выхода сравнительной ячейки 16.2 детектора 16 через клапаны 11.18 и 11.15 выносит легкие компоненты пробы из форколонки 18 через клапан 11.14 в аналитическую колонку 15. После поступления в детектор 16 последнего из легких компонентов пробы включается собственный нагреватель форколонки 18, и тяжелые компоненты пробы поступают на вход аналитической колонки 15 в режиме термоадсорбционного концентрирования.

Распределенная система управления направлениями газовых потоков позволяет осуществить и многие другие варианты, в частности, при определении мест нарушения герметичности газовой схемы путем изоляции ее отдельных участков, комбинируя сочетания открытых и закрытых клапанов.

Потоковый газовый хроматограф предназначен для определения качественного и количественного состава различных газов, например природного газа на технологических потоках предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности. Хроматограф содержит корпус (1, 2) со штуцерами (3.1-3.6) ввода и вывода газов и расположенные в корпусе устройство (5) для подготовки и ввода пробы, теплоизолированный аналитический блок (13), систему трубопроводов, соединяющих функциональные компоненты хроматографа между собой и со штуцерами ввода и вывода газов; и средства управления направлениями газовых потоков. Устройство (5) для подготовки и ввода пробы включает в себя регуляторы давления (6, 7) и расхода (8), измеритель расхода (9) и дроссель (10), а аналитический блок (13) содержит термостат (14), в котором размещены хроматографическая аналитическая колонка (15), детектор (16) и дозирующий объем (17). Согласно изобретению средства управления направлениями газовых потоков включают в себя электронный блок (4) управления и связанные с ним управляемые запорные клапаны (11.1-11.20), установленные в соответствующих трубопроводах, при этом электронный блок (4) управления выполнен с возможностью независимого управления каждым запорным клапаном. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения состава газа и повышение уровня автоматизации при регламентных работах, расширение функциональных возможностей хроматографа и областей его применения. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Потоковый газовый хроматограф, содержащий корпус со штуцерами ввода и вывода газов и расположенные в корпусе устройство для подготовки и ввода пробы, включающее в себя регуляторы давления и расхода, измеритель расхода и дроссель; теплоизолированный аналитический блок, включающий в себя термостат, в котором размещены хроматографическая аналитическая колонка, детектор и дозирующий объем; систему трубопроводов, соединяющих функциональные компоненты хроматографа между собой и со штуцерами ввода и вывода газов; и средства управления направлениями газовых потоков, отличающиеся тем, что средства управления направлениями газовых потоков включают в себя электронный блок управления и связанные с ним управляемые запорные клапаны, установленные в соответствующих трубопроводах, при этом электронный блок управления выполнен с возможностью независимого управления каждым запорным клапаном.

2. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок управления содержит коммутатор связи с запорными клапанами, образуя распределенную систему управления потоками.

3. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что запорные клапаны установлены в трубопроводах в непосредственной близости к функциональным компонентам хроматографа.

4. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что содержит датчик давления, датчик температуры и нагреватель, функционально связанные с электронным блоком управления.

5. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что корпус образован основанием и кожухом, герметично соединенными между собой.

6. Хроматограф по п. 5, отличающийся тем, что внутренний объем корпуса заполнен газом-носителем под избыточным давлением 0,5 атм.

7. Хроматограф по п. 6, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя использован гелий.

8. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что в аналитическом блоке дополнительно установлена форколонка, снабженная собственным нагревателем.

9. Хроматограф по п. 1, отличающийся тем, что трубопроводы выполнены из гибких фторопластовых трубок.