Газовый хроматограф Советский патент 1984 года по МПК G01N31/08 

2. Хроматограф по п. , о т с и чающийся тем, что выходь, колонок соединены непосредстненно ;-.;s;K

собой и ;;()дк;гючены к общему каналу д. }3. газа, гоединенному с детек

1, ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ, содержап(ий канал для подачи газа, хроматограф;1ческь:е колоупчя, изогиутыг по окружностям и установленные t-;a привода с возможностью зращен1-;я вокруг его оси, панну для х.мадагента и нагреватель,, последовательно уста1;о1ленные на пути пере)сп;ения колонок, канал д,1Я вызодда газа из колонок и детектор, о т л и ч а ю ш п п с я. тем, что, с пелью повьпиенпя про1 зводитсльности работы хроматографа и упрош.еи-гя - конструкции , хроматографимес-кис колонки соединены плраллельпо; подключены к общему каналу для подачи газа и смещены одна стносительно друroi-i в направлении T-IX перемещения при т, оС joO ip П VJ т т р ; Q ciзра1це ши на угол -;- , колозюк.

I

Изобретение относится к газ окр о-матографическим гфиборамз в KGTOD K с целью обогащения и разделения примесей используют перемещение темп эратурного поля, и может быть использовано в газовойS химической и дрУ гих отраслях промышленности для о ;-ределения широкого диапазона прим(;сей в легких газах, например, в уелиИ; водороде, а также для целей получения чистых газов, ocBo6osi eHfrf.x от npviMeсен.

Известен градиент-хроматэграф ,-:;ля анализа примесей в газах, содержащий хроматографическ 10 колонку, ванну для хладагента, нагреватель и привод кое устройство для вращения xpoi a j oграфической колонки в пределах зон о,: ла;кдения и нагрева П

Однако диапазон одновременно определяемых примесей в этом приборе: о;:раничен свойствами сорбента. 7t oTopbDv заполнена единственная хромате г-рзфическая колонка хроматографа.

Известен также газовьи хроматги-раф в котором температурное поле перемещается вдоль по крайней мере двух вращающихся накопительньк колонок, заполненных различивши сорбентами 2J .

Однако расширение диапазона одновременно определяемых примесей, достигнутое в этом хроматографе П71еч использования нескольких колонок с различимыми сорбентами,, привело к усложнению конструкции хроматографа, в частности к введению потока газаносителя, газовых кранов для переключения rasoBbix потоков, устройств для раздельного подводу и выЕ:ода газа из каждой накопительной колонки к др„

Наиболее близким к предлагаекому является газовый хроматограф,, содержащий канал для подачи газа, хроматографические колонки, изогнзтые по окружностям и установленные на валу привода с возможностью вращения вокруг оси окружностей, ванну для хладагента и нагреватель, установлег- ны;;

2

fta пути перемеш.ения колонок канал для вы1-5ода газа из колонок и детекгор 3 ,

Недостатками этого прибора явля отся сложность конструкции, обусловЛ :нная использованием потока газаносителя ч необходимостью переключения газс) потоков в процессе каждого цикла анализ аJ а также сравнительнс время 5 необходш {ое для а11ализа, Например цикл анализа при определс Н 1и ггримесей неона водорода кислорода, алюта,, Х етана, окиси углеоода вуо л-гси углерода и паров воды в гелии составляет около 20 мин

Цель кзобгетения - новьояение произз( глт.иости работь хроматографа и yiipoujGnne конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в газовом хроматографеj содержащем канал для подачи газа,, хроматографические КОЛОРЕКИ, изогнутые по окружностям и установленные на ва.:::у привода с воз,можностью вращения вокруг оси, ванну для хладагента и нагреватель 5 установленные на пути перемещения колонок, и детектор, канал для вывода газа из колонок, хроматограф1-1ческие колонки соединены паралле гьно; -то.цключены к общему каналу для лодачи газа и смещены одна от-iocnreiibKO дрз,той в направлении их гтеремеотения при вращении на угол .я

360

где п число колонок„

3tJxo7bi колонок соединены непосредственно собой и подключены к оба:;ему каналу для вывода газа соединенному с детектором.

Благодаря параллельному соединению колсяок и смещению их на указанный угол ловьш|ается производительность хроматографа 5 поскольку вывод анализируемых веществ из колонок лри работе в режиме анализатора осуществляется через промежлтки времени Т

равные -j где Г

время одного оборо310та; П - число колонок, а количество газа, очищаемое за время одного оборота Т при работе в режиме препаративного хроматографа, пропорционально числу колонок П. Существенное сокращение времени анализа достигнуто также за счет того, что в предлагаемом хроматографе обогащение и разделение примесей осуществляется одновременно, На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого хроматографа с потоковым детектором; на фиг. 2 - схема перемещения зон сконцентрированных примесей по хроматографическим колонкам; на фиг. 3 газовая схема хроматографа с концентрационным детектором (катарометром); на фиг. 4 - вариант выполнения колонок хроматографа; на фиг. 5 принципиальная схема хроматографа для работы в препаративном режиме. Хроматограф содержит ванну 1 для хладагента и нагреватель 2, создающие области охлаждения и нагрева, хроматографические колонки 3 и 4 и привод с валом 5 для вращения колонок в пределах указанных областей. Колонки 3 и 4 заполнены сорбентом и предназначены для обогащения и разделения примесей при работе хром тографа в режиме анализатора и для получения очищенного от примесей га за при работе в режиме препаративного хроматографа. Колонки 3 и 4 изогнуты по окружностям, установлены концентрически на валу 5 в плоскости перпендикуляр ной оси вала и смещены относительно одна другой на угол -- , Они соединены параллельно и подключены к общему каналу 6 для подачи газа из источника 7 анализируемого газа, напри .мер, из баллона. Выходы 8 и 9 колонок 3 и 4 также соединены непосредственно между собой и подключены к общему каналу 10 для вывода газа в потоковый, например, гелиевьш детек тор 11 (фиг. 1). Вал 5 установлен в неподвижных опорах 12 и 13 и снабжен каналами 14 и 15 для прохода газа, сообщающи мися с каналами 16 и 17 неподвижных опор. Для подсоединения хроматографа к источнику 7 анализируемого газа служит входное устройство 18, содер жащее запорный вентиль 19 и устройство 20 для стабилизации давления в канале 5, например, асептический редуктор. Для регулирования скорости потоков газа через колонки 3 и 4 предусмотрены дроссели 21 и 22, которыми снабжен вал 5. Для исключения попадания атмосферного воздуха в период остановки прибора (например, при смене анализируемого баллона) систему оставляют под давлением анализируемого газа. С этой целью хроматограф снабжен запорными вентилями 19 и 23. Хроматограф работает следующим образом. Входное устройство 18 соединяют с источником 7 анализируемого газа, например, с баллоном с гелием (фиг,1). Далее кратковременно открывают и закрывают вентиль баллона с анализируемым газом, после чего с помощью входного устройства 18 частично стравливают гелий, заполнивший объем между вентилем баллона и запорным вентилем 19. Эту операцию повторяют 2-3 раза с тем, чтобы путем многократного разбавления анализируемым газом удалить воздух, который заполнил указанный объем при соединении входного устройства 18 с баллоном. Затем последовательно открывают вентиль баллона и запорный вентиль 19 и с помощью устройства 20 устанавливают в общем канале 6 для подачи газа давление равное 0,1 bffla (1 атм). После этого открывают запорный вентиль 23 и дросселями 21 и 22 устанавливают скорости потоков газа через хроматографические колонки 3 н 4, равные 60 . Анализируемый гелий из баллона через входное устройство 18, общий канал 6 для подачи газа, кана.п 16 неподвижной опоры 12, канал 14 вала 5 и дроссели 21 и 22 поступают в хроматографические колонки 3 и 4. Из хроматографических колонок 3 и 4 анализируемый газ через канал 15 вала 5, канал 17 неподвижной опоры 13 и общий канал 10 для вывода газа поступает в потоковый детектор 11 и через вентиль 23 выводится из хроматографа. Далее приводят во вращение вал 5. Направление вращения противоположно направление потока газа через хроматографические колонки 3 и 4. При вращении вала 5 вдоль хроматографических колонок 3 и 4 в направлении потока гаj;i г)сymecin.isit TCfj ггергмсгиьип rt.Mnt;pa(ypiKiro поля, оПлаляюпи-мчт градиентом температуры с интервалом от температуры хладагента (жидкого азота) до необходимой для регенерации сорбента (фиг. 2). Температурное поле и поток газа приводят к формированию раэдепенных зон 24, в которых происходит концентрирование содержащихся в газе примесей.

Эти зоны 24 неподвижны относител.ьно ванны 1 с хладагентом и нягревателя 2 и перемещаются по хроматографи-ческим колонкам 3 и 4 при их вращении совместно с reMneparypHiiiM полеь,, располагаясь в нем в соответстЕ(Ии с; адсорбируемостьго примесей Поскольку хроматографические колонки 3 и 4 смещены относительно одна другой на 360

угол

исключается возможность

п

одновременного поступления в детектор зон примесей, сконцентрированных в различных колонках. Это иллюстрирует фиг, 2 - в один и тот же момент времени температурное поле и соответствекно зоны 24 сконцентрированных примесей достигают различных участков хроматографических колонок 3 4, ,,, п

Примесир содержащиеся в анализируемом гелии, распределяются по хроматогргфическим колонкам следз ющим образом.

S колонке 3, заполненной молекулярными ситами ЗА, обогащаются к ргзг деляются Ne5 Н, о , Кг, СН,, Со, Хе (влага и СО сорбируются необратимо), а в колонке 4, заполненной полисорбом - 1, Н N,j,5 Кг, CH4s COjXe, . COg, . По мере nocxyiuieния выхода 8 колонки 3, а также выхода 9 колонки 4 в нагреватель 2 накопленные в них примеси раздельно в виде узких полос элюируются в потоковый детектор 11. Количество примеси в полосе равно количеству соответствующей примеси в гелии поступающем в колонку за время одного оборота. Таким образом5 достигается резкое (в сотни раз) обогащение ,

Поскольку потоковый детектор чув сгвителен к скорости пост /пления в него массы анализируемого вещества; а не к концентрации, то разбавление зон примесей, сконцентрированных в одной из колонок, потоком очищенного от примесей гелия из другой (других) К1ЭЛОНОК ведет в итоге не к ут еньшеf.i,, та; КПК при этом количество ана;и- Знр-уемо; С вещества поступающего в детектор,, остается неи:зменным, а скорость его поступления увеличивается. loTOjx очищенного от прнкесей гелия выполняет роль вспомогательного газа, позпому скорости потоков газа через хроматогр;1фические колонки 3, 4, . . . Г1 К1ыбирают с учетом того, чтобь скорость поступления газа в детектор 11 (суммарная скорость потоков через ;роматографические колонкк) бьш:а бы близкой к той при которой чувствительность детектора максимальна

Хроматограф работает в потоке,. при з-гом каких-либо переключений в процессе работы, в частности, для последовательного вывода примесей из различныкоколонок не требуется.

Время o.aticro цикла анализа (время однСГс оборота вала) при определении Ne, Еу, Og, Nf,, Кг, СН4, СО, Хе, С0(7 и Н|0 3 гелин не превышает 6 мин За этс:т период информация о содержании Н-, Oj, Ng, Кг, СН, СО и Хе выдается два} и:1;ы. Это связано с тем„ что в ухазакном примере работы хромато:1-рафа (едка колонка заполнена молекзлярньии ситами 5А, другая - полисорбок-1), у5;азанные примеси накапливаются и ргзделяются на обеих колонка:.;. Это же дает возможность оценки и взаимного контроля работы колонок.

Б случае,, в:огда интерес представляет информация хЕИШь о части присутствующих в газе примесей; определение которых обеспечивается одной колоккой-, загслненной5 например;, молекулярными ситами, остальные колонки заполняют тем же сорбентом (фиг, 2). Тог-ца лкформация о содержании этих при:месей въедается за период одного оборота вала столько раз, сколько колонок имеет хроматограф. Таким образон в соответствующее число раз сохращ&ется периодичность выдачи результатов ,

На фиг, 3 представлена газовая схма зарканта :Ешполиекия хроматографа, а -:отором колонки 3 и 4 и вал 5 имеXJT этдельныа канаты 25 к 26 для ны-вода газа. Каналы 25 и 26 соединены с ячейками 27 и 28 одного :яли нес:ч:олъких концентрационных детекторов 29, например катарометров. Дроссели 2i ;. 22 Б этом случае могут быть расположены и вне вала 5, Работа -этого варианта хроматографа анялогичил указанЕ{ой. Различие состоит лишь том, что скорости потоков газа через кскпоь ки 3 и А выбирают с учетом требований установленных на выходе концеитрацион ных детекторов (детектора) 29. В случае содержания в анализируемо газе близких по сорбируемости примесей целесообразно для увеличения эффективности разделения применять колонки, содержащие на выходе участок с противоположным направлением изгиба по окружности. На фиг. 4 представлен вариант выполнения колонок 3 и 4 с та ким участком 30. На этом участке 30 колонок 3 и 4 осуществляется перемещение температурного поля в направлении, противоположном потоку газа, в этом же направлении уменьшается температура внутри поля. Такое поле оказывает различное ускоряющее воздей ствие на перемещающиеся по слою приМе си. По мере поступления на участок 30 зоны примесей поочередно подвергаются действию надвигающихся температур и уходят вперед, в результате чего предварительно достигнутое расстояние между зонами увеличивается. С целью использования предлагаемого изобретения в качестве препаративного хроматографа для непрерывной очистки газа от примесей в него введено переключающее устройство 31 (фиг. 5), с помощью которого в заданное время выходы 8 и 9 колонок 3 и 4 соединяются с приспособлением 32 для отбора очищенного от примесей газа и с каналом 33 для сброса отделенных примесей. Переключающее устройство 31 устат) новлено на выходе хроматографических колонок 3 и 4 и выполнено, например, совместно с валом 5, вращающимся в неподвижных опорах 12 и 13, или в виде управляемых клапанов. Для реализации первого варианта (фиг. 5) неподвижная опора 13 снабжена каналами 34 и 35, выполненными по дуге окружности с возможностью сообщения с выходами 8 и 9 колонок 3 и 4. Канал 34 являющийся выходом переключающего устройства 31, подключен к приспособлению 32 для отбора очищенного от при месей газа, а канал 35 - к каналу 33 для сброса отделенных от газа примесей. Приспособление 32 для отбора газа, очищенного от примесей, содержит СМКОС-ТЬ - CGopiniK ifi, jHI,. 1) 1 :li / даиления н запслрщ.гй luMniru, 48, ,i .чнал 33 - лроссель 39 и злиорныи винтил ь 40. В варианте выполнения (препарлПГ Hbrfi) :роматограф работает следующим образом. Газ, подлежащий очистке, налрнмер гелий в баллоь:е 7, негфррьзно поступает через входное устройство 18, ловушку 41 и дроссели 21 и 22 Б хроматографические колонкг 3 и 4, заполненные, например, молекулярными сктами 5А, Колонки 3 н 4 непрерывно вращаются в пределах системы, образованной ванной 1 с хладагентом и нагревателем 2. Двуокись углерода и пары воды, содержащиеся в гелии, необратимо адсорбируются в ловушке 41, заполненной, например, молекулярными ситами NaX. Другие примеси проходят ловушку и удерживаются в колонках 3 и 4, перемещаясь по ним совместно с температурным полем, а освобожденный от примесей гелий через канал 34 непрерывно поступает в емкость-сборник 36 и далее через редуктор 37 и запорный вентш1ь -38 - к потребителю. В период поступления выходных участков колонок 3 и 4 в нагреватель 2, их выходы 8 и 9 сообщаются с каналом 35 неподвиж- ной опоры 13, в результате чего адсорбированные примеси через каналы 33 для сброса примесей, дроссель 39 и запорньп1: вентиль 40 периодически выводятся из прибора. В период остановки прибора запорные вентили 40, 38 и 19 закрьшают. Непрерывность получения очищенного от примесей газа достигнута благодаря тому, что в любой момент времени, по крайней кере одна из двух (две из трех, три из четырех ...) колонок, установленных в хроматографе, соединена (соединены) с емкостьюсборником 36 очищенного от примесей газа. Производительность хроматографа пропорционально растет с числом установленных колонок. Предлагаемый хроматограф по сравнению с прототипом позволяет резко повысить производительность хроматографического процесса как в режиме работы анализатора состава, так и в препаративном режиме работы. При работе в режиме анализатора состава повышение производительности ооусл Млено сокращением промежутка BptMi-i.:;

между Ц 1КлаМН СЬЩачИ :нфо jr.;;i; :S-iсоставе аггализирусмой смеси, т, 1;нклами анализа, Е предлл ,;;РМО;матографе про 1ежуток )зрел1ог1 v-;циклами анализа составляет ncjiii Т

равную , где Т

П 8 F ИОД, П о П I о г;;

оборота вала привода колонок,, Г количество хо,пскок, В протс-ипе :i; мекуток времени циклами аналза равен периоду иолно1 о оборота довательно, время анализа Е прспа,;: емом хроматографе ;:окращаетс:я в -1 по сравнению с времеЕ ем анализа -т;; , же смеси на хроматографе--прототл;-:е При работе в препаративном pejsi-r;. количество отбираемого очищер нсга газа в единицу времени, т.а, пролз дителькость хроматографа „ также ч-Опордиоиалы-к; количеству 0,-П;; уемых колонок ,

Кр(ь;б; того, по сравнению с известiii хтк;мй7ографами аналогичного типа, -ipMMfi: хроматографами типа ХТМ-73, ,ла1;: емый хроматограф обладает ,тес гросток и надежной в эксплуатако; струкцией. Это обусловлено тем в :-ем ке используется дополнктельпотек ,|аз а-носителя j который при5:-;гетсл Е известных хроматографах «ЫЕувания сконцентрированных накопленных): примесей из колонки, К)зетстЕЭнко в предлагаемом хрома:Тафе г тпадает кеобходи1.{ость а до™ ). с,1сяной системе подготовки : а- 1оситаля (очистка, стабилизация ;-ок:а Т:Д и краке-переключателе : вхо,цб в хроматографичаскую колонку,

22

:::::3J л

,..-

уу М yfj

.Г гбС

-... L . ., I .,.

J г

.,W