Хроматографическая колонна Пронина Советский патент 1988 года по МПК G01N30/60 

Изобретение относится к технике разделения веществ хроматографичес- ким способом и может быть использовано, например, в химической, микробиологической, пищевой, металлургической промьшшенности при разделениях или очистке растворов органических и неорганических соединений.

Цель изобретения - повышение эф- фективности работы хроматографичес- кой колонны большого диаметра (про- мьшшенного назначения) путем устранения нежелательного влияния усадки слоя сорбента

ila фиг „ 1 изображена предлагаемая хроматогра фическая колонна, обвд1й вид; на фиг. 2 - то же, с числом трубок /.VIH подвода зерненного сорбента не менее двух.

На фиг с 1 и 2 обозначены: 11 1линд- рический корпус колонны 1, зерненый сорбент 2, заполняющий колонну, трубка 3 подвода разделяемой смеси и элюента к вершине конической каме- ры, двухходовой кран 4, линия 5 подачи разделяемой смеси, линия 6 подачи элюента, верхняя коническая камера 75пористая перегородка 8 верхне .конической камеры, запорный клапан 9 на линии элюента, дополнитель5шя емкость 10, запас зерненого сорбента 11 в дополнительной емкости, дополнительная трубка 12 дл подвода зерненого сорбента,, пористая перегород- , конуса точно под трубкой 12, не ка 13 нижней кошгческой камеры, нижняя коническая камера 14, нижняя трубка 15 для отвода жидкой фазы, выходной клапан 16„

40

Двухходовой кран 4 служит для последовательной подачи разделяемой

смеси и элюента по трубке 3 в верхнюю часть верхней конической камеры 7 и далее через пористую перегородку 8 - в слой зерненого сорбента 2, за-.г полняющего цилиндрический корпус колонны 1р Клапан 9 при перекрытом двухходовом кране 4 обеспечивает поток элюента через слой запаса зерненого сорбента 11 дополнительной емкости 10. и через дополнительную трубку 12 в слой зерненого сорбента 2 колонны 1. Дополнительная емкость 10 при работе колонны должна постоянно содержать запас зерненого сорбента 11 и быть заполнена элюентом. Открытая снизу и сверху трубка 12 им.еет герметичные

.соединения с дополнительной емкостью 10, с верхней частью конической ка50

55

распространяясь в радиальном направлении к стенкам цилиндрического корп са колонны 1 о Поэтому сохранится обр зовавшийся разрыв ипи зазор между верхним слоем осевшего сорбента 2 и нижней плоскостью пористой перегород ки 85 который вызывает нарушение равномерности распределения потока жиД7 кости по всему сечению колонны, вслед ствие чего ухудшается эффективность работы хроматографической колонны. Чтобы ликвидировать указанный зазор, в конце хроматографического разделения или перед началом следующего цикла раздеттения необходимо пропустить поток элюента с большой скоростью через дополнительную емкость 10 и дополнительную трубку 12 для подвода зерненого сорбента при закрытом двухходовом кране 4 и открытом клапане 9 о Как установлено экспериментально, требуемая скорость по тока через трубку 12 должна составлять величину в пределах 180-200 мп/с

морь 7 и с пористой перегородкой 8. Размер пор пористых перегородок 8 и 13 не должен быть меньше размера зерен сорбента 2.

Хром.чтографическая колонна работает следуяпцим образом.

При закрьп-ом клапане 9 сначала порция разделяемой смеси по линии 5 подачи разделяемой смеси через двухходовой кран А, а затем элюент по линии 6 подачи эл оента через двухходовой кран 4 последовательно проходят трубку 3 подвода разделяемой смеси и элюента к вершине конической камеры, верхнюю коническую камеру 7, пористую перегородку верхней конической камеры 8, слой зерненого сорбента 2, заполняю1цего корпус колонны 1, пористую перегородку 13 нижней кони- ческой камеры 14 и через нижнюю трубку 15 для отвода .жидкой фазы и клапан 16 элюент выходит из колонны. При возникновении усадки слоя сорбента 2 в процессе работы появится разрыв между верхним слоем осевшего сорбента 2 и нижней плоскостью пористой перегородки 8 Одновременно с усадкой слоя сорбента 2 из дополнительной емкости 10 по дополнительной трубке 12 будет непрерывно выходить зерне- ны1-1 сорбент 11, который, однако, останется в виде холмика в форме усечен

, конуса точно под трубкой 12, не

распространяясь в радиальном направлении к стенкам цилиндрического корпуса колонны 1 о Поэтому сохранится образовавшийся разрыв ипи зазор между верхним слоем осевшего сорбента 2 и нижней плоскостью пористой перегородки 85 который вызывает нарушение равномерности распределения потока жиД7 кости по всему сечению колонны, вследствие чего ухудшается эффективность работы хроматографической колонны. Чтобы ликвидировать указанный зазор, в конце хроматографического разделения или перед началом следующего цикла раздеттения необходимо пропустить поток элюента с большой скоростью через дополнительную емкость 10 и дополнительную трубку 12 для подвода зерненого сорбента при закрытом двухходовом кране 4 и открытом клапане 9 о Как установлено экспериментально, требуемая скорость по тока через трубку 12 должна составлять величину в пределах 180-200 мп/см

31

При этом, если диаметр трубки 12 равен 5 мм, диаметр корпуса колонны 75 мм, Тово сечение рабочей части колонны 1 в 200 раз больше сечения дополнительной трубки 12, а рабочая скорость ф1тьтрации элюента чер ез слой сорбента-2 составляет 1 мп/см2 мин т.ео в 200 раз меньше требуемой скорости, то простым закрыванием двухходового крана 4 и открыванием клапана 9 весь поток элюента направляют через емкость 10 в дополнительную трубку 12 и этим обеспечивают требуемую скорость потока в трубке 12, равную 200 мп/см мин, при объемной скорости 39 МП/мин. Аналогичным образом определяют необходимую объемную скорость подачи элюента в емкость 10 в случае любых других соотношений диаметров трубки 12 и колонны 1. При скорости потока элюента через дополнительную трубку 12, равной 180- 200 мл/см -мин, зерненый сорбент из дополнительной емкости 10 принудительно переносится потоком жидкости по трубке 12 и быстро (в течение 2-3 мин) заполняет горизонтальный зазор над верхним слоем сорбента 2 вдоль радиуса от отверстия дополнительной трубки 12 до стенок корпуса колонны 1 с, Поскольку усадка сорбента происходит постепенно в процессе работы, операцию принудительного заполнения образующегося зазора можно проводить после каждого цикла хромато- графического разделения Оказалось, что эта операция принудительного заполнения зазора после усадки сорбента не только восстанавливает эффективность работы колонны, но даже повышает ее о

Предлагаемая хроматографическая колонна изготовления в нескольких вариантах с различным соотношением- . размеров конструктивных элементов и опробована в работе

В лабораторных условиях испытана хроматографическая колонна, имеющая диаметр цилиндрического корпуса 50 м с высотой слоя зерненого сорбента 300 мм, диаметр дополнительной трубки подвода зерненого сорбента равен 4,5 мм, запас зерненого сорбента в дополнительной емкости составлял 50 см. В качестве пористых перегородок верхней и нижней конических камер использована сетка из нержавеюще

94

стали с размером ячейки 0,1 мм. Колонна, допапнительная емкость и допап- нительная трубка для подвода зерненого сорбента бьпи заполнены сферическими зернами сульфокатионита КУ-2х8 в кальциевой форме с размером зерен 0,3 мм, при этом сульфокатионит вводился в систему в виде суспензии

в воде. Эффективность работы колонны выражена в величине высоты эквива.пент- ной теоретической Тарелки (ВЭ.ТТ), которая вычислялась путем деления высоты слоя зерпеного сорбента в рабочей

части колонны на число реализуемых теорет1-гческих тарепок (N). Для определения величины N в колонну вводили пробу водного раствора ксилита с концентрацией 20 г/л и элюировали ксилит водой. Объем пробы раствора кс}ши- та 7,5 мл состаапял 1,27% от объема слоя смолы в колонне. Па выходе из колонны пик ксилита регистрировался с помощью проточного рефрактоь етра

РИ-03 на самописца. По пику ксилита рассчитывали величи1ту N с использованием общепринятого соотношения

V

N 16(

AV

)2,

5

0

5

где V - объем удерживания пика, мп; V -ширина основания пика, m.

Во всех экспериментах выдepЖIiвaли постоянную скорость потока жидкой фазы 0,15 мл/см,№1Н через рабочую часть колонны и температуру 20°С. В экспериментах соблюдали следующий порядок подачи жидкой фазы в колонну; подача пробы раствора ксилита по линии 5 подачи разделяемой смеси через двухходовой кран 4 при закрытом клапане 9; подача элюента (воды) по линии 6 подачи элюента через двухходо5 вой кран 4 при закрытом клапане 9 после вымываг-шя ПИКЕ ксилита; подача элюента (воды) со скоростью 30 мл/мин по линии 6 подачи элюента через клапан 9, дополнительную емкость 10 и

Q дополнительную трубку 12 для подвода зерненого сорбента при закрытом ходовом кране 4.

Cпeциaльны яi экспериментами уста- новлено; что зерненьм сорбент легко заполняет весь объем колонны от допап- 1штельной трубки 12 до стенок колонны при подаче элюента через дополнительную емкость со скоростью 30 мл/мин, что соответствует скорости прохожде51418609

ВОДЫ через трубку для подвода зер- неиого сорбента, равной 190 мп/см мин, Такие скорости использовали при испытании колонны,

71ля сравнения эффективности работы ;Предлагаемой хроматографической ко- |Лонны с известной выполнены экспери- ;менты на стандартной стеклянной ко- лонке с адаптерами фирмы Ватман: диаметр колонки 10 мм, высота слоя зерненого сорбента 30 см, Продолжи- тельность каждого цикла эксперимента составляла 4ч,

10

ст ча бу ув по че не сф от ни но бе

ственно опускались вниз в рабочую часть колоиныо Такой же результат будет получаться и при дальнейшем увеличении в нутреннего диаметра дополнительной трубки, ко такое увеличение не вызвано никакой практической необходимостью. Все это позволило сформулировать требование о том, что отношение внутреннего диаметра дополнительной трубки дпя подвода зерненого сорбента к диаметру зерен сорбента должно составлять (10-15):1„ Эксперимента ми доказано, что рас

1. Хроматографическая колонна, содержащая цштиндрический корпус, верхнюю трубку для подвода и нижнюю трубку для отвода жидкой фазы, каждая из которых присоединена соосно с колонной к вершинам конических, герметично соединенных со стенками корпуса камер, основания которых вы-. полнены в виде пористых перегородок, меладу которыми помещен слой зернено- го сорбента, а трубка, камера и пористая перегородка каждой конической камеры жестко связаны друг с другом, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы колонны путем устранения влияния усадки слоя сорбента, она снабжена дополнительной емкостью с сорбентом, верхняя и нижняя конические- камеры выполнены так, что они являются продолжением цилиндрического корпуса колонны, по15истые перегородки неподвижно установлены к в перегородке верхней конической камеры выполнено сквозное отверстие, в которое вмонтирована дополнительная трубка для подвода зерненого сорбен- та, установленная нижним торцом на уровне нижней плоскости пористой, перегородки , выведенная герметично через верхнюю часть камеры и соединенная с нижней частью дополнительной емкости с сорбентом, причем в верхней части дополнительной емкости с сорбентом подсоединена линия подачи элюента с запорным клапаном с возможностью принудительной транспортировки зерен сорбента потоком элюента из дополнительной емкости в верхнюю часть колонны. СО I 2 о Колонна по п. 1, отличаю щ а лея тем, что отношение внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента к диаметру зерен сорбента составляет

В табЛо 1 дана зд висимость эффек- щ стояние вдоль радиуса колонны от трубтивности работы предлагаемой и стан- дартной хроматографических колонн с адаптерами от числа проведенных ; циклов и от врвмени, : Как видно из табл, 1, относитель- Iная эффективность предлагаемой колон- ;ны в первых двух циклах (100%) ниже относительной эффективности стандартной колонки с адаптерами фирмы Батман (103%)о Однако к четвертому циклу эффективности колонн становятся одинаковыми и по мере проведения даль- :нейших циклов эффективность предлагаемой хроматографической колонны про- должает расти, достигая постояннорЧ I величины 106% на восьмом хщкле, в то I время как относительная эффективность :стандартной хроматографической колонки после третьего циюта даже снижается до величины 102%. Таким образом, неожиданно обнаружен эффект превышения относительной эффективности предлагаемой хроматографической колонны (на 4%) по сравнению с эффективностью стандартной хроматографической колонки с адаптерами фирмы Ватман ,

Величина внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента имеет существенное значение. Как показала экспериментальная проверка, при диаметре дополнительной трубки 2,4 мм, равном вось- ми диаметрам зерен сорбента, последний иногда застревал в трубке и не опускался вниз в рабочую часть колонны, .При диаметре дополнительной трубки 3 мм, равном десяти диаметрам зерен сорбента, последние беспрепятственно опускались по трубке вниз в рабочую часть колонны. При диаметре дополнительной трубки 4,5 мм, т,е, равном пятнадцати диаметрам зерен сорбента, последние также беспрепят

ки для подвода зерненого сорбента до стенок цилиндрической части колонны не может быть сколь .угодно большим, а имеет предел, равный тому расстоянию, на которое принудительно переносятся з.ерна сорбента с потоком жидкой фазы, находяш;вй из трубки для подвода зерненого сорбента. Поэтому на колоннах большего диаметра целесообразно устанавливать не одну трубку я подвода зерненого сорбента, а несколько, как это изображено на фиг,2„ Для определения оптимального расстояния между центрами отверстий

двух соседних дополнительных трубок выполнены экспериментальные щ-1клы элюирования ксилита при расстояниях между- трубками, равных 1, 21, 31, 41„ Использовали колонну с диаметром цилиндрического корпуса 290 мм, имеющего наряду с осевой трубкой еще 18 (тобо всего 19 штук) дополнительных трубок для подвода зерненого с:орбен- та, центры которых находились на концентрических окружностях с радиусом 58 и 11 мм. Вдоль диаметра колонны при этом расположено пять дополнительных трубок с внутренним диаметром 4,5 мм, как это показано на фиГв2,

.

На каждой из указанных девятнадцати дополнительных трубок установлены запорные- клапаны с диаметром проходного отверстия 3 мм, с помощью которых .создавали различные рабочие расстояния между дополнительными трубками путем перекрьгоания соответствующих клапанов, В таких же условиях получены экспериментальные данные,

приведенные в табл, 2,

I

В табл, 2 дана зависимость эффективности работы предлагаемой хроматографической колонны от расстояния

между трубками для подвода зерненого сорбента.

Как видно из табл. 2J оптимальное

расстояние между центрами работающих

трубок для подвода зерненого сорбента составляет величину не более 232 мм или 770 диаметров сферических гранул зерненого сорбента. Наименьшее расстояние от стенки цилиндрической части колонны до центра ближайшей трубки для подвода зерненого сорбента должно составлять величину вдвое меньшую, т.е. 116 мм или 385 диаметров сферических гранул зерненого сорбента при величине диаметра зерна, равного 0,3 ммо

Наиболее универсальной величиной, характеризукщей соотношение размеров зерен сорбента и расстояний между

центрами отверстий трубок подвода зерненого сорбента и наименьших расстояний до цилиндри геской стенки колонны,.: является величина произведения

На предлагаемой хроматографической колонне

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

4

5

8

12

13

14

18

,19

25

числа зерен сорбента, плотно уложенных вдоль этих расстояний, на диаметр зерен, выраженный в миллиметрах. По данным табЛо 2 видно, что оптимальное значение указанного произведения, характерного для половины расстояния между центрами трубок подвода зерненого сорбента и для наименьшего расстояния до цилиндр1тческой стенки колонны, не превьшает значение 116.

Испытания предлагаемой хроматогра- фической колонны показали ее надежность, высокую эффективность в работе,

Таким образом, использование предлагаемой хроматографической кат:онны обеспечивает возможность повьш1ения эффективности работы хроматографической колонны при использовании колонн большого диаметра, что особенно важно при препаративном и промышленном вьделении веществ из исходного сырья.

Таблица 1

100 100 102 103 103 103 105 106 106 106

1А1860910

Продолжение табл.1

16

Фие.1

Ю 11

/г

:.; . , -1

-Л . . . .

i - - а . . . -....

. 2