Концентратор примесей тяжелыхКОМпОНЕНТОВ для гАзОВОгО XPOMATO-гРАфА Советский патент 1981 года по МПК G01N31/08 

(54) КОНЦЕНТРАТОР ПРИМЕСЕЙ ТЯЖЕЛЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ГАЗОВОГО ХРОМАТОГРАФА сброса, и концентрирование примесей путем нагрева концентрирующей колонки в тепловом поле, температура которого изменяется во времени по длине колонки с одновременной подачей в колонку газа-носителя. Тяжелые примесные компоненты при этом концентрируются в виде узкой полосы на выходе концентрирующей колонки, откуда поступают в хроматографический анализатор. Таким образом, в известном концентраторе на адсорбенте концентрирующей колонки последовательно осуществляется как накопление, так и концентрирование примесей t4. Однако такой концентратор не обес печивает высокой чувствительности и точности определения количественного содержания примесей в анализируемом газе вследствие того, что количество адсорбента, а следователь но и размеры концентрирующей колонки , определяются величинами парциаль ных давлений (концентрациями) компонентов примесей. Чем ниже парциально давление приместного компонента, тем большее количество адсорбента необходимо для его полного поглощения, тем большими должны быть размеры колонки и тем большее количество основ ного компонента поглощается адсорбентом колонки при накоплении. Поскольку парциальные давления примесей в анализируемом газе очень малы, то для накопления тяжелых примесных ком понентов, особенно тех, что по сорби руемости близки к основному компонен ту, приходится применять колонки бол ших размеров. В этом случае на отдув ку основного компонента и концентрирование примесей необходимо затрачивать -значительное количество газаносителя. Содержащиеся в газе-носите примеси также поглощаются адсорбенто концентрирующей колонки и далее вмес те, с примесями анализируемого газа поступают на проявительный анализ, снижая его чувствительность и точность , при этом чем ниже концентрации компонентов примеси в анализируемом газе, тем больший объем газаносителя требуется пропустить через нее для отдувки и концентрирования и тем ниже точность анализов. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности определения концентраций компонентов примеси. Указанная цель достигается тем, что концентратор примесей для газово го хроматографа, содержащий источник анализируемого газа дозатор и размещенную в криотермостате концент рирукадую колонку р адсорбентом, вход которой соединен через клапан со ста билизатором расхода газа-носителя, а выход соединен через клапан с хро.ч матографическим анализатором и через клапан-и регулируемый дроссель-- с инией сброса, снабжен заполненной дсорбентом дополнительной колонкой устройствами для ее нагрева и охладения и узлом стабилизации давлеия десорбирующегося в колонке газа, ри этом вход дополнительной колонки ерез клапаны подключен ко входу конентрирующей колонки и к источнику анализируемого газа, а выход ее соединен через клапан с линией сброса и с узлом стабилизации давления десорбирующегося в колонке газа, выполненным в виде измерителя давления, вход которого подключен через клапан к выходу дополнительной колонки, а выход через регулятор соединен с устройством нагрева дополнительной колонки. Кроме того, между источником анализируемого газа и входом дополнительной колонки установлен связанный с ними через клапаны дозатор. В предлагаемом концентраторе операции накопления и концентрирования примесей осуществляются на различных колонках: на дополнительной колонке производится накопление примесей тяжелых компонентов, а на концентрирующей - их концентрирование. На чертеже приведена схема предла гаемого концентратора. Концентратор содержит размещенную в криотермостате 1 концентрирующую колонку 2 с Адсорбентом, вход которой через клапан 3 соединен со стабилизатором 4 расхода газа-носителя. Выход концентрирующей колонки 2 через клапан 5 соединен с хроматографическим анализатором 6 и через клапан 7 и регулируемый дроссель 8 - с линией сброса. Стабилизатор 4 расхода газаносителя через клапан 9 связан с хроматографическим анализатором б. вход концентрирующей колонки 2 через клапан 10 соединен со входом заполненной адсорбентом дополнительной колонки 11, выход которой подключен к узлу 12 стабилизации давления десорбирующегося в колонке газа и через клаПоШ 13 и регулируемый дроссель 14 к линии сброса. Дополнительная колонка 11 подключена к источнику 15 анализируемого газа, причем между источником 15 и входом колонки 11 установлен дозатор 16. Дополнительная колонка 11 снабжена устройствами 17 нагрева и 18 охлаждения. Узел 12 ста.билизации давления десорбируккцегося в колонке газа ввшолнен в виде измерителя 19 давления, вход которого подключен через клапан 20 к выходу дополнительной колонки 11, а выход через регулятор 21 соединен с устройством 17 нагрева дополнительной колонки 11. Вход измерителя 19 давления через клапан 22 соединен с линией сброса. Концентратор работает следуняцим образом. Цикл работы концентратора состои из нескольких последовательных во времени операций: ввод отдозироваН ной пробы анализируемого газа в дополнительную колонку, перевод пробы в концентрирующую колонку и ввод ско центрированных примесей в хроматографический анализатор на пронзитель ный анализ. В исходном положении дополнитель ная колонка 11 охлаждена, а концент рирующая колонка 2 нагрета. Клапаны 3, 5 и 22 открыты, а остальные клапаны закрыты. Газ-носитель из стабилизатора расхода 4 поступает в кон центрирующую колонку 2 и Дсшее в хро матографический анализатор 6. На вы ходе измерителя 19 давления, вход которого соединен с линией сбр.оса, сформирован нулевой сигнал. Для ввода пробы анализируемого г за в дополнительную колонку 11 открывают клапан 13 и включают дозатор 16. Анализируемый газ объемом MQ из дозатора под давлением Р и с пос тоянной линейной скоростью, настраи ваемой регулируемым дросселем 14, поступает в дополнительную колонку 11, где сорбируется на охлажденном адсорбенте. По насыщении адсорбента колонки 11 на всей длине колонки ос новным компонентом анализируемого газа последний вместе с примесями ле ких компонентов поступает в линию сброса, а примеси тяжелых компонентов продолжают поглощаться адсорбен том, занимая на участке колонки 11, примыкающем к ее входу, полосы различной длины. Длины полос обратнопропорциональны сорбируемости компонентов . Полосу наибольшей длины занимает наименее сорбирующийся из -тяжелых компонентов. Далее осуществляется перевод пробы из дополнительной колонки 11 в концентрирующую колонку 2. Для этого колонку 2 охлаждают, клапаны 3, 5 и 9 закрывают. Поток газа-носителя поступает в хроматографический анализатор, минуя концентрирующую колон ку 2. Закрывают клапаны 13 и 22 и от крывают клапан 20. Выход дополнитель ной колонки 11 отсоединяется от лит НИИ сброса и соединяется со входом измерителя 19 давления. Открывают клапаны 7 и 10, соединяя вход концентрирующей колонки 2 со входом дополнительной колонки 11, а выход колонки 2-е линией сброса Включают устройство 17 нагрева допол нительной колонки 11. Нагрев дополнительной колонки 11 сопровождается десорбцией газа, насы щакяцего адсорбент, вследствие чего давление в колонке 11 и в соединенной с ней колонке 2 возрастает до значения , предварительно заданного на излйрйтеле 19 давления узла 12 стабилизации давления десорбируйщего в колонке газа. С выхода измерителя 19 давление Р sad поступает на регулятор 21, на выходе которого формируется сигнал, управляющий устройством 17 нагрева дополнительной колонки 11. Под воздействием этого сигнала температура колонки 11 изменяется так, что величина давления десорбирующегося в колонке газа остается постоянной и равной заданной величине Р, 30(3 При нагреве колонки 11 формируется состоящий из основного компонента и тяжелых примесных компонентов поток десорбирующего газа, который со входа нагреваемой колонки 11 поступает на вход охлажденной колонки 2, где основной компонент и примеси поглощаются адсорбентом колонки 2. Когда основной компонент насялтит адсорбент колонки 2, он с постоянной скоростью., величина которой определяется значениями давления P|3ad проводимости регулируемого дросселя 8, сбрасывается из колонки 2. Тяжелые примеси продолжают поглощаться адсорбентом колонки 2. По мере уменьшения количества газа в колонке 11 ее температура возрастает, а значение давления остается постоянным, что обеспечивает постоянство скорости потока газа, поступающего в колонку 2. После опорожнения колонки 11 от насыщавшего ее адсорбент газа давление в колонке начинает уменьшаться, несмотря на повышение ее температуры. Тогда закрывают клапаны 7, 10 и 20, отк мвают клапан 22, выключают устройство 17 нагрева и включают устройство 18 охлаждения дополнительной колонки 11, подготавливая ее к очередному циклу. Постоянство скорости десорбирующего потока предотвращает проскок примесных компонентов через колонку 2, и подключение входа колонки 11 ко входу колонки 2 обеспечивает полное удаление примесей из колонки 11. Далее нагревают накопительную колонку 2, после чего закрывают клапан 9 и открывают клапаны 3 и 5. Сконцентрированные в колонке 2 тяжелые прымесн в потоке газа-носителя переносятся в хроматографический анализатор б на проявительный анализ. Принцип действия предлагаемого концентратора примесей поясняется приведенными ниже расчетами. Минимальная длина дополните пьной колонки 11, необходимая для полного поглощения тяжелых примесных компонентов из пробы объемом Vo , должна быть равна длине полосы L занимаемой наименее сорбирукицимся из тяжелых компонентов (i-й компонент) , исходная концентрация которого в анализируемом газе равна С,о , г. е.длина колонки 11 равна ., (1) где д - количество i-го компонента в отдозированной пробе анализируемого газа объемом Vft , равное CtoVp ,-, .- количество i-го компонента, поглощенное единицей длины адсорбента колонки 11 (в дал нейшем предполагается, что диаметры колонок 2 и 11 рав ны, и колонки заполнены од. . и тем же адсорбентом) . При малых парциальных давлениях, компонентов, т.е. давлениях, соответ ствующих концентрациям примесей, величина ait может быть определена по уравнению изотермы Генри где Г, - константа Генри, зависящая от природы адсорбента и iкомпонентаPi - парциальное давление i-го компонента в колонке 11. Из уравнения (2) следует, что при малых парциальных давлениях количество поглощенного единицей адсо бента компонента прямо пропорционал но величине парциального давления компонента. Количество Vy основного компонен та (К-и компонент), поглощенное ад сорбентом дополнительной колонки 1 равно Vi a-K,L,.13) где ак,- количество основного комп нента, поглощенное единице длины адсорбента колонки 1 При значительном парциальном дав лении компонента, т.е. давлении, со ответствующем концентрации основног компонента, величина OKI может быть определена по уравнению изотермы ад сорбции Ленгмюра АцВкРм + 6кРм (4 ) где AniHB - константы, зависящие о природы адсорбента и fc. -го компонента; Рн1- парциальное давление о . новного компонента. Из уравнения(4)следует, что при значительных парциальных давлениях количество поглощенного единицей ад сорбента компонента .QKJ практически не зависит от величйнь парциального давления и является постоянным. Концентрация С в дополнительно колонке 11 равна -.Ввиду того, что при вводе в колону 11 пробы объемом УО только часть сновного компонента , поглощается дсорбентом, в колонке 11 помимо наопления тяжелых компонентов происодит частичное обогащение анализиуемого газа этими компонентами. Минимальная длина -t концентрирущей колонки 2, необходимая для. полого поглощения тяжелых примесных омпонентов, равна -§k количество i-го компонента поглощенное единицей длины адсорбента колонки 2 и определяемое по уравнению (2 ). С -учетом выражения(1) , (2 ) и(б)веичина равна LE:I, где Pia - парцисшьное давление i-го компонента в колонке 2. Количество основного компонента Уд. поглощенное адсорбентом концентрирующей колонки 2, с учетом выражетя (7)равно a OKal-lTi (8) где количество основного компонента, поглощенное единицей длины адсорбента колонки 2 и определяемое по уравнению (4). Из уравнения (4)следует что Концентрация i-го компонента в колонке 2 с учетом выражений(5)и(8) равна . Исходя из того, что отношение парциальных давлений i-го компонента 9 /р-1в колонках 11 и 2 равно или больше (при частичном сбросе основного компонента из колонки ) отношения абсолютных давлений P3ad/fbB этих колонках , , .-o Следовательно после перевода пробы анализируемэго газа из дополнительной колонки 11 в концентрирующую колонку 2 происходит, дальнейшее обогащение анализируемого газа тяжелыми примесями, концентрации с тррых возрастгиот не менее чем sPjcid/Po раз. Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется двухступенчат тон концентрирование примесей. В дополнительной колонке производится накопление тяжелых примесных компонентов из введенной пробы, а также их некоторое концентрирование, поскольку при