Промышленный газовый хроматограф

Промышленный газовый хроматограф

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Хроматограф может быть использован на предприятиях топливно-энергетического комплекса, нефтяных и газовых промыслах, в геологоразведке, в химической промышленности и в других случаях, когда требуется контроль состава газовых сред.

Известен промышленный газовый хроматограф [патент РФ №2073862]. Газовый хроматограф включает герметичный резервуар с газом-носителем. Во внутреннем объеме резервуара размещен анализатор, содержащий соединенные между собой блок клапанов, блок хроматографических колонок и блок детектора, вход газа-носителя, размещенный внутри резервуара с газом-носителем и соединенный с блоком клапанов, вход анализируемой среды, размещенный вне резервуара и выход газа-носителя и пробы анализируемой среды, соединенный с блоком детектора. Анализатор включает также расположенные во внутреннем объеме резервуара компрессор, соединенный с входом газа-носителя и блоком хроматографических колонок и два фильтра-поглотителя. Компрессор соединен с входом газа-носителя через блок клапанов и фильтр-поглотитель и с блоком хроматографических колонок через блок клапанов, а выход газа-носителя размещен во внутреннем объеме резервуара и соединен с блоком детектора через второй фильтр-поглотитель.

Одним из недостатков данного хроматографа является отсутствие взрывозащищенного узла ввода электрических кабелей, что ограничивает применение данного хроматографа во взрывоопасных зонах.

За прототип выбран промышленный газовый хроматограф [патент на полезную модель №39205]. Хроматограф содержит герметичный резервуар с газом-носителем, во внутреннем объеме которого размещен анализатор, включающий соединенные между собой блок клапанов, блок колонок из двух или более хроматографических колонок, блок детектора, вход газа-носителя, соединенный с блоком клапанов, выход газа-носителя, два фильтра-поглотителя, компрессор, дозирующие объемы, соединенные с блоком клапанов, и электронный блок, а также размещенные вне резервуара с газом-носителем и соединенные с блоком клапанов вход и выход анализируемой среды, кабель связи с ЭВМ и кабель питания, при этом резервуар снабжен дополнительным узлом ввода, выполненным в виде взрывонепроницаемой оболочки и соединенным с резервуаром с газом-носителем с образованием взрывонепроницаемых щелей, а кабели питания и связи с ЭВМ размещены в узле ввода.

Хроматограф обладает следующими недостатками:

Ограничен объем газа-носителя, необходимый для ввода пробы в хроматографические колонки и для разделения пробы. Тем самым ограничиваются точность, чувствительность, селективность и скорость анализа хроматографом, а также ограничена возможность анализа продуктов, содержащих компоненты с большими временами удерживания.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности, селективности, точности и скорости анализа, расширение возможности анализа многокомпонентных продуктов с высокими временами удерживания, уменьшение массы хроматографа, увеличение длительности межрегламентного периода, сокращение расхода газа-носителя, сокращение времени выхода на рабочий режим после включения, снижение потребляемой мощности, габаритов хроматографа, упрощение конструкции и расширение возможности использования хроматографа на передвижных объектах и в полевых условиях.

Предлагается промышленный газовый хроматограф, содержащий герметичный резервуар с газом носителем, который снабжен штуцером для ввода и штуцером сброса анализируемой среды и узлом ввода внешних кабельных связей. Внутри резервуара установлен анализатор, включающий электронный блок, блок клапанов, связанный с компрессором, блоком дозирования. Блок дозирования включает два дозирующих объема, и хроматографические колонки. Блок детектирования содержит детектор, а также два фильтра-поглотителя, один из которых соединен с блоком клапанов, а другой - с блоком детектирования. Штуцеры для ввода и сброса анализируемой среды соединены с блоком клапанов, а электронный блок внутренним интерфейсом связан с хроматографическими колонками, блоком детектирования, компрессором и блоком клапанов, а внешним интерфейсом - с узлом ввода внешних кабельных связей. Кроме того, хроматограф дополнительно содержит соединенные между собой ресивер с датчиком давления газа-носителя и вентиль тонкой регулировки. Датчик расхода газа-носителя соединен с выходом вентиля тонкой регулировки, а блок клапанов - с выходом датчика расхода и, через один из фильтров-поглотителей, с входом ресивера. Электронный блок связан с вентилем тонкой регулировки и датчиками расхода и давления газа-носителя, а блок детектирования дополнительно содержит, по крайней мере, еще один детектор.

Применение в составе хроматографа ресивера, представляющего собой резервуар повышенного давления и необходимого геометрического объема, связанного с вентилем, позволяет до начала выполнения аналитической методики накопить в нем запас газа-носителя, достаточный для выполнения последующих процедур анализа. Тем самым, высвобождается часть лимитированной вторичным источником питания электрической мощности хроматографа для интенсификации режимов программирования температуры хроматографических колонок или режима хроматермографии, что позволяет повысить селективность, чувствительность и скорость анализа. Достаточный запас газа-носителя в ресивере позволяет выполнять анализы веществ, содержащих компоненты с большими временами удерживания, требующими повышенного расхода газа-носителя, что расширяет возможность анализа многокомпонентных продуктов сложного состава.

Кроме того, наличие ресивера с названными его связями позволяет накопить в нем достаточный запас газа-носителя при пониженном давлении газа-носителя в герметичном корпусе. При этом снижаются требования к прочности корпуса и, соответственно уменьшается его масса, составляющая значительную часть массы хроматографа. Вследствие уменьшения давления газа-носителя в корпусе уменьшаются утечки газа-носителя и соответственно увеличивается межрегламентный период, длительность которого связана с необходимостью пополнения запаса газа-носителя в герметичном резервуаре, а также экономится газ-носитель. Кроме того, уменьшение массы герметичного резервуара и хроматографа в целом, снижает его теплоемкость, что позволяет сократить длительность стадии выхода на режим после включения хроматографа и затраты электроэнергии, что существенно при использовании хроматографа на энергодефицитных объектах, например в полевых условиях и на мобильных объектах.

Электрически управляемый вентилятор тонкой регулировки, газовый вход которого связан с выходом ресивера, а выход, через датчик давления, с блоком клапанов и электрически связанный с электронным блоком, позволяет управлять скоростью потока газа-носителя, в частности осуществлять режим программирования потока. Этим достигается повышение точности анализа, дополнительное повышение чувствительности, селективности и скорости анализа, возможность выполнения анализа в изотермических режимах при низких температурах и экономия электроэнергии.

После накопления в ресивере необходимого объема газа-носителя компрессор, связанный через блок клапанов со штуцером ввода пробы, может быть использован в качестве пробоотборного насоса. В результате, отпадает необходимость в пробоотборном насосе как отдельном узле. Тем самым достигается упрощение конструкции, уменьшение габаритов и дополнительное уменьшение массы хроматографа.

Установка двух и более детекторов приводит к повышению селективности и точности анализа.

Кроме того, предлагаемый хроматограф может содержать дополнительно один или более датчиков давления, блок регулирования температуры и дополнительные штуцеры для ввода анализируемой среды.

Дополнительный датчик давления, пневматически связанный с внутренним объемом герметичного резервуара и электрически связанный с электронным блоком, обеспечивает возможность текущего контроля давления газа-носителя в корпусе и формирование соответствующего сигнала в случае разгерметизации хроматографа.

Блок регулирования температуры, включающий датчик температуры газовой среды и нагреватель, размещен внутри герметичного резервуара.

Предлагаемый промышленный газовый хроматограф изображен на чертежах, где на фиг.1 представлена газовая схема хроматографа; на фиг.2 - электрическая блок-схема хроматографа.

Заявляемый хроматограф (фиг.1, фиг.2) содержит герметичный резервуар 1, анализатор 2. Анализатор содержит блок клапанов 3, блок дозирования 4, содержащий дозирующие объемы 4.1 и 4.2, блок хроматографических колонок 5, содержащий хроматографические колонки 5.1 и 5.2, блок детектирования 6, содержащий несколько детекторов, например детекторы 6.1 и 6.2, фильтры-поглотители 7.1 и 7.2, компрессор 8, ресивер 9, вентиль тонкой регулировки 10, датчик расхода газа-носителя 11, датчик давления газа в ресивере 12.1, дополнительный датчик давления газа 12.2. Резервуар 1 снабжен штуцерами ввода анализируемой среды 13 и сброса анализируемой среды 14, фильтр-поглотитель 7.1 имеет газовый выход 15 в герметичный резервуар 1, блок клапанов имеет газовый вход 16 из герметичного резервуара 1, датчик давления 12.2 имеет газовый вход 17, связанный с внутренним объемом герметичного резервуара 1. Кроме того, анализатор содержит электронный блок 18, блок регулирования температуры 19, включающий датчик температуры газовой среды с нагревателем. На корпусе 1 размещен узел ввода кабельных связей 20. Электронный блок 18 электрически связан с блоком клапанов 3, блоком хроматографических колонок 5, блоком детектирования 6, компрессором 8, вентилем тонкой регулировки 10, датчиком расхода газа-носителя 11, датчиками давления 12.1 и 12.2, блоком регулирования температуры 19 и узлом ввода 20.

Входы и выходы дозирующих объемов 4.1 и 4.2 (фиг.1), компрессора 8, входы хроматографических колонок 5.1 и 5.2 и фильтра-поглотителя 7.2 соединены с блоком клапанов 3, выход фильтра-поглотителя 7.2 соединен с входом ресивера 9 и датчиком давления 12.1, выход датчика расхода 11 соединен с блоком клапанов 3, выход ресивера 9 соединен с входом вентиля тонкой регулировки 10, выход вентиля тонкой регулировки 10 соединен с входом датчика расхода 11, а штуцеры ввода анализируемой среды 13 и сброса 14 соединены с блоком клапанов 3.

Принцип действия данного промышленного газового хроматографа основан на дискретном вводе пробы в поток газа-носителя, например гелия, разделении компонентов пробы на слое выбранного сорбента в хроматографических колонках и преобразовании вещественного сигнала выходящих из колонки компонентов в цифровой электрический сигнал блоком детектора и передаче сигнала через электронный блок на удаленную ЭВМ.

Предлагаемый промышленный газовый хроматограф работает следующим образом. (Пример конкретного построения заявляемого хроматографа на фиг.3).

Управление хроматографом осуществляется от внешней ЭВМ.

Например, рабочий цикл хроматографа может включать следующие стадии:

1) Накопление в ресивере необходимого на очередной анализ объема газа носителя.

В блоке клапанов 3 открываются клапаны 3.1, 3.5 и 3.2 (остальные клапаны закрыты). Под действием компрессора 8 газ-носитель, находящийся в герметичном резервуаре 1 под давлением, например, 0,3 ати, поступает через клапаны 3.1 и 3.5 в компрессор, через клапан 3.2 в фильтр-поглотитель 7.2, в котором очищается от возможно присутствующих в газе-носителе примесей. Из фильтра-поглотителя 7.2 газ-носитель поступает в ресивер 9, пока давление в ресивере не достигнет требуемого значения, например, 20 ати, контролируемого датчиком давления 12.1. По достижении заданного программой давления клапаны 3.1, 3.5 и 3.2 закрываются, компрессор 8 отключается.

2) Отбор пробы анализируемой среды.

Наличие в составе анализатора двух (или более) аналитических трактов, включающих дозирующие объемы 4.1 и 4.2, хроматографические колонки 5.1 и 5.2 и детекторы 6.1 и 6.2, дает возможность осуществлять разделение и детектирование разными и независимыми способами двух проб одного и того же продукта, что позволяет повысить точность анализа и анализировать сложные смеси.

Источник анализируемой среды подключен к штуцеру 13, линия сброса - к штуцеру 14. В блоке клапанов 3 открываются клапаны 3.5, 3.6, 3.3 и 3.7. Под действием компрессора 8 анализируемый продукт поступает через клапан 3.5 в компрессор 8, через клапаны 3,6 и 3.3 в дозирующий объем 4.1 и через клапан 3.7 и штуцер 14 сбрасывается в линию сброса. Объем анализируемой среды, обеспечивающий представительность пробы, определяется производительностью компрессора 8 и временем его работы. После прокачки достаточного объема пробы клапаны 3.5, 3.6, 3.3 и 3.7 закрываются, компрессор 8 выключается. При открытии соответствующих клапанов таким же образом заполняется дозирующий объем 4.2, причем возможно и одновременное заполнение дозирующих объемов 4.1 и 4.2 при открытии клапанов 3.5, 3.6, 3.3, 3.9, 3.7 и 3.12.

3) Ввод пробы из дозирующего объема в хроматографическую колонку.

(На примере пробы из дозирующего объема 4.1).

В блоке клапанов 3 открываются клапаны 3.13, 3.3 и 3.4. Газ-носитель из ресивера 9 через вентиль тонкой регулировки 10, обеспечивающий требуемую программой скорость газа-носителя, через датчик расхода газа-носителя 11, контролирующего его скорость, и через клапаны 3.13 и 3.3 поступает в дозирующий объем 4.1. Находящаяся в дозирующем объеме проба напором газа-носителя вытесняется через клапан 3.4 в колонку 5.2. После вытеснения пробы из дозирующего объема клапаны 3.3 и 3.4 закрываются.

3) Разделение и детектирование компонентов пробы. По окончании ввода пробы, в блоке клапанов 3 открывается клапан 3.8. Скорость газа носителя регулируется управляемым вентилем тонкой регулировки 10 в соответствии с программой. Также программно регулируется температурный режим анализа.

Разделение пробы происходит (в зависимости от состава пробы) на одной или нескольких хроматографических колонках, соединенных последовательно или иным способом. Могут быть использованы насадочные, капиллярные, микронасадочные колонки, например хроматермографические колонки по АС СССР №763784. Кроме того, благодаря достаточному запасу газа-носителя в ресивере 9 могут быть применены требующие больших потоков поликапиллярные колонки. Благодаря высокому давлению газа-носителя в ресивере 9 могут применяться высокоселективные, но имеющие большое пневматическое сопротивление капиллярные колонки большой длины.

На выходе из блока колонок 5 вещественные профили компонентов пробы преобразуются в электрические сигналы в блоке детектирования 6 (детектор 6.2) для обработки в соответствии с программой. По выходе из блока детектирования газ-носитель очищается от компонентов пробы в фильтре-поглотителе 7.1 и поступает во внутренний объем резервуара 1.

4) Регенерация.

После прохождения всей пробы через детектор в блоке клапанов 3 открываются клапаны 3.13, 3.3 и 3.4. Газ-носитель из ресивера 9 проходит через вентиль тонкой регулировки 10, датчик расхода 11, клапаны 3.13 и 3.3, дозирующий объем 4.1, клапан 3.4, хроматографическую колонку 5.2 и детектор 6.2, вымывая из этих устройств и их коммуникаций возможные остатки проанализированной пробы, которые поглощаются в фильтре-поглотителе 7.1 и очищенный газ-носитель возвращается в герметичный резервуар 1.

Таким же образом, одновременно или последовательно используется второй аналитический контур.

Хроматограф, по сравнению с аналогами, позволяет анализировать продукты, содержащие более высококипящие (с большими временами удерживания) компоненты. Анализы могут проводиться за меньшее время, увеличиваются селективность, чувствительность и точность измерений. Хроматограф имеет взрывозащищенное исполнение, малые габариты, массу, энергопотребление, не нуждается во внешних источниках газов. Хроматограф может использоваться в ограниченных, труднодоступных, опасных и необитаемых местах. Хроматограф может использоваться в полевых условиях и на мобильных объектах.

Промышленный газовый хроматограф, содержащий герметичный резервуар с газом-носителем, который снабжен штуцером для ввода и штуцером сброса анализируемой среды и узлом ввода внешних кабельных связей, внутри резервуара размещен анализатор, включающий электронный блок, блок клапанов, связанный с компрессором, блоком дозирования, включающим два дозирующих объема, и хроматографическими колонками, блок детектирования, содержащий детектор, а также два фильтра-поглотителя, один из которых соединен с блоком клапанов, а другой - с блоком детектирования, причем штуцеры для ввода и сброса анализируемой среды соединены с блоком клапанов, а электронный блок внутренним интерфейсом связан с хроматографическими колонками, блоком детектирования, компрессором и блоком клапанов, а внешним интерфейсом - с узлом ввода внешних кабельных связей, отличающийся тем, что дополнительно содержит соединенные между собой ресивер с датчиком давления газа-носителя и вентиль тонкой регулировки, а также датчик расхода газа-носителя, соединенный с выходом вентиля тонкой регулировки, причем блок клапанов соединен с выходом датчика расхода и через один из фильтров-поглотителей с входом ресивера, электронный блок связан с вентилем тонкой регулировки и датчиками расхода и давления газа-носителя, а блок детектирования дополнительно содержит, по крайней мере, еще один детектор.