ПРОМЫШЛЕННЫЙ ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ

Полезная модель относится к приборам для анализа состава веществ, в частности, к промышленным газовым хроматографам, предназначенным для качественного и количественного анализа состава технологических газовых сред на потоке и/или в организованных газовых выбросах промышленных предприятий. Полезная модель может быть использована на предприятиях топливно-энергетического комплекса, нефтяных и газовых промыслах, в геологоразведке для контроля содержания растворенных газов в буровых растворах, на флоте для контроля состава газовой среды в резервуарах для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных газов, нефте- и химпродуктов и в других случаях, когда требуется контроль состава газовых сред.
Известен промышленный газовый хроматограф по патенту RU 2081409, содержащий резервуар с газом носителем, например, гелием, во внутреннем объеме которого размещен анализатор, включающий соединенные между собой блок переключателей потоков газа-носителя и пробы анализируемой среды, блок хроматографических колонок и блок детектора, вход газа-носителя, расположенный внутри резервуара с газом-носителем и соединенный с блоком переключения потоков, вход анализируемой среды, расположенный вне резервуара с газом-носителем и выход газа-носителя и пробы анализируемой среды, расположенный вне резервуара с газом-носителем, соединенный с блоком детектора, при этом резервуар с газом-носителем соединен с блоком переключения потоков через вход газа-носителя, а корпус резервуара с газом-носителем является защитной оболочкой анализатора.
Данный промышленный газовый хроматограф за счет размещения всех конструктивных составных частей анализатора внутри резервуара с газом-носителем позволяет обеспечить защиту газа-носителя от загрязнений компонентами окружающей среды, предотвратить потери газа-носителя и повысить устойчивость потока газа-носителя. Кроме того, в данном промышленном хроматографе за счет размещения блоков анализатора в резервуаре с газом-носителем, у которого корпус является защитной оболочкой анализатора, и непосредственно в среде газа-носителя, который одновременно выполняет функции защитного газа, исключены отдельные резервуары высокого давления для газа-носителя и защитного газа, что повышает надежность и
безопасность эксплуатации такого хроматографа, а также расширяет эксплуатационные возможности хроматографа за счет увеличения возможностей оптимального размещения хроматографа вблизи контролируемых объектов.
Однако в таком промышленном газовом хроматографе размещение конструктивных частей анализатора в резервуаре с газом-носителем обусловливает попадание газовыделений конструкции в поток газа-носителя, поступающего на вход анализатора, а необходимость перезаправок резервуара газом-носителем из-за его потерь через аналитический контур приводит к недостаточному межрегламентному ресурсу работы хроматографа. Все это, в итоге, приводит к снижению точности анализа пробы среды с помощью данного хроматографа.
Известен также промышленный газовый хроматограф по патенту RU 39205, состоящий из герметичного резервуара с газом-носителем и содержащего штуцеры отбора и сброса пробы, анализатора, размещенного в герметичном резервуаре и содержащего блок клапанов, включающий группу клапанов управления газом-носителем и группу клапанов управления пробой, блок аналитических колонок, содержащий две аналитических колонки, детектор, два поглотительных фильтра, насос газа-носителя, пробоотборный насос, дозирующий объем, вход газа-носителя, размещенный внутри герметичного резервуара и соединенный с блоком клапанов через поглотительный фильтр, выход газа-носителя, соединенный с выходом детектора через один из фильтров поглотителей, узел ввода кабелей питания и связи с ЭВМ, электронный блок, выполненный в виде блока управления на базе микрокомпрессора, соединенного через внутренний интерфейс с периферийными блоками управления исполнительных устройств и через внешний интерфейс с ЭВМ.
Этот промышленный газовый хроматограф по сравнению с предыдущим аналогом позволяет усовершенствовать контроль за проведением технологического цикла анализа путем перераспределения функций управления между периферийными устройствами хроматографа и ЭВМ, расположенной как на близких, так и удаленных расстояниях от хроматографа, а также повысить взрывозащищенность хроматографа за счет размещения мест соединения кабелей связи с ЭВМ и электропитания во взрывонепроницаемой оболочке и создания щелевой взрывозащиты в местах сопряжения оболочки с резервуаром газа-носителя.
Однако в данном хроматографе для разделения веществ с близкими значениями коэффициентов Генри требуются колонки большой длины. Для разделения многокомпонентных смесей с существенно различными значениями коэффициентов
Генри также требуются колонки большой длины и, следовательно, с большим пневматическим сопротивлением, требующие высокого давления газа-носителя на входе, т.е. достаточно мощного насоса. Таким образом, технически доступные давления, потребляемая мощность и габариты хроматографа ограничивают возможности анализа многокомпонентных смесей, а также и малокомпонентных смесей, содержащих вещества с близкими значениями коэффициентов Генри.
Задачей полезной модели является повышение чувствительности, точности и селективности анализа, надежности идентификации близких по адсорбционным свойствам компонентов пробы, а также снижение порога чувствительности анализа.
Указанная задача решена в промышленном газовом хроматографе, содержащем герметичный резервуар с газом носителем; расположенный в нем анализатор, включающий в себя блок клапанов, насос газа-носителя, пробоотборный насос, детектор, по крайней мере две аналитические хроматографические колонки в виде микронасадочных хроматермографических колонок, газовый выход первой из которых связан с входом детектора, образуя аналитический контур, первый поглотительный патрон, газовый вход которого открыт во внутренний объем герметичного резервуара, а выход через блок клапанов связан с насосом газа-носителя, второй поглотительный патрон, газовый вход которого связан с выходом детектора, а выход - с внутренним объемом герметичного корпуса, внутренние соединительные трубопроводы и электронный блок управления и связи; штуцеры входа и выхода анализируемой среды, установленные на внешней поверхности герметичного резервуара и соединенные с блоком клапанов, и узел ввода кабелей связи с ЭВМ и электрического питания, причем, узел ввода кабелей выполнен в виде соединенной с герметичным резервуаром взрывонепроницаемой оболочки. Согласно полезной модели, хроматограф снабжен вторым детектором, газовый вход которого соединен с выходом второй из аналитических колонок, образуя второй аналитический контур, а выход - с входом второго поглотительного патрона, и форколонкой, газовый вход которой через блок клапанов связан с пробоотборным насосом и насосом газа-носителя, а газовый выход форколонки связан с газовыми входами первой и второй аналитических колонок, образуя два параллельных аналитических контура, входы которых через блок клапанов независимо связаны с выходом форколонки, причем форколонка выполнена в виде хроматермографической колонки.
Наличие двух или более аналитических колонок, образующих два аналитических контура с отдельными детекторами и независимо связанных через блок
клапанов с газовым выходом форколонки, выполненной в виде хроматермографической колонки, газовый вход которой через блок клапанов связан с входом анализируемой среды и с насосом газа-носителя позволяет:
- повысить разделительную способность хроматографа и надежность идентификации близких по адсорбционным свойствам компонентов пробы за счет проведения анализа в двух независимых колонках на разных сорбентах и при разных температурных режимах из одной пробы, поступающей из форколонки;
- повысить чувствительность и снизить порог чувствительности анализа за счет концентрирования на сорбенте форколонки;
- повысить точность анализа за счет совместной обработки хроматограмм с детекторов двух аналитических контуров;
- повысить селективность анализа за счет дробного ввода пробы из форколонки в хроматермографическом режиме и дополнительно повысить чувствительность за счет термоадсорбционного сжатия пробы при поступлении ее из форколонки в аналитические колонки.
Предпочтительно промышленный газовый хроматограф согласно настоящей полезной модели дополнительно содержит первый датчик давления, пневматически связанный с выходом пробоотборного насоса, а электрически - посредством внутреннего интерфейса через электронный блок управления и связи с приводом пробоотборного насоса. Наличие такого датчика и его связь с приводом пробоотборного насоса дополнительно повышает точность анализа за счет выравнивания давления пробы и газа-носителя на входах аналитических контуров при вводе пробы. Кроме того, при этом дополнительно увеличивается чувствительность за счет возможности управления давлением пробы в форколонке и, соответственно, коэффициентом концентрирования.
Кроме того, промышленный газовый хроматограф может дополнительно содержать второй датчик давления, пневматически связанный с выходом газа-носителя, а электрически - посредством внутреннего интерфейса через электронный блок управления и связи с приводом насоса газа-носителя. Это позволяет увеличить чувствительность, селективность, скорость анализа и снизить порог чувствительности за счет возможности программирования и стабилизации потока газа-носителя посредством регулирования скорости подачи газа-носителя насосом, связанным с датчиком давления.
Также промышленный газовый хроматограф преимущественно содержит третий датчик давления, пневматически связанный с внутренним объемом герметичного корпуса, а электрически - посредством внутреннего интерфейса с электронным блоком управления и связи. Это позволяет повысить взрывобезопасность хроматографа за счет возможности подачи сигнала о падении давления в герметичном резервуаре при его разгерметизации, а также дополнительно повысить точность анализа за счет внесения поправок на изменение скорости потока газа-носителя, вызванного изменением давления на выходах аналитических контуров.
На фиг.1 представлен общий вид в перспективе промышленного газового хроматографа;
на фиг.2 - принципиальная пневматическая схема хроматографа;
на фиг.3 - сечение узла ввода и его соединений с резервуаром с газом-носителем в увеличенном масштабе.
Промышленный газовый хроматограф содержит герметичный резервуар 1 с газом-носителем, например, гелием. Герметичный резервуар 1 представляет собой цилиндрический кожух из нержавеющей стали, закрытый днищем с одной стороны и крышкой с фланцевым соединением для внутреннего монтажа с другой (фиг.1). Как показано на фиг.2, в резервуаре 1 расположен анализатор 2, включающий в себя блок 3 клапанов, насос 4 газа-носителя, пробоотборный насос 5, детекторы 6 и 7, три аналитические хроматографические колонки 8, 9 и 10, два поглотительных патрона 11 и 12, форколонку 13, выполненную в виде хроматермографической колонки, и три датчика давления 14, 15 и 16. Элементы анализатора 2 связаны между собой соединительными трубопроводами, при этом газовый выход первой хроматографической колонки 7 связан с входом детектора 6, а газовый выход последовательно соединенных хроматографических колонок 9 и 10 связан с входом второго детектора 7, причем выходы детекторов 6 и 7 связаны между собой и со вторым поглотительным патроном 12. Выход второго поглотительного патрона 12 связан с внутренним объемом герметичного корпуса 1. Газовый вход форколонки 13 через блок 3 клапанов связан с пробоотборным насосом 5 и насосом 4 газа-носителя, а газовый выход форколонки 13 связан с газовыми входами первой и второй аналитических колонок 8 и 9, соответственно, образуя два параллельных аналитических контура. Газовый вход первого поглотительного патрона 11 открыт во внутренний объем герметичного резервуара 1, а выход через блок 3 клапанов связан с насосом 4 газа-носителя. Первый датчик 14 давления пневматически связан с
пробоотборным насосом 5, второй датчик 15 давления пневматически связан с насосом 4 газа-носителя, а третий датчик 16 давления пневматически связан с внутренним объемом герметичного корпуса 1. На герметичном корпусе 1 имеются два штуцера 17 и 18 входа и выхода анализируемой среды, соответственно, которые через герметичные разъемы 19 и 20, соответственно, связаны с блоком 3 клапанов. На герметичном корпусе 1 также расположены вентили 21 и 22, один из которых предназначен для заправки герметичного корпуса 1 газом-носителем, а другой является вспомогательным.
В герметичном корпусе также расположен электронный блок управления и связи (на чертежах не показан), который выполнен в виде блока управления на базе микропроцессора. Микропроцессор соединен через общий внутренний интерфейс с периферийными блоками управления (на чертежах не показаны) насоса 4 газа-носителя, блока 3 клапанов, аналитических хроматографических колонок 8, 9 и 10 и детекторов 6 и 7, а также с датчиками 14, 15 и 16 давления, а через внешний интерфейс - с ЭВМ. Для связи микропроцессора с ЭВМ, а также для подвода электрического питания на герметичном резервуаре 1 закреплен узел 23 ввода кабелей 24 (фиг.3). Узел 23 ввода выполнен в виде центральной съемной части цилиндрической формы и соединен с кожухом с образованием взрывонепроницаемых щелей заданной максимальной ширины и минимальной длины. Кабели 24 связи с ЭВМ и электропитания введены через втулки 25 и 26 узла 23 ввода кабелей и электрически подключены с помощью клеммных соединителей 27.
Блок 3 клапанов выполнен многопозиционным и состоит из системы клапанов К1-К9 (фиг.2).
Каждая хроматографическая колонка 8, 9 и 10, как и форколонка 13, выполнены в виде микронасадочной хроматермографической колонки, снабженной нагревательными элементами (на чертежах не показаны) в виде коаксиальных намоток со слоем высокотемпературного клея, размещенных по всей длине колонки, и датчиками температуры, установленными на концах колонки (на чертежах не показаны).
Каждый из детекторов 6 и 7 выполнен в виде микрокатарометра с одной измерительной ячейкой, содержащей датчик температуры и нагревательный элемент корпуса детектора (на чертежах не показаны), размещенными на внутренних поверхностях ячейки детектора 18.
Соединительные трубопроводы, показанные на фиг.2 сплошными линиями, выполнены из пластичного, химически инертного материала, например, фторопласта.
Принцип действия хроматографа основан на дискретном вводе пробы в поток газа-носителя, разделении компонентов пробы на слое сорбента в хроматермографической колонке и преобразовании вещественного сигнала выходящих из колонки компонентов в электрический сигнал детектором.
Подключение к анализируемой пробе, ввод пробы в тот или иной аналитический контур и другая коммутация газовых потоков осуществляется блоком 3 клапанов, объединяющего девять клапанов, имеющих общий коммутирующий элемент - перфорированную металлическую ленту.
Поток газа-носителя формируется насосом 4 газа-носителя.
Технологический цикл анализа в типичном случае включает следующие стадии, задаваемые работой внутренних элементов хроматографа:
- выход на тепловой режим, установка исходных температур соответствующих элементов при подключении питания;
- заправка насоса 4 газа-носителя;
- отбор пробы посредством пробоотборного насоса 5;
- подача газа-носителя с программируемой скоростью или давлением в аналитический контур насосом 4 через клапан К3 или К4 (в зависимости от используемого режима деления компонентов);
- компрессия газа-носителя;
- ввод пробы, при этом газ-носитель через клапан К8 и клапан К2 или К6 (в зависимости от используемого режима деления компонентов) переносит пробу либо в аналитическую хроматографическую колонку 8, либо в колонки 9 и 10. Длительность ввода определяется программой таким образом, чтобы предотвратить шлейф пробы;
- разделение пробы, осуществляемое в аналитических колонках. Вид колонок, сорбент, схема соединения колонок определяются конкретными требованиями к анализу. Базовый вариант - возможность разделения либо на колонке 8, 13, либо на последовательно соединенных колонках 9 и 10;
- анализ на детекторе 7 или 8 (в зависимости от конкретных требований к анализу). Из детектора газ-носитель поступает во второй поглотительный патрон 12, где очищается от компонентов пробы и поступает во внутреннее пространство резервуара 1;
- завершение анализа, при этом насос 4 газа-носителя через клапан К7 заправляется газом носителем из внутреннего пространства резервуара через первый поглотительный патрон 11, где происходит дополнительная очистка газа на адсорбенте, а через клапан К1 происходит сброс пробы, оставшейся в насосе 4 газа-носителя, в дренаж.
Управление всеми процессами осуществляется автоматически посредством ПЭВМ. Функции оператора по управлению хроматографом сводятся к заданию номера исполняемой методики, количества выполняемых анализов и временного графика выполнения анализов.
Результаты анализов сохраняются в ПЭВМ в форме протоколов, содержащих сведения о методике, дате и времени выполнения анализа и результаты анализа - наименования компонентов и их концентрации.