ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к хроматографическим анализаторам состава газообразных и жидких сред.
Известен газовый хроматограф (Столяров Б.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. - М.: Химия, 1978 - С. 12), содержащий стабилизатор расхода газа-носителя, к выходному штуцеру которого последовательно по потоку последнего подключены дозатор, испаритель пробы жидкой анализируемой среды, хроматографическая колонка и газовый детектор, причем испаритель и вход хроматографической колонки, а также выход этой колонки и вход детектора соединены капиллярными линиями.
В процессе анализа постоянная по объему проба анализируемой среды вводится дозатором в хроматографическую колонку. Причем, проба жидкой анализируемой среды предварительно испаряется. Поступившая в хроматографическую колонку в газовой фазе многокомпонентная анализируемая среда транспортируется через нее газом-носителем и разделяется на отдельные компоненты, которые, поступая в газовый детектор, вызывают его сигнал. Этот сигнал используется для получения информации о составе анализируемой газообразной или жидкой среды.
Недостатком данного газового хроматографа является низкая точность получения измерительной информации о концентрации компонентов при анализе состава жидких сред, определяемая тем, что при изменении состава анализируемой среды изменяется объем паров этой среды после испарения, что существенно осложняет анализ и требует для проведения корректных расчетов получения полной хроматограммы анализируемой среды, но даже в этом случае позволяет получить информацию о концентрациях компонентов только в газовой фазе. В тех случаях, когда получение полной хроматограммы не представляется возможным, определение концентрации компонентов может быть выполнено лишь приближенно даже после проведения абсолютной калибровки газового хроматографа.
Наиболее близким по технической сущности решением является газовый хроматограф (патент РФ 84123 U1, 27.06.2009), содержащий стабилизатор расхода газа-носителя, снабженный выходным штуцером, последовательное соединение дозатора, снабженного входным штуцером, испарителя жидких сред, хроматографической колонки и газового детектора, у которого выход испарителя и вход хроматографической колонки, а также выход этой колонки и вход газового детектора соединены капиллярными трубками, переменный дроссель с входным и выходным штуцерами и тройник, причем, переменный дроссель через входной штуцер подключен к капиллярной трубке, соединяющей испаритель с входом хроматографической колонки, а выходной штуцер этого дросселя через тройник подключен к капиллярной трубке, соединяющий выход хроматографической колонки с входом газового детектора.
В процессе анализа проба анализируемой среды вводится в поток газа-носителя дозатором, причем проба жидкой среды перед поступлением в хроматографическую колонку предварительно испаряется. Газовая проба или пары жидкой пробы транспортируются потоком газа-носителя в хроматографическую колонку и в переменный дроссель, степень Открытия которого выбирается при настройке хроматографа. Одна часть пробы, находящаяся в газообразном состоянии, после прохождения дросселя поступает в тройник, подхватывается потоком газа-носителя, выходящим из дополнительного стабилизатора расхода, и транспортируется в газовый детектор, вызывая первый импульсный сигнал, площадь которого пропорциональна массе пробы анализируемой среды. Вторая часть пробы разделяется на хроматографической колонке на отдельные компоненты, а импульсные сигналы газового детектора, возникающие при этом, несут информацию о массах отдельных компонентах анализируемой среды. По полученным сигналам вычисляются массовые концентрации отдельных компонентов.
Недостатком такого газового хроматографа является возможность изменения чувствительности (коэффициента преобразования) его детектора, связанная с погрешностью поддержания расходов потоков газа-носителя, поступающих от стабилизаторов расхода, которая, в конечном итоге, приводит к увеличению погрешности получения измерительной информации о концентрациях компонентов при хроматографическом анализе.
Задачей полезной модели является создание газового хроматографа, у которого коэффициент преобразования детектора инвариантен к изменениям расхода потоков газа-носителя.
Техническим результатом является увеличение точности газового хроматографического анализа состава газообразных и жидких многокомпонентных сред.
Технический результат достигается тем, что газовый хроматограф, содержащий стабилизатор расхода газа-носителя, снабженный выходным штуцером, последовательное соединение дозатора, снабженного входным штуцером, испарителя жидких сред, хроматографической колонки и газового детектора, у которого выход испарителя и вход хроматографической колонки, а также выход этой колонки и вход газового детектора соединены капиллярными трубками, переменный дроссель с входным и выходным штуцерами и тройник, причем, переменный дроссель через входной штуцер подключен к капиллярной трубке, соединяющей испаритель с входом хроматографической колонки, а выходной штуцер этого дросселя через тройник подключен к капиллярной трубке, соединяющий выход хроматографической колонки с входом газового детектора, согласно полезной модели также содержит два дополнительных дросселя и дополнительный тройник, при этом вход дополнительного тройника подключен к выходному штуцеру стабилизатора расхода газа-носителя, а его два выхода соединены с входами дополнительных переменных дросселей, выход одного из которых подключен к тройнику, а выход другого - к входному штуцеру дозатора.
Такая конструкция позволяет подавать газовые потоки в хроматографическую колонку и тройник, соединенный с переменным дросселем, от одного стабилизатора расхода через дополнительный тройник и два дополнительных переменных дросселя. Это практически исключает изменение чувствительности (коэффициента преобразования) газового детектора хроматографа, т.к. возможные погрешности поддержания расхода одним стабилизатором в равной степени сказываются на погрешность поддержания расходов газа-носителя через хроматографическую колонку и через тройник, а это позволяет увеличить точность газохроматографического анализа состава газообразных и жидких сред.
На фиг. 1 представлена схема газового хроматографа; на фиг. 2 - хроматограмма.
Газовый хроматограф содержит стабилизатор расхода газа-носителя 1, снабженный выходным штуцером 2, последовательное соединение дозатора 3, снабженного входным штуцером 4, испарителя жидких сред 5, хроматографической колонки 6 и газового детектора 7, у которого выход испарителя 8 и вход 9 хроматографической колонки» а также выход этой колонки 10 и вход 11 газового детектора 7 соединены с капиллярными трубками 12 и 13, переменный дроссель 14 с входным 15 и выходным 16 штуцерами и тройник 17, причем, переменный дроссель 14 через входной штуцер 15 подключен к капиллярной трубке 12, соединяющей испаритель 5 с входом 9 хроматографической колонки 6, а выходной штуцер 16 этого дросселя через тройник 17 подключен к капиллярной трубке 13, соединяющий выход 10 хроматографической колонки с входом 11 газового детектора 7. Газовый хроматограф также содержит два дополнительных дросселя 18, 19 и дополнительный тройник 20, при этом вход 21 дополнительного тройника 20 подключен к выходному штуцеру 2 стабилизатора расхода газа-носителя 1, а его два выхода соединены с входами 22и 23 дополнительных переменных дросселей 18 и 19. Выход 24 переменного дросселя 19 подключен к тройнику 17, а выход 25 переменного дросселя 18 подключен к входному штуцеру 4 дозатора 3. Все элементы газового хроматографа расположены в термостате 26. В качестве газового детектора в хроматографе используются: пламенный ионизационный детектор (Фарзане Н.Г. и др. «Автоматические детекторы газов и жидкостей» - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 70-72) или мультипеллисторный термохимический детектор (Илясов Л.В. патент на полезную модель РФ №184021 Термохимический детектор газов, Бюл. 29, 2018). Эти детекторы чувствительны к молекулярной массе, а, следовательно, к плотности в газовой фазе и массе детектируемых веществ. Площади сигналов этих детекторов могут быть описаны выражением:
где: К - коэффициент преобразования;
i
m - масса i-го компонента.
Работа газового хроматографа происходит следующим образом
a
С помощью дозатора 3 в поток газа-носителя, создаваемого стабилизатором расхода 1, вводится проба анализируемой среды. Проба жидкой анализируемой среды при поступлении в испаритель 5 превращается в пар. Газовая проба или пары жидкой пробы транспортируются потоком газа-носителя в хроматографическую колонку 6 и переменный дроссель 14, степень открытия которого выбирается при настройке хроматографа. Одна часть пробы, находящейся в газообразном состоянии, после прохождения дросселя 14 поступает в тройник 17, подхватывается потоком газа-носителя, выходящим из дополнительного дросселя 19, и транспортируется в газовый детектор 7, который вырабатывает первый импульсный сигнал (см. фиг. 2). Площадь этого сигнала S описывается выражением:
d
где: K - коэффициент деления делителя потока, составленного из хроматографической колонки 6 и переменного дросселя 14;
m - масса пробы анализируемой среды.
Вторая часть пробы, находящаяся в газообразном состоянии, поступает в хроматографическую колонку 6, где за счет многократного повторения актов сорбции и десорбции, происходящих на сорбенте, заполняющим колонку 6, постепенно разделяются на отдельные компоненты.
При поступлении отдельных компонентов в газовый детектор 7 возникают импульсные сигналы (см. фиг. 2), площади которых описываются выражением (1).
После завершения анализа массовая концентрация любого компонента определяется следующим образом. Используя выражения (1) и (2), можно записать:
i
где: α - массовая концентрация i-го компонента с анализируемой среды.
Из выражения (3) находим:
Для определения значения коэффициента для принятой схемы и режима работы газового хроматографа проводят анализ эталонного газообразного или жидкого вещества, а затем из отношения:
э
где: S - площадь сигнала эталонного вещества, создаваемого его массой, поступающей в детектор из хроматографической колонки 6;
эа
S - площадь сигнала эталонного вещества, создаваемого его массой, поступающей в детектор из переменного дросселя 14.
d
Коэффициент К при этом определяется из выражения:
Используя выражения (4) и (6), находим:
Как следует из выражения (7), предлагаемый газовый хроматограф позволяет определять массовые концентрации компонентов газообразных и жидких сред, как при полной, так и при неполной хроматограммах, т.к. выражение (7) справедливо при всех видах хроматограмм.
Преимуществом предлагаемого технического решения являются:
- возможность получения измерительной информации о массовых концентрациях компонентов газообразных и жидких анализируемых сред для любых видов хроматограмм;
- отсутствие необходимости проведения трудоемкой и сложной абсолютной покомпонентной калибровке газового хроматографа;
- исключение необходимости точного дозирования пробы анализируемой среды.
Предлагаемый газовый хроматограф может быть реализован на базе любого стандартного лабораторного или промышленного газового хроматографа и небольшого числа дополнительных элементов, широко применяемых в хроматографической практике.
Предлагаемый газовый хроматограф может найти широкое применение в практике лабораторного и промышленного анализа состава многокомпонентных газообразных и жидких сред.