ПРОМЫШЛЕННЫЙ ГАЗОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ

Предлагаемая полезная модель относится к приборам для анализа состава веществ, а именно к промышленным взрывозащищенным газовым хроматографам, предназначенным для качественного и количественного анализа состава технологических газовых сред на потоке и/или в организованных газовых выбросах промышленных предприятий, и может быть использована на предприятиях топливно-энергетического комплекса, нефтяных и газовых промыслах, а также 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 (Патент РФ №2073862, G 01 N 30/60, 1997 г. БИ №4), состоящий из герметичного резервуара с газом-носителем 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 и электронный блок. Соединение в указанном хроматографе внешних кабельных вводов связи с ЭВМ и питания хроматографа непосредственно с резервуаром с газом-носителем может вызвать искрение при подключении электропитания к хроматографу и,
следовательно, привести к увеличению вероятности проникновения взрыва в атмосферу сквозь щели соединений, что снижает взрывозащищенность данного хроматографа и ограничивает области его возможного применения.
Известен также ближайший по конструктивному выполнению, технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому хроматографу промышленный газовый хроматограф (патент на полезную модель №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, принятый за прототип, 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 взрывонепроницаемую оболочку и создания щелевой взрывозащиты в местах сопряжения последней с резервуаром газа-носителя. Однако, известный промышленный газовый хроматограф-прототип имеет некоторые недостатки: 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. Колонки с большим пневматическим сопротивлением ограничивают скорость потока газа-носителя и, соответственно скорость анализа. Кроме того, применение повышенных давлений в системе снижает техническую надежность хроматографа.
Задачами, на решение которых направлена настоящая полезная модель являются обеспечение анализа проб более сложного состава, увеличение межрегламентного ресурса, повышение точности измерений и скорости анализа, а также, снижение потребляемой мощности.
Поставленные задачи решаются за счет достижения технического результата, заключающегося в возможности сепарации пробы исходного состава на легкую и тяжелую группы, а также снижения рабочего давления и пневматического сопротивления системы хроматографических колонок.
Данный технический результат достигается тем, что в промышленном газовом хроматографе, состоящем из герметичного резервуара с газом-носителем содержащем 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 второй поглотительный фильтр, электронный блок, выполненный в виде блока управления на базе микропроцессора, узел ввода кабелей питания и связи с ЭВМ, выполненный в виде взрывонепроницаемой оболочки и соединенный с резервуаром с газом-носителем с образованием взрывонепронипаемых щелей, согласно полезной модели, в анализаторе блок клапанов содержит дополнительную группу из четырех клапанов, а блок аналитических колонок содержит не менее трех колонок, причем газовые выходы двух дополнительных клапанов соединены с газовыми входами двух аналитических колонок, газовые выходы двух других дополнительных клапанов соединены между собой и с входом третьей аналитической колонки, газовые выходы двух первых аналитических колонок соединены попарно с газовыми входами четырех дополнительных клапанов.
Таким образом, сравнение заявляемого промышленного газового хроматографа с прототипом показало, что он отличается от последнего конструктивным выполнением анализатора и, следовательно, соответствует критерию «новизна». Применение предлагаемого промышленного газового хроматографа для аналитического контроля на нефтегазовых промыслах, на газофракционирующих установках, предприятиях нефтехимической и в других отраслях химической промышленности для контроля газовых сред, особенно, сложного состава, подтверждает, что он соответствует критерию «промышленная применимость».
Схема предлагаемого промышленного газового хроматографа представлена на фигуре.
Предлагаемый промышленный газовый хроматограф содержит герметичный резервуар 1 с газом-носителем, например гелием, во внутреннем объеме которого расположен анализатор 2, вход газа-носителя 3, выход газа-носителя 4, два поглотительных фильтра 5, 6, заполненных адсорбентом, например цеолитом
СаА, насос газа-носителя 7, пробоотборный насос 8 и дозирующий объем 9, а также размещенные в корпусе герметичного резервуара 1 штуцеры отбора 10 и сброса 11 пробы анализируемой среды. При этом анализатор включает блок клапанов 12, содержащий три группы клапанов - группа управления отбором пробы 12.1 с клапанами К1-К3, группа управления газом-носителем 12.2 с клапанами К4-К7 и дополнительная группа 12.3 с клапанами К8-К11. Кроме того, анализатор 2 содержит блок аналитических колонок 13 с аналитическими колонками 13.1, 13.2 и 1.3, блок детектора 14, а также, внутренние соединительные трубопроводы, кабели связи с ЭВМ и электропитания, присоединенные через узел ввода кабелей питания и связи с ЭВМ. Штуцер 10 отбора анализируемой среды соединен входом клапана К3. Вход газа-носителя 3 через поглотительный фильтр 5 соединен с входом клапана К5. Насос газа-носителя 7 соединен с входом клапана К4 и выходом клапана К5. Пробоотборный насос 8 соединен с входом клапана К1 и выходом клапана К2. Выход клапана К1 соединен с штуцером сброса пробы 11. Выход клапана К3 соединен через дозирующий объем 9 с входами клапанов К2, 6, 7. Выход клапана К4 соединен с входом дозирующего объема 9. Выходы клапанов К6, 9 соединены с входом аналитической колонки 13.1. Выходы клапанов К7, 8 соединены с входом аналитической колонки 13.2. Выходы клапанов К10, 11 соединены с входом аналитической колонки 13.3. Выход аналитической колонки 13.1 соединен с входами клапанов К8, 11.
Выход аналитической колонки 13.2 соединен с входами клапанов К9, 10. Выход аналитической колонки 13.3 соединен через блок детектора 14 и поглотительный фильтр 6 с внутренним объемом герметичного корпуса 1. Насосы газа-носителя 7 и пробоотборный 8 - плунжерного типа. Блок клапанов 12 выполнен многопозиционным, согласно авторскому свидетельству СССР №1298547. Аналитические колонки 13 - микронасадочные хроматермографические, согласно авторскому свидетельству СССР №763784. Детектор 14 - микрокатарометр, согласно патенту РФ №2018812. Газовые коммуникации выполнены
2
из гибких капилляров, например трубками Ф-4Д-Э 0.8×0.2. Электронный блок содержит блок управления, выполненный на базе микропроцессора, соединенного с периферийными блоками управления насоса - газа-носителя 7, пробоотборного насоса 8, блока клапанов 12, аналитических колонок 13, блока детектора 14 через внутренний интерфейс типа IC с ЭВМ через интерфейс типа RS485 и/или RS232C.
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 аналитической хроматографической колонке и преобразовании вещественного сигнала выходящих из колонки компонентов в электрический сигнал детектором, их передача на блок управления, который преобразует информацию о концентрации компонентов в условные цифровые отсчеты и передает их на (удаленную) ЭВМ по заданному интерфейсу типа RS484 или RS232C (по выбору). Особенностью данного хроматографа является многократное прохождение компонентов пробы через две аналитических колонки - 13.1 и 13.2 с постепенным уменьшением числа разделяемых компонентов пробы посредством перевода отделившихся легких компонентов в дополнительную аналитическую колонку 13.3.
Данный промышленный газовый хроматограф работает следующим образом.
В исходном состоянии хроматограф через узел ввода кабелей питания и связи с ЭВМ, соединен с источником электроэнергии и управляющей ЭВМ. Герметичный корпус 1 заполнен газом-носителем, например, гелием, под избыточным давлением 0.1 - 1,0 атм. Напряжение питания, например, 220 В, 50 Гц, подано на вход. Штуцер отбора пробы 10 присоединен к источнику анализируемого газа. Штуцер сброса пробы 11 присоединен к линии сброса или нейтрализации. Все клапаны блока клапанов 12 закрыты. Плунжер насоса газа-носителя 7 находится в нижней мертвой точке (пространство в цилиндре над
плунжером заполнено газом-носителем). Плунжер пробоотборного насоса находится в верхней мертвой точке (объем в цилиндре над плунжером равен нулю). Дальнейшие процессы происходят под управлением ЭВМ в соответствии с программой, включающей параметры методики анализа и заданного режима работы. В частности, временная последовательность открытия и закрытия клапанов, динамика работы насосов, температурные режимы хроматермографических колонок.
Отбор пробы:
- открываются клапаны К3 и К2;
- плунжер пробоотборного насоса 8 перемещается к нижней мертвой точке протягивая через дозирующий объем 9 заданный объем анализируемого газа, например, 10-и кратный, обеспечивающий представительность пробы в дозирующем объеме.
Анализ:
- закрываются клапаны К3 и К2;
начинается цикл:
- открываются клапаны К4, 6, 8, 10;
- плунжер насоса газа носителя 7 начинает перемещение к верхней мертвой точке с заданной программой скоростью, создавая поток газа-носителя, который переводит пробу из дозирующего объема 9 в колонки 13.1 и далее, через колонки 13.2 и 13.3 в блок детектора 14 и, через поглотительный фильтр 4, во внутренний объем герметичного корпуса 1;
- через программно задаваемое время, определяемое временем перехода наиболее тяжелого компонента пробы из аналитической колонки 13.1 в аналитическую колонку 13.2, клапаны К6, К8, 10 закрываются, а клапаны К7, 9, 11 открываются. При этом, легкие компоненты пробы, которые успели выйти из колонки 13.2, проходят через колонку 13.3, а в колонке 13.2 остается проба с меньшим числом компонентов которые продолжат делиться в последовательности колонок 13.2-13.1.
Цикл повторяется, пока не будет достигнуто достаточное разделение компонентов пробы. При необходимости процесс разделения интенсифицируется режимами программирования потока газа-носителя и, независимыми для каждой аналитической колонки, режимами программирования температуры и хроматермографическими режимами, параметры которых определяются программно.
Завершение процесса анализа:
- закрываются клапаны К4, 6, 8, 10;
- открывается клапан К1;
- плунжер пробоотборного насоса 8 движется к верхней мертвой точке - происходит сбрасывание находившейся в пробоотборном насосе 8 пробы через штуцер сброса пробы 12 в линию сброса;
- закрывается клапан К1;
- открывается клапан К5;
- плунжер насоса газа-носителя 7 движется к нижней мертвой точке, газ носитель из внутреннего пространства герметичного корпуса через поглотительный фильтр 5 и клапан К5 заполнят цилиндр насоса газа-носителя 7;
- закрывается клапан К5;
- открываются клапаны К4, 6, 8, 10;
- плунжер насоса газа-носителя 7 движется к верхней мертвой точке, газ носитель проходит через дозирующий объем 9, колонки 14.1, 14.2, 14.3, блок детектора 15, связывающие их коммуникации и через поглотительный фильтр 6 возвращается во внутренний объем герметичного корпуса 1 через выход 4. При этом, весь аналитический тракт отдувается от следов пробы проведенного анализа, а примеси поглощаются в поглотительном фильтре 6;
- закрываются клапаны К4, 6, 8, 10;
- открывается клапан К5;
- плунжер насоса газа-носителя 7 движется к нижней мертвой точке, газ носитель из внутреннего пространства герметичного корпуса через поглотительный фильтр 5 и клапан К5 заполнят цилиндр насоса газа-носителя 7;
- закрывается клапан К5.
Хроматограф готов к очередному анализу.
Функции оператора по управлению хроматографом сводятся к заданию номера исполняемой методики, количеству выполняемых анализов и временному графику их выполнения. Результаты анализов сохраняются в ЭВМ в форме протоколов, содержащих сведения о методике, дате и времени выполнения анализа и результаты анализа - наименования компонентов и их концентрации.
Блок управления электронного блока по определенному протоколу по каналу связи с выбранным интерфейсом RS485 или RS232C получает сигналы управления в соответствии с заданной пользователем ЭВМ методикой анализа, анализирует данные от датчиков исполнительных узлов хроматографа, запускает цепочки команд управления узлами и контролирует их исполнение. Кроме того, в процессе разделения компонентов пробы блок управления преобразует информацию о концентрации компонентов в условные цифровые отсчеты и передает их на удаленную ЭВМ.
Таким образом, предлагаемый промышленный газовый хроматограф по сравнению с прототипом позволяет расширить его функциональные возможности за счет обеспечения анализов проб более сложного состава.