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 (Илясов Л.В., Волкова Я.В. Газовый хроматограф. Патент РФ на полезную модель №84123, бюл. №18, 2009), содержащий два стабилизатора расхода газа-носителя с выходными штуцерами, к выходному штуцеру одного из стабилизаторов расхода газа-носителя последовательно по потоку последнего подключен основной дозатор с фиксированным объемом анализируемой среды, испаритель проб жидкой анализируемой среды и хроматографическая колонка, выход которой связан с одним из входов тройника, а выход тройника соединен со 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 сложность его эксплуатации, которая определяется необходимостью определения коэффициента деления пробы анализируемой среды при изменении режима работы хроматографа. Этот коэффициент входит в зависимости, используемые при количественной интерпретации измерительной информации. Он определяется экспериментальным путем с использованием чистых жидкостей или газов.
Проблемой полезной модели является создание газового хроматографа, не требующего при эксплуатации использования чистых жидких или газообразных сред.
Технический результат - создание газового хроматографа, не требующего определение коэффициентов деления пробы анализируемой среды в процессе эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в газовом хроматографе, содержащим два стабилизатора расхода газа-носителя с выходными штуцерами, к выходному штуцеру одного из стабилизаторов расхода газа-носителя последовательно по потоку последнего подключен основной дозатор с фиксированным объемом анализируемой среды, испаритель проб жидкой анализируемой среды и хроматографическая колонка, выход которой связан с одним из входов тройника, а выход тройника соединен со входом газового детектора, согласно полезной модели к выходному штуцеру другого стабилизатора расхода газа-носителя последовательно подключены дополнительный дозатор с изменяемым объемом анализируемой среды и дополнительный испаритель проб жидкой анализируемой среды, а выход дополнительного испарителя жидких проб через капиллярную трубку соединен со вторым входом тройника.
Такое техническое решение обеспечивает возможность установки в условиях завода-изготовителя, выбранных заранее дозируемых объемов анализируемой среды для основного и дополнительного дозаторов. При этом для обеспечения точности количественного хроматографического анализа объем пробы, вводимой с помощью дополнительного дозатора должна быть в три-четыре раза (в зависимости от числа компонентой анализируемой среды) меньшей, чем объем пробы, вводимой основным дозатором. Последнее необходимо для обеспечения работы газового детектора в линейной части статической характеристики при поступлении пробы из линии дополнительного дозатора. Предложенное техническое решение позволяет выполнять анализ газов в тех случаях, когда в хроматографе используется деструктивный детектор или когда статическая характеристика детектора имеет ограниченный диапазон линейности.
Схема газового хроматографа показана на фиг. 1, а на фиг. 2 показана хроматограмма.
Газовый хроматограф содержит два стабилизатора расхода 1 и 2 газа-носителя с выходными штуцерами 3 и 4, к выходному штуцеру одного из стабилизаторов расхода газа-носителя последовательно по потоку последнего подключен основной дозатор 5 с фиксированным дозируемым объемом 6 анализируемой среды, испаритель проб жидкой анализируемой среды 7 и хроматографическая колонка 8, выход которой связан с одним из входов 9 тройника 10, а выход тройника 11 соединен со входом газового детектора 12.
В этом хроматографе к выходному штуцеру другого стабилизатора расхода газа-носителя 2 последовательно подключены дополнительный дозатор 13 с изменяемым дозируемым объемом 14 анализируемой среды и дополнительный испаритель проб жидкой анализируемой среды 15, а выход 16 дополнительного испарителя жидких проб через капиллярную трубку 17 соединен со вторым входом 18 тройника 10.
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.
i
Площади сигналов S этих детекторов могут быть описаны выражением:
i
где: К - коэффициент преобразования; m - масса i-го компонента.
Д
Газовый хроматограф работает следующим образом. С помощью дозаторов 5 и 13 в потоке газа-носителя, создаваемые стабилизаторами расхода 1 и 2, вводятся пробы анализируемой среды. При поступлении этих проб в испарители 7 и 15 пробы преобразуются в пар. Газовая проба или пары жидкой пробы из испарителя 15 транспортируются в капиллярную трубку 17 и через тройник 10 попадает в газовый детектор 12, вызывая его сигнал S (фиг. 2).
i
Газовая проба или пары жидкой пробы из испарителя 7 поступают в хроматографическую колонку, на которой они разделяются на отдельные компоненты. С выхода этой колонки компоненты транспортируются потоком газа через тройник 10 и в газовый детектор 12. При этом формируются сигналы S (фиг. 2), соответствующие отдельным компонентам.
Д
Площадь сигнала S описывается выражением
Д
где m - масса анализируемой среды, поступающая в газовый детектор из вспомогательного дозатора.
Газовая проба или пары жидкой пробы из испарителя 7 транспортируются потоком газа-носителя в хроматографическую колонку 8, и постепенно разделяются на отдельные компоненты. При поступлении отдельных компонентов в газовый детектор 12 возникают импульсные сигнал, площади которых описывается выражением (1), а для суммы площадей всех сигналов можно записать выражение
где  - масса всех n компонентов, поступающих в хроматографическую колонку, равная массе пробы, вводимой на анализ,
O
дозатором 5; S - сумма площадей сигналов, вызванных всеми компонентами анализируемой среды.
O
Д
О
Значение площади S определяется расчетным путем по измеренному значению площади S и установленному на заводе-изготовителе отношению К объемов проб, дозируемых основными и дополнительным дозаторами
где  - постоянный коэффициент, определяемый в заводских
O
Д
условиях, V и V - дозируемые основным и дополнительным дозатором объемы анализируемой среды.
O
Для K справедливо выражение
где ρ - плотность анализируемой среды.
Для отношенияс учетом выражений (1), (2) и (5) можно записать
i
Выражение (6) определяет массовую концентрацию α i-го компонента анализируемой среды. Таким образом, после измерения значений массовая концентрация любого компонента определяется простым выражением
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.
Преимуществами 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.
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.