УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГАЗОВ И ПАРОВ
DEVICE TO CARRY OUT CHROMATOGRAPHIC SEPARATION OF GAS-VAPOURT MIXES

Изобретение относится к устройствам для разделения смеси газов и паров методом газовой хроматографии и может быть использовано при глубокой переработке углеводородного сырья, его крекинге и риформинге.
Известно устройство (1) для хроматографического разделения бинарных смесей газов и паров, содержащее три хроматографические колонки, одна из которых служит для регенерации слоя сорбента от тяжелой фракции смеси, а две другие - для разделения смеси и вывода легкой фракции. Хроматографические колонки соединены друг с другом переходными каналами, в которых установлены переключающие элементы, каждая из колонок дополнительными газовыми каналами с установленными переключающими элементами соединена с источником разделяемой смеси и с системой приемников для сбора фракций. Недостатком устройства (1) является использование хроматографических колонок со стационарным слоем сорбента при заданной чистоте выделяемого продукта.
Известно устройство (2) для хроматографического разделения смеси газов и паров, содержащее три хроматографические колонки, одна из которых служит для регенерации слоя сорбента от тяжелой фракции смеси, а две другие - для разделения смеси и вывода разделяемой фракции, соединенные друг с другом переходными каналами, в которых установлены переключающие элементы. Каждая из колонок дополнительными газовыми каналами с установленными в них управляемыми переключающими элементами соединена с системой дозирования и испарения жидкой пробы разделяемой смеси, состоящей из расходной емкости, нагнетателя, испарителя и нагревателя газа-носителя, и с системой приемников для сбора фракций. Колонки разделены на секции, каждая из которых заполнена селективным к компонентам разделяемого вещества сорбентом, подвижным под напором газа-носителя. Ввод газа-носителя осуществляется с первой секции, а отвод - с последней секции по отводному каналу, проходящему через колонку и заполненному слоем неподвижного сорбента. Устройство может работать в комбинированном режиме с подвижным и неподвижным слоем сорбента.
Устройство (2) является прототипом предлагаемому. Недостаток устройства (2) - перегрузка начальных секций хроматографической колонки за счет тяжелой фракции разделяемой смеси, снижающая ее производительность. Целью изобретения является повышение производительности препаративных хроматографических колонок. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для хроматографического разделения газов и паров, содержащем три хроматографические колонки, одна из которых служит для регенерации слоя сорбента от тяжелой фракции смеси, а две другие - для разделения смеси и вывода разделяемой фракции, соединенные друг с другом переходными каналами, в которых установлены переключающие элементы; каждая из колонок дополнительными газовыми каналами, с установленными в них переключающими элементами соединена с системой дозирования и испарения жидкой пробы разделяемой смеси, состоящей из расходной емкости, нагнетателя, испарителя и нагревателя газа-носителя, а также с системой приемников для сбора фракций, колонки разделены на секции, заполненные селективным к компонентам разделяемого вещества сорбентом, вводимым в первую секцию, а отводимым с последней секции по отводному каналу, проходящему через колонку и заполненному слоем неподвижного сорбента; между нагнетателем и испарителем разделяемого вещества устанавливается активатор сорбционно-десорбционного процесса, осуществляющий деструкцию сложных органических молекул и дистилляцию разделяемого вещества.
Например, в качестве активатора может быть аппарат вихревого слоя (3), имеющий вращающееся электромагнитное поле, в зону действия которого вводиться доза разделяемого вещества и ферромагнитные частицы.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема устройства. Устройство содержит хроматографические колонки 1, 2, 3, разделенными сетками на секции 4, 5, 6, каждая из которых заполнена сорбентом, позволяющем работать в псевдоожиженном режиме, часть сечения колонок в виде отводных каналов 7, 8, 9, с последней секции колонки выводят разделяемую смесь через переходные каналы 10, 11, 12, в которых установлены переключающие элементы, выполненные, например, в виде малогабаритных мембранных клапанов 13, 14, 15, управляемых с помощью сжатого воздуха.
Для подвода и вывода газовых потоков в каждой колонке предусмотрены каналы 16 с управляемыми переключающими элементами 17, например мембранными клапанами.
Регулируемые потоки газа-носителя из сборников фракций 22, 23 объединяются и поступают через коллектор 40 на компрессор 24, проходя очистку в установленных на линии нагнетания 18 фильтрах 26, образуя при этом замкнутую систему рециркуляции газа-носителя. Возможные потери газа-носителя при конденсации выделяемых фракций компенсируются потоком газа из баллона высокого давления 33. Поток газа-носителя из источника 33 регулируется измерителем расхода 34.
Система подготовки и ввода разделяемого вещества содержит дозирующее устройство 27, активатор сорбционно-десорбционного процесса 35, состоящий из индуктора 36, реактора 37, камеры 38, ферромагнитных частиц 39, устройство подготовки 28 разделяемой смеси, который может включать испаритель для жидкости (если разделяемая смесь жидкая) или устройство для нагрева газа до температуры колонки (если разделяемая смесь газообразная).
Установленная на дозирующем устройстве 27 проба разделяемой смеси вводится в регулируемую по объему камеру 38 реактора 37.
Камера 38 предварительно заполнена определенным количеством ферромагнитных частиц. Включается индуктор 36 активатора 35, создавая вращающееся электромагнитное поле. Находящиеся в камере 38 реактора 37 ферромагнитные частицы, совместно с разделяемой смесью начинают вращаться в движущемся электромагнитном потоке, образуя вихревой слой, в котором появляется ряд эффектов: кавитация, электролиз, электродуговые разряды, нагрев, приводящие к деструкции сложных органических молекул и фракционированию разделяемой смеси.
Это позволяет устранить перегрузку начальных секций хроматографической колонки и уменьшить нагрузку на испаритель 28.
2
1
2
1
В начальный момент поток газа-носителя (w), обеспечивающий работу сорбента в псевдоожиженном режиме из общего коллектора 18 подается на вход хроматографической колонки 1, осуществляя ее регенерацию от тяжелой фракции, при этом переходный канал 12 между колонками 1 и 3 перекрыт клапаном 15. С последней секции колонки поток через отводной канал 7 возвращается к началу колонки и часть его (w) сбрасывается в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси. Оставшаяся часть потока (w-w) проходит через колонки 2 и 3 и с выхода колонки 3 направляется в коллектор 20 для сбора легкой фракции разделяемой смеси.
2
2
2
1
2
1
Введенная порция смеси, подхваченная потоком w газа - носителя, перемещается вдоль слоя сорбента в колонке 3 в направлении выхода потока w газа-носителя. В тот момент времени, когда определенное сечение перемещающейся хроматографической полосы пройдет половину длины колонки 3, автоматически переключают клапаны на каналах для подвода и вывода газовых потоков, при этом места ввода и вывода газа-носителя перемещаются вдоль колонок на расстояние, равное длине одной колонки. В этом положении газ-носитель (поток w) подается на вход колонки 2, осуществляя ее регенерацию. Клапан 13 в переходном канале между колонками 1 и 2 перекрывается, а выход колонки 3 подсоединяется к входу колонки 1. При этом часть потока газа-носителя (w) после прохождения через колонку 2 сбрасывается в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси, а остальная часть потока (w-w) проходит через колонки 3 и 1 и выводится в коллектор 20 для сбора легкой фракции смеси.
1
w - скорость потока газа-носителя, соответствующая началу псевдоожижения сорбента.
2
2
1
1
w - скорость потока газа-носителя, соответствующая концу псевдоожижения сорбента, причем w-w≥w.
2
1
2
1
2
1
Хроматографическая полоса, в которой происходит разделение компонентов смеси за счет различия в скоростях перемещения их вдоль слоя сорбента, переходит из колонки 3 в колонку 1 с потоком (w-w) газа-носителя. В момент, когда среднее сечение хроматографической полосы пройдет через колонку 3 и начнет переходить колонку 1, вводят свежую порцию смеси в это сечение. После того как среднее сечение суммарной хроматографической полосы, образованной после двух последовательных вводов порций смеси, пройдет половину длины колонки 1, перемещают точки ввода и вывода газа-носителя вдоль колонок на расстояние, равное длине одной колонки. При этом с помощью клапана 14 перекрывают переходной канал между колонками 2 и 3 и одновременно выход колонки 1 соединяют с входом колонки 2. В этом положении поток газа-носителя (w) вводится на вход колонки 3, осуществляя ее регенерацию, и часть w, потока выводится с выхода этой колонки в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси, а остальная часть w-w, потока выходит из колонки 2 в коллектор 20 для сбора легкой фракции смеси.
2
Таким образом, при каждой фазе цикла прохождения хроматографической полосы через три колонки, в одной из колонок при наибольшей скорости газа-носителя w осуществляется регенерация от тяжелой фракции, а две других служат для разделения смеси и вывода легкой фракции. Хроматографическая полоса, фронт которой обогащен по легкой фракции разделяемой смеси, перемещается в потоке газа-носителя вдоль слоя сорбента и постепенно переходит из колонки 1 в колонку 2. В момент, когда среднее сечение хроматографической полосы, концентрация разделяемых компонентов, в котором близка к концентрации компонентов в исходной смеси, прошло через колонку 1 и начинает переходить в колонку 2, вводят свежую порцию смеси в переходный канал.
1
2
1
Суммарная хроматографическая полоса продолжает перемещаться с потоком газа-носителя из колонки 1 в колонку 2, и в момент, когда среднее сечение ее пройдет половину длины колонки 2, перемешают точки ввода и вывода газовых потоков в направлении перемещения хроматографической полосы на расстояние, равное длине колонки. Одновременно с перемещением точек ввода и вывода газовых потоков выход колонки 2 соединяют с входом колонки 3, а переходный канал между колонками 1 и 3 перекрывают. В этом положении газ-носитель подают на вход колонки 1, после прохождения через которую часть w потока, сбрасывая в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции, другая часть w-w потока проходит через колонки 2 и 3 и выводится с выхода колонки 3 в коллектор для сбора легкой фракции.
Начиная с этого момента, схема возвращается в исходное состояние, и цикл перемещения точек ввода и вывода газовых потоков, а также циклы подпитки хроматографической полосы свежими порциями разделяемой смеси повторяются в описанной последовательности.
Процесс осуществляют без отбора разделяемых компонентов смеси до тех пор, пока длина суммарной хроматографической полосы на слое сорбента в процессе ее циркуляции, сопровождающемся расширением ее, не станет равной длине колонки. Начиная с этого момента каждое перемещение мест ввода и вывода газовых потоков в направлении движения хроматографической полосы сопровождается отбором продуктов с концевых частей полосы, обогащенных по разделяемым компонентам.
1
Например, если схема находится в положении, при котором ширина хроматографической полосы на слое сорбента больше длины колонки, то к этому моменту передняя часть хроматографической полосы, обогащенная по легкому компоненту, пройдет колонку 2 и будет выведена с потоком газа-носителя в коллектор 20 для сбора легкой фракции. Оставшаяся в колонке 1 задняя часть хроматографической полосы, обогащенная по тяжелому компоненту, в следующий момент при перемещении места ввода и вывода газа-носителя будет сбрасываться с частью w потока в коллектор 19.
Время между перемещениями точек ввода и вывода газовых потоков в направлении движения хроматографической полосы равно времени, за которое среднее сечение хроматографической полосы проходит расстояние, равное длине колонки. Оно может быть легко определено из предварительных опытов по периодическому разделению порций смеси. Промежуток времени между моментами перемещения мест ввода и вывода потоком газа-носителя и моментом подачи свежей порции смеси в среднее сечение хроматографической полосы равен половине промежутка времени между двумя последующими перемещениями точек ввода и вывода.
Обработка нефти в вихревом слое увеличивает выход легкокипящих фракций на 20-30% (3), что, естественно, увеличивает производительность процесса хроматографического разделения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №309296, кл. G01 N31/08.
2. Патент №2119159 на изобретение «Устройство для хроматографического разделения смеси газов и паров», заявка 97102466 от 17.02.1997 г. - прототип.
3. Д.Д.Логвиненко, О.П.Шеляков «Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем». Киев, «Техника», 1976 г.