Устройство для хроматографического разделения смеси газов и паров

 

Изобретение относится к устройствам для разделения смесей газов и паров методом газовой хроматографии. Устройство содержит три хроматографические колонки. Одна из колонок служит для регенерации слоя сорбента от тяжелой фракции смеси, а две другие - для разделения смеси и вывода легкой фракции. Колонки соединены друг с другом переходными каналами. Колонки разделены на секции, каждая из которых заполнена селективным к компонентам разделяемого вещества сорбентом. Ввод газа-носителя осуществляется с первой секции, а отвод - с последней секции по отводному каналу, проходящему через колонку и заполненному слоем неподвижного сорбента. Технический результат данного изобретения выражается в повышении производительности и увеличении чистоты фракций. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для разделения смесей газов и паров методом газовой хроматографии.

Известен хроматограф "Эталон-2" [1], представляющий собой автоматическую установку циклического действия, предназначенную для хроматографического выделения одного целевого продукта. В качестве исходных могут использоваться жидкие смеси с температурами кипения до 250^oC, не изменяющиеся химически под влиянием нагрева и контакта с металлическими частями аппаратуры. Недостатком аналога является использование хроматографических колонок со стационарным слоем сорбента, снижающим эффективность разделения при увеличении диаметра.

Известно устройство для хроматографического разделения бинарных смесей газов и паров [2], 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 в них управляемыми переключающими элементами соединена с источником разделяемой смеси и с системой приемников для сбора фракций. Недостатком известного устройства является использование хроматографических колонок со стационарным слоем сорбента при заданной чистоте выделяемого продукта.

Целью изобретения является повышение производительности и увеличение чистоты фракций.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для хроматографического разделения смеси 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 управляемыми переключающими элементами соединена с источником разделяемой смеси 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 при заполнении сорбентом отводных каналов в колонках.

На фиг.1 представлена принципиальная газовая схема устройства; на фиг.2 - схема перемещения разделяемой смеси вдоль колонок.

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.

В начальный момент поток газа-носителя (w₂), 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 (w₁) сбрасывается в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси. Оставшаяся часть потока (w₂- w₁) проходит через колонки 2 и 3 и с выхода колонки 3 направляется в коллектор 20 для сбора легкой фракции разделяемой смеси.

При установившемся потоке газа-носителя осуществляют импульсный ввод порции разделяемой смеси (см. фиг.2, а) путем кратковременного открывания клапана, установленного на канале, соединяющем вход колонки 3 с коллектором 21. Коллектор 21 заполнен разделяемой газообразной смесью под давлением, превышающим давление газа-носителя в колонке. Введенная порция смеси, подхваченная потоком w₂ газа-носителя, перемещается вдоль слоя сорбента в колонке 3 в направлении выхода потока w₂ газа-носителя. В тот момент времени, когда определенное сечение перемещающейся хроматографической полосы (заштрихованная на схеме зона) пройдет половину длины колонки 3 (см. фиг.2, б), 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 (см. фиг.2, в). В этом положении газ-носитель (поток w₂) подается на вход колонки 2, осуществляя ее регенерацию. Клапан 13 в переходном канале между колонками 1 и 2 перекрывается, а выход колонки 3 подсоединяется ко входу колонки 1. При этом часть потока газа- носителя (w₁) после прохождения через колонку 2 сбрасывается в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси, а остальная часть потока (w₂-w₁) проходит через колонки 3 и 1 и выводится в коллектор 20 для сбора легкой фракции смеси.

w₁ - скорость потока газа-носителя, соответствующая началу псевдоожижения сорбента, w₂- скорость потока газа-носителя, соответствующая концу псевдоожижения сорбента, причем w₂-w₁≥w₁ 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 (w₂ - w₁) газа-носителя. В момент, когда среднее сечение хроматографической полосы пройдет через колонку 3 и начнет переходить колонку 1 (см. фиг.2, в) производят импульсный ввод свежей порции смеси в это сечение. После того как среднее сечение суммарной хроматографической полосы, образованной после двух последовательных вводов порций смеси, пройдет половину длины колонки 1 (см. фиг.2, г), перемещают точки ввода и вывода газа-носителя вдоль колонок на расстояние, равное длине одной колонки (см. фиг.2, д). При этом с помощью клапана 14 перекрывают переходной канал между колонками 2 и 3 и одновременно выход колонки 1 соединяют со входом колонки 2. В этом положении поток газа-носителя (w₂) вводится на вход колонки 3, осуществляя ее регенерацию, и часть w₁ потока выводится с выхода этой колонки в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции смеси, а остальная часть w₂-w₁ потока выходит из колонки 2 в коллектор 20 для сбора легкой фракции смеси.

Таким образом, при каждой фазе цикла прохождения хроматографической полосы через три колонки, в одной из колонок при наибольшей скорости газа-носителя w₂ - 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, а хвост - по тяжелой, 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, производят импульсный ввод свежей порции смеси в переходный канал (см. фиг.2, д).

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 (см. фиг.2, е), перемещают 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 со входом колонки 3, а переходный канал между колонками 1 и 3 перекрывают. В этом положении (см. фиг. 2, а) газ-носитель подают на вход колонки 1, после прохождения через которую часть w₁ потока сбрасывается в коллектор 19 для сбора тяжелой фракции, другая часть w₂-w₁ 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 ввод и вывода газовых потоков в направлении движения хроматографической полосы сопровождается отбором продуктов с концевых частей полосы, обогащенных по разделяемым компонентам.

Например, если схема находится в положении, показанном на фиг.2, е, 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 из положения 2, е в положение 2, а, будет сбрасываться с частью w₁ 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.

Соотношение скоростей частей w₁ и w₂-w₁ потока газа-носителя, выводимых из колонок, выбирается в зависимости от того, какая смесь разделяется. Во всех случаях скорость перемещения задней границы хроматографической полосы в потоке w₂ газа-носителя должна быть больше скорости перемещения передней границы хроматографической полосы в потоке w₂-w₁ и ± w₁.

Устройство (см. фиг.1) содержит также приспособления 22 и 23 для отделения компонентов разделяемой смеси от газа-носителя из газовых потоков, выводимых из коллекторов 19 и 20 для отбора тяжелой и легкой фракций смеси. Отделенный от продукта поток газа-носителя с помощью циркуляционного насоса 24 возвращают в коллектор 18 через регулятор давления 25 и фильтр очистки 26. Разделяемая смесь перед подачей ее в коллектор 21 с помощью нагнетающего устройства 27 вводится в систему 28 для подготовки разделяемой смеси, которая может включать испаритель для испарения жидкости (если разделяемая смесь жидкая) или устройство для нагрева газа до температуры колонки (если разделяемая смесь газообразная). Газовая схема устройства состоит из регуляторов скоростей потоков 29 и 30, устанавливаемых на выходе из коллекторов 19 и 20, регулируемых дросселей 31 и манометра 32 для измерения давления газа-носителя и других элементов, предназначенных для поддержания заданных условий разделения в колонке. Кроме того, с целью компенсации потерь газа-носителя из замкнутой системы устройство снабжено источником 33 газа-носителя, например баллоном со сжатым инертным газом. Поток газа-носителя из источника 33, контролируемый реометром 34, непрерывно подается в устройство, соединяясь с потоком газа-носителя, направляемым с выхода циркуляционного насоса 24.

За счет использования части объема колонки на отводной канал обеспечивается восходящий поток газа-носителя, что дает возможность применения в схеме колонки с псевдоожиженным слоем сорбента (ПС), имеющим более слабую зависимость ВЭТТ от диаметра, более низкое гидравлическое сопротивление в условиях высоких скоростей потока, облегчение теплоотвода от поверхности частицы, возможность использования частиц мелкого зернения, что особенно важно в газо- адсорбционном варианте хроматографического разделения. Использование части объема колонки на отводной канал и заполнение его неподвижным слоем сорбента обеспечивает гомогенизацию потока, увеличивает радиальную диффузию в псевдоожиженном слое сорбента, повышая тем самым эффективность разделения, а, следовательно, и чистоту выделяемых фракций.

Испытания предлагаемого устройства проведены на хроматографе "Эталон - 2" с колонкой диаметром 103 мм, заполненной неподвижным слоем сорбента Силохром С-80 фракции 0,35-0,5 мм и колонке диаметром 103 мм с установленным по оси отводным каналом диаметром 50 мм, в которой зазор между трубками разделялся на секции высотой 60 мм, каждая из которых засыпалась тем же адсорбентом Силохром С-80 фракции 0,35-0,5 мм на высоту 40 мм, обеспечивая расширение сорбционного слоя, а отводной канал засыпался адсорбентом, образуя неподвижный слой. При сравнении сохраняли условия равенства объема адсорбента в колонках. Испытания проводились на модельной смеси, содержащей равные количества гексана и гептана, при температуре испарителя 90^oC, колонки 70^oC, в качестве газа- носителя использовался сухой очищенный воздух.

Эксперименты показали, что при постоянной величине разрешения коэффициенты нагрузки на единицу объема адсорбента, работающего в комбинированном режиме псевдоожижения и неподвижного слоя, на 25% выше, чем в режиме с неподвижным слоем адсорбента.

Источники информации 1. Проспект на "Автоматический препаративный газовый хроматограф Эталон-2" фирмы ОКБА, г. Дзержинск Нижегородской обл., 1968.

2. Авторское свидетельство СССР N 309296, кл. G 01 N 31/08 - прототип.

Формула изобретения

Устройство 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 источником разделяемой смеси и системой приемников для сбора фракций, отличающееся тем, что 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2