Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа

 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для градуировки газоаналитической аппаратуры. Сущность: газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем барботажного контакта газового потока с раствором летучих соединений в малолетучем растворителе. Насыщение газового потока до равновесной концентрации парами летучего вещества осуществляют последовательным контактом газового потока по крайней мере с тремя неподвижными порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, в которых концентрация летучих веществ в малолетучем растворителе последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной, за исключением первой порции, в которой концентрация летучих веществ выше. Кроме того, в способе получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа концентрация летучих веществ в малолетучем растворителе может быть одинаковой во всех порциях, но объем первой порции должен превышать объем последующих порций, а полученный газовый поток, насыщенный парами летучих веществ, можно разбавлять газом. Технический результат изобретения заключается в повышении точности приготовления газовых смесей динамическим методом, а также в сокращении расходов исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для градуировки газоаналитической аппаратуры, в частности для калибровки газохроматографических детекторов, создания искусственных парогазовых смесей при разработке методов анализа окружающей среды и в производствах, где необходимо создание постоянных во времени концентраций паров веществ в газе-разбавителе.

В 60-х годах был разработан метод [O'Keefe А.Е., Ortman G.G. // Anal. Chem. 1966. V. 38. Р. 760] получения известных микроконцентраций летучих веществ в потоке инертного газа, основанный на диффузии газа через трубку, изготовленную из тефлона. Метод был использован для получения калибровочных смесей с известным содержанием как микропримесей различных газов (например, SO₂, С₄Н₁₀), так и паров летучих веществ (пентана, бензола и др.).

Недостатком данного способа является сложность изготовления ампулы, длительность установления равновесной концентрации вещества в потоке, относительно высокая скорость потока газа-разбавителя.

Известен также способ приготовления калибровочных смесей для газовой хроматографии, при котором исходное летучее вещество подают в поток газа-разбавителя путем барботирования части потока газа-разбавителя через нелетучую жидкость, в которой растворено это исходное вещество [Панков А.Г., Трубин А. М. , Березкин В. Г. и др. Авт. свид. СССР 603898. // Бюл. изобр. 15 от 25.04.78].

Однако известный способ не обеспечивает постоянства микроконцентраций летучих соединений в потоке газа-разбавителя, так как концентрация исходных веществ непрерывно убывает по экспоненциальному закону, что ограничивает область применения данного метода для метрологического обеспечения газоаналитических измерений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения парогазовых смесей путем пропускания потока газа-разбавителя через раствор с заданной концентрацией летучих веществ в малолетучем растворителе. При этом происходит насыщение газового потока парами летучих веществ до равновесных концентраций. После осуществления контакта газового потока с раствором летучих веществ обедненную летучими веществами часть жидкого раствора непрерывно отделяют от парогазового потока и исходного раствора [Березкин В.Г., Буданцева М.Н. Авт. свид. СССР. 697922 // Бюл. изобр. 42 от 15.11.79].

Недостатком известного способа является необходимость использования значительного количества раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, а также недостаточная точность приготовления парогазовых смесей динамическим методом. Важно отметить, что на количество извлекаемого летучего компонента влияет точность поддержания на заданном уровне как параметров потока раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, так и потока газа-разбавителя.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности приготовления газовых смесей динамическим методом, а также сокращение расходов исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа, в котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем барботажного контакта газового потока с раствором летучих соединений в малолетучем растворителе, насыщение газового потока до равновесной концентрации парами летучих веществ осуществляют последовательным контактом газового потока по крайней мере с тремя неподвижными порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, в которых концентрация летучих веществ в малолетучем растворителе последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной, за исключением первой порции, в которой концентрация летучих веществ выше.

Кроме того, в способе получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа объем первой порции превышает объем последующих, а полученный газовый поток, насыщенный парами летучих веществ, смешивают с потоком газа, не содержащего целевые компоненты.

При решении поставленной задачи создается технический результат, который заключается в насыщении потока газа-разбавителя парами летучих веществ до равновесной концентрации путем последовательного барботажного контакта газового потока по крайней мере с тремя неподвижными порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, концентрация которых последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной за исключением первой порции раствора, в которой концентрация летучих веществ выше, что позволяет значительно уменьшить расход раствора летучих веществ в малолетучем растворителе и повысить точность приготовления газовых смесей динамическим методом.

Предлагаемый способ поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства для получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа, где 1 - блок подготовки газа, 2 - линия газа-разбавителя, 3, 4, 5 - последовательно соединенные барботеры, 6 - линия газа для дополнительного разбавления насыщенного парами летучих веществ газового потока, 7 - дроссели, 8 - линия полученной газовой смеси. На фиг. 2 - экспериментальные зависимости концентраций летучих веществ в газовом потоке от времени, где 1 - гептан; 2 - толуол; 3 - этилбензол. На фиг. 3 - экспериментальная зависимость концентрации гептана в газовом потоке от времени.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно готовят весовым или объемным методом несколько растворов заданной концентрации, состоящих из смеси или индивидуальных летучих соединений в малолетучей жидкости. Заполняют ими барботеры 3, 4 и 5, причем концентрация летучих соединений в первом барботере 3 больше, чем в барботерах 4 и 5, или объем раствора в барботере 3 больше, чем в последующих барботерах при одинаковой концентрации летучих соединений в малолетучей жидкости во всех барботерах. После этого при термостатировании (температура в термостате 25^oС) пропускают через последовательно соединенные барботеры поток газа-разбавителя (азота) с постоянной скоростью F=50 см³/мин, который можно разбавлять до заданной концентрации в газовой линии 8, изменяя соотношение потоков в газовых линиях 2 и 6 с помощью дросселей 7. После вытеснения первоначальной газовой среды из барботеров в системе устанавливается равновесный газовый поток с постоянной концентрацией летучих соединений, который можно использовать в точных аналитических и физико-химических исследованиях, а также для метрологического обеспечения газоаналитических и хроматографических измерений.

Уравнение материального баланса для процесса переноса объема газа dV_Gиз сосуда (n-1) с концентрацией i-го летучего компонента, равной C_G(n-1) в сосуд n с концентрацией i-го компонента С_G(n) можно представить в виде (C_G(n-1)-C_G(n))dV_G=(V_G(n)+K_cV_L(n))dC_G(n), где - константа распределения i-го компонента между подвижной (газовой) и неподвижной (жидкой) фазами; V_G(n) и V_L(n) - объемы газовой и жидкой фаз в сосуде n соответственно.

Экспериментальная оценка выполнения предлагаемого и известного способов получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа проводилась по результатам сравнения приготовления газовых смесей динамическим методом на трех примерах. При этом определяли следующие характеристики и параметры: - количество израсходованного раствора летучих соединений в малолетучем растворителе V_p, см³ для получения постоянной концентрации этих веществ в потоке газа-разбавителя на выходе в течение одного и того же времени, τ, ч; - среднюю концентрацию летучих соединений в газовом потоке по результатам не менее n=10 замеров.

где С_i - концентрация летучих соединений в газовом потоке i-го единичного измерения.

При этом для получения одинаковых концентраций С_cр по известному и предлагаемому способам изменяли объемную скорость подвижной жидкой фазы (раствор летучих соединений в малолетучем растворителе) в представленных примерах; - относительное СКО среднего арифметического результата измерения, S_r

- относительную ошибку результата измерения или доверительный интервал измерения С_cр при Р=0,95 и f=n-1, в процентах, Δ=S_r-t(P,f)•100,
где t(P,f) - коэффициент нормированных отклонений Стъюдента.

Пример 1. Заполняют первый барботер 3 раствором, содержащим по 2,5 об.% гептана, толуола и этилбензола в тридекане, а барботеры 4 и 5 - раствором, содержащим по 2 об.% гептана, толуола и этилбензола в тридекане. Количество раствора в каждом барботере 23 см³. Общее количество израсходованного раствора составило Vp=23•3=69 см³ для времени τ=10 ч с постоянной концентрацией летучих соединений в потоке газа. Для известного способа при расходе жидкого раствора 1,0 см³/мин количество израсходованного раствора для τ=10 ч составит V_p=1,0•10•60=600 см³.

В качестве иллюстрации на фиг.2 приведены экспериментальные зависимости концентрации летучих веществ в газовом потоке от времени барботажного контакта газа-разбавителя с раствором, полученные по предлагаемому способу. Концентрация этилбензола более чем в три раза меньше концентрации гептана, что вызвано различными значениями константы распределения К_{c(этилб ензола)}>К_{(гепгана)}
Пример 2. Заполняют по 20 см³ в каждый из трех барботеров следующие растворы индивидуального летучего вещества. Барботер 3 - 2,6 об.%, барботер 4 - 2,3 об.%, барботер 5 - 2,0 об.% гептана в вазелиновом масле соответственно. Количество израсходованного раствора V_p= 20•3=60 см³, при τ=8 ч с поcтоянной концентрацией гептана в азоте. Для известного способа расход жидкого раствора поддерживали на уровне 1,15 см³/мин. При этом для τ=8 ч израсходовано раствора Vp=1,15•8•60=552 см³.

На фиг.3 показана полученная по предлагаемому способу экспериментальная зависимость концентрации гептана в газовом потоке от времени.

Пример 3. Заполняют 35 см³ в барботер 3, а в барботеры 4 и 5 по 20 см³ раствора гептана в тридекане с одинаковой концентрацией 2,0 об.%. Количество израсходованного раствора Vp= 2•60+35=75 см³ при τ=7,0 ч с постоянной концентрацией гептана в газовом потоке. Известный способ проводили при объемной скорости жидкого раствора 1,6 см³/мин, тогда Vp=1,6•7,0•60=672 см³.

Результаты экспериментов по примерам 1, 2 и 3 сведены в таблицу "Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способа".

Из приведенных в таблице данных видно, что предлагаемый способ обеспечивает получение постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа при значительно меньшем количестве исходного раствора V_p, в среднем более чем в 8-9 раз, а для этилбензола - в 26,1 раза. Кроме того, обеспечивается повышение точности изготавливаемых концентраций летучих веществ более чем в 3 раза, а для примера 2 погрешность уменьшается в ≈15 раз. Это объясняется заменой в предлагаемом способе двух подвижных газовой и жидкой фаз на систему, состоящую из нескольких порций неподвижного раствора летучих соединений в малолетучем растворителе, через которые последовательно барботируют газовый поток.

Использование предлагаемого способа получения постоянных концентраций летучих соединений в потоке газа позволяет:
1. Повысить точность получаемых концентраций летучих веществ в потоке газа-разбавителя за счет более качественного установления равновесия в зоне барботажного контакта потока газа с жидким раствором летучих соединений в малолетучем растворителе.

2. Значительно сократить расход исходного раствора для получения одного и того же количества газовых смесей с постоянной концентрацией компонентов или индивидуальных летучих веществ в потоке газа за счет последовательного контакта газового потока с неподвижными порциями жидкого раствора.

3. Организовать метрологическое обеспечение газоаналитических и хроматографических измерений при проведении точных аналитических и физико-химических исследований.

Формула изобретения

1. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа, в котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем барботажного контакта газового потока с раствором летучих соединений в малолетучем растворителе, отличающийся тем, что насыщение газового потока до равновесной концентрации парами летучего вещества осуществляют последовательным контактом газового потока, по крайней мере, с тремя неподвижными порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе.

2. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа по п. 1, отличающийся тем, что концентрация летучих веществ в малолетучем растворителе последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной, за исключением первой порции, в которой концентрация летучих веществ выше.

3. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа по п. 1, отличающийся тем, что объем первой порции превышает объем последующих.

4. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа по пп.1-3, отличающийся тем, что полученный газовый поток, насыщенный парами летучих веществ, смешивают с потоком газа, не содержащего целевые компоненты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4