Способ получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2324174:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет" (RU)
Использование: для градуировки газоаналитической аппаратуры и получения градуировочных парогазовых смесей при анализе объектов окружающей среды, а также в токсикологических исследованиях. Способ включает насыщение потока инертного газа летучими соединениями до равновесных концентраций, которое осуществляется путем контакта инертного газа с зернистым слоем неподвижной фазы - твердые адсорбенты или нанесенные на твердые носители малолетучие жидкости. Устройство для осуществления способа согласно изобретению содержит трубчатую проточную систему, заполненную зернистым слоем неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих компонентов. Трубчатая проточная система выполнена, по крайней мере, из трех последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединена с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр по сравнению с последующими. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процессов сорбции и десорбции и упрощение насыщения проточной системы летучими компонентами. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для градуировки газоаналитической аппаратуры, в частности для калибровки газохроматографических детекторов, создания градуировочных парогазовых смесей при разработке методов анализа объектов окружающей среды и в токсикологических исследованиях, а также в различных производствах, где необходимо создание постоянных во времени концентраций летучих веществ в инертном газе-разбавителе.
Известен способ приготовления калибровочных смесей для газовой хроматографии, при котором исходное летучее вещество подают в поток газа-разбавителя путем барботирования части потока газа-разбавителя через неподвижную фазу, представляющую собой малолетучую жидкость, в которой растворено это исходное вещество [см. Панков А.Г., Трубин A.M., Березкин В.Г. и др. Авт.свид. СССР №603898. // Бюл. изобр. №15 от 25.04.78].
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает постоянства микроконцентраций летучих веществ в потоке газа-разбавителя, так как концентрация исходных веществ непрерывно убывает по экспоненциальному закону, что ограничивает область применения данного способа для метрологического обеспечения газоаналитических измерений.
Известны также способ и устройство для получения парогазовых смесей, в которых поток газа-разбавителя пропускают через раствор летучих веществ с фиксированной концентрацией в малолетучей жидкости. Емкость с раствором соединена со смесителем, в который одновременно подается газ-разбавитель. В результате контакта с жидким раствором газовый поток насыщается до равновесных концентраций парами летучих веществ в соответствии с константой распределения при постоянной температуре. После осуществления контакта газового потока с раствором летучих веществ обедненную летучими веществами часть жидкого раствора непрерывно отделяют от парогазового раствора и исходного раствора [см. Березкин В.Г., Буданцева М.Н. Авт. св. СССР №697922. // Бюл. изобр. №42 от 15.11.79].
Недостатками известных способа и устройства являются необходимость использования значительного количества раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, а также недостаточная точность приготовления парогазовых смесей динамическим методом, так как на количество извлекаемых летучих веществ влияет точность поддержания на заданном уровне как параметров потока газа-разбавителя, так и потока жидкого раствора летучих веществ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения постоянных концентраций летучих соединений в потоке газа, в котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем последовательного барботажного контакта газового потока, по крайней мере, с тремя неподвижными порциями раствора с фиксированным содержанием летучих соединений 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 [см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Онучак Л.А., Лепский М.В. Патент РФ №2213958 от 23.11.01. // Бюл. изобр. №28 от 10.10.03.].
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство, содержащее последовательно соединенные блок подготовки инертного газа-носителя, газовый кран-дозатор летучих веществ и термостатированную трубчатую хроматографическую колонку, заполненную зернистым слоем твердого сорбента или неподвижной фазы [см. Приборы для хроматографии. / К.И.Сакодынский, В.В.Бражников, А.Н.Буров и др. М.: «Машиностроение», 1973. С.42-67].
Однако в известных способе и устройстве имеет место значительный расход исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе и сложная операция насыщения сорбента летучими компонентами.
Задачей изобретения является повышение эффективности процессов сорбции и десорбции и упрощение операции насыщения проточной системы летучими компонентами.
Эта задача решается за счет того, что в способе получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов, основанном на равновесном насыщении непрерывно пропускаемого потока инертного газа через изолированную от внешней среды проточную систему, содержащую, по крайней мере, три порции неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих компонентов, причем насыщение потока инертного газа летучими компонентами до равновесных концентраций осуществляют путем контакта инертного газа с зернистым слоем неподвижной фазы, в качестве которой используются твердые модифицированные адсорбенты.
Эта задача решается также за счет того, что в устройстве получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов, содержащем последовательно соединенные блок подготовки инертного газа и термостатированную трубчатую проточную систему, заполненную зернистым слоем неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих компонентов, причем трубчатая система выполнена, по крайней мере, из трех последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединяется с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр по сравнению с последующими.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в более эффективном использовании растворов летучих компонентов за счет значительного увеличения площади поверхности контакта инертного газа с зернистым слоем неподвижной фазы. Кроме того, увеличивается временной интервал поддержания постоянных концентраций летучих компонентов в потоке инертного газа за счет подпитки второй и третьей секций трубчатой проточной системы летучими компонентами из первой секции, имеющей больший диаметр.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Пример конкретного выполнения способа и устройство для его осуществления
На чертеже схематически изображено устройство для получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов. Устройство содержит линию 1 для подвода инертного газа, блок подготовки инертного газа 2, термостат 3 для поддержания постоянной температуры в трубчатой проточной системе, состоящей из последовательно соединенных первой секции 4, имеющей больший диаметр, чем вторая секция 5 и третья секция 6. Длины секций 4, 5 и 6 равны между собой. Выход третьей секции 6 соединен с линией 7 для потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Предварительно насыщают сорбент в трубчатой проточной системе летучими компонентами до равновесных концентраций или до «проскока», когда выравниваются концентрации летучих компонентов на входе и выходе проточной системы. Для этого трубчатую проточную систему продувают парами летучих компонентов до насыщения сорбента. Степень насыщения контролируют газовым хроматографом. После насыщения сорбента летучими компонентами трубчатую проточную систему устанавливают в термостат 3 с определенной температурой и подают инертный газ в линию 1, блок подготовки инертного газа 2 и далее в трубчатую проточную систему 4, 5 и 6 с заданной объемной скоростью. Из секции 6 в линию 7 поступает поток инертного газа, насыщенный летучими компонентами с постоянной концентрацией в соответствии с константой распределения.
Уравнения материального баланса для трубчатой проточной системы, состоящей условно из трех секций 4, 5 и 6, через которые пропускают поток инертного газа-разбавителя, имеют вид [см. Forina М. // Annali di Chimica, 1975. V.65. P.49]:
где 
- количество летучего вещества, поступившего из секции 4 в секцию 5 и из секции 5 в секцию 6 с объемами инертного газа-разбавителя dVG1 и dVG2 соответственно;
- количество летучего вещества, извлекаемого из секции 5 и секции 6 объемами инертного газа-разбавителя dVG1 и dVG2 соответственно;
(dnL(5)-dnG(5) и dnL(6)-dnG(6) - изменение количества летучего вещества в жидкой и газовой фазах в секциях 5 и 6 соответственно, при этом
- константа распределения летучего вещества между жидкой и газовой фазами (константа фазового распределения жидкость-пар при T=const);
dVG=F·dτ - объем газа-разбавителя; F - объемная скорость инертного газа; dτ - время пропускания объема газа-разбавителя dVG.
Экспериментальная оценка выполнения предлагаемого и известного способов получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов проводилась на примере получения парогазовых смесей с постоянными концентрациями во времени для бензола с концентрацией при 25°С 
=0,24±5% мкг/см3, толуола с концентрацией 
=0,068±5% мкг/см3 и октана 
=0,034±5% мкг/см3. При этом расход инертного газа азота (осч) был равен F=10 см3/мин.
Сравнение известного и предлагаемого способов проводили при одинаковых временах поддержания постоянной концентрации летучих компонентов в потоке инертного газа.
В известном способе поток азота насыщали до заданных равновесных концентраций при 25°С путем последовательного барботажного контакта азота с тремя неподвижными порциями жидкого раствора в каждом барботере по 23 см3 или с учетом плотности сквалана общая масса раствора в трех барботерах Wp=55,8 г. Причем в первом барботере концентрация каждого летучего вещества составляла 0,15 мг/см3, а во втором и третьем барботерах - по 0,12 мг/см3, и парогазовый поток из первого барботера подпитывал растворы второго и третьего барботеров для получения их равновесных концентраций в потоке азота на выходе из третьего барботера в диапазоне СG±5% при T=25°С.
В предлагаемом способе насыщение потока азота летучими компонентами до заданных равновесных концентраций при 25°С осуществляли путем контакта азота с зернистым слоем сорбента. Сорбент изготовляли на основе твердого инертного носителя диатомитового кирпича, модифицированного смолой ПН-15 в количестве 0,5% масс. Зернение твердого носителя 0,2-0,25 мм. На твердый носитель из раствора хлороформа наносили малолетучую жидкость - сквалан в количестве 30% масс., и после удаления растворителя готовый сорбент заполняли в три секции трубчатой проточной системы. Первая секция 4, играющая роль первого барботера, имела внутренний диаметр 16,8 мм и длину 50 мм и обеспечивала необходимую подпитку летучими компонентами, вторая и третья секции трубчатой проточной системы имели внутренний диаметр 15 мм и длину 50 мм. После заполнения сорбентом трубчатую проточную систему кондиционировали при 150°С в термостате 3 в течение 5 часов с расходом азота в системе 10 см3/мин. После кондиционирования секцию 4 трубчатой проточной системы подсоединяли к барботеру Рыхтера, в который помещали 20 см3 смеси летучих компонентов (бензол, толуол, октан), и проводили насыщение сорбента в системе при температуре 25°С со скоростью барботирования азота 20 см3/мин. Насыщение осуществлялось до тех пор, пока концентрация летучих компонентов на выходе из барботера и на выходе из третьей секции 6 не становилась одинаковой. Контроль за концентрацией проводили хроматографическим методом, периодически дозируя пары компонентов краном-дозатором и последующим анализом с использованием пламенно-ионизационного детектора.
Масса сорбента в проточной системе до насыщения 25,73 г, масса сквалана Wp=5,94 г. После насыщения сорбента парами бензола, толуола и октана проводили эксперимент по получению потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов при температуре в термостате 3, равной 25°С. В качестве элюента использовали азот (осч), объемная скорость составляла 10 см3/мин.
Результаты эксперимента представлены в таблице.
| Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов | ||||
| Сорбаты |  , мкг/см3 | Время τ, час | Израсходовано раствора Wp, г. | |
| Известный способ | Предлагаемый способ | |||
| Бензол | 0,240±5% | 10 | 55,8 | 5,94 |
| Толуол | 0,068±5% | 50 | ||
| Октан | 0,034±5% | более 60 |
Как видно из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ обеспечивает более эффективное использование раствора летучих веществ для получения постоянных концентраций летучих компонентов в потоке инертного газа 
при заданном одинаковом времени τ.
Использование предлагаемого способа получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов и устройства для его осуществления позволяет:
1. Сократить расход раствора летучих веществ в малолетучем растворителе для получения одного и того же количества летучих компонентов в потоке инертного газа с постоянными концентрациями за счет повышения эффективности процессов сорбции и десорбции при контакте инертного газа с зернистым слоем сорбента, имеющим значительную площадь поверхности.
2. Существенно упростить операцию насыщения сорбента летучими компонентами, так как исключается необходимость изготовления растворов объемным или весовым методами.
3. Многократно использовать трубчатую проточную систему с сорбентом для получения новых парогазовых смесей путем повторного равновесного насыщения сорбента парами летучих компонентов.
4. Организовать метрологическое обеспечение газоаналитических и хроматографических измерений при проведении ответственных аналитических и физико-химических исследований.
1. Способ получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов, основанный на равновесном насыщении непрерывно пропускаемого потока инертного газа через изолированную от внешней среды проточную систему, содержащую, по крайней мере, три порции неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих компонентов, отличающийся тем, что насыщение потока инертного газа летучими компонентами до равновесных концентраций осуществляют путем контакта инертного газа с зернистым слоем неподвижной фазы, в качестве которой используют твердые модифицированные адсорбенты.
2. Устройство получения потока газа с постоянными концентрациями летучих компонентов, содержащее последовательно соединенные блок подготовки инертного газа и термостатированную трубчатую проточную систему, заполненную зернистым слоем неподвижной фазы с фиксированным количеством летучих компонентов, отличающееся тем, что трубчатая проточная система выполнена, по крайней мере, из трех последовательно соединенных секций одинаковой длины, первая из которых соединена с блоком подготовки инертного газа и имеет больший диаметр по сравнению с последующими.
