|
(21), (22) Заявка: 2004118863/28, 22.06.2004
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
22.06.2004
(43) Дата публикации заявки: 10.12.2005
(46) Опубликовано: 10.07.2006
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
RU 2213958 C2, 10.10.2003. SU 759953, 30.08.1980. SU 697922, 15.11.1979. RU 2014594 C1, 15.06.1994.
Адрес для переписки:
443011, г.Самара, ул. Акад. Павлова, 1, СамГУ, ИАО, Н.С. Комаровой
|
(72) Автор(ы):
Березкин Виктор Григорьевич (RU), Платонов Игорь Артемьевич (RU), Арутюнов Юрий Иванович (RU), Исмагилов Дмитрий Рамазанович (RU), Устюгов Владимир Сергеевич (RU), Милочкин Дмитрий Альбертович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Самарский государственный университет” (RU)
|
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ В ПОТОКЕ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Реферат:
Использование: для создания градуировочных парогазовых смесей при анализе объектов окружающей среды, а также в токсикологических исследованиях. Сущность изобретения: получение постоянных концентраций веществ в потоке газа осуществляется путем последовательного барботажного контакта газового потока с двумя порциями раствора летучих веществ в малолетучем растворителе, причем температура первой порции раствора изменяется в зависимости от концентрации этих веществ в газовом потоке на выходе из второй порции. Устройство для осуществления способа получения постоянных концентраций веществ в потоке газа содержит емкость с исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе и сепаратор с конусным калиброванным капилляром, смеситель с отдельным термостатирующим устройством, установленные в термостатирующем устройстве, анализатор качества, установленный в линии газового потока на выходе сепаратора, сигнал которого поступает в блок регулирования температуры термостарирующим устройством смесителя и управляет его температурой. Технический результат изобретения заключается в увеличении степени извлечения летучих веществ из малолетучего растворителя и расширении временного интервала поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
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 окружающей среды и в токсикологических исследованиях, а также в различных производствах, где необходимо создание постоянных во времени концентраций паров летучих веществ в газе-разбавителе.
Известен способ получения парогазовых смесей, при котором поток газа-разбавителя пропускают через раствор с заданной концентрацией летучих веществ в малолетучем растворителе. При этом происходит насыщение газового потока парами летучих веществ до равновесных концентраций в газовой и жидкой фазах. После осуществления контакта газового потока с раствором летучих веществ обедненную летучими веществами часть жидкого раствора непрерывно отделяют от парогазового потока и исходного раствора.
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 раствора летучих веществ, так и потока газа-разбавителя.
Недостатками известного способа и устройства являются значительный расход исходных растворов летучих веществ в малолетучем растворителе, а также отсутствие возможности увеличения времени поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке при заданных количествах летучих веществ в малолетучем растворителе.
Задачей изобретения является увеличение степени извлечения летучих веществ из малолетучего растворителя и расширение временного интервала поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке.
Эта задача решается за счет того, что в способе получения постоянных концентраций веществ в потоке газа, при котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем последовательного барботажного контакта газа-разбавителя и парогазового потока с растворами летучих веществ в малолетучем растворителе, обеспечивающего экстракцию и получение газового потока, насыщенного парами летучих веществ, который дополнительно смешивают с потоком газа-разбавителя, причем экстракцию осуществляют в две ступени, при этом регулируют температуру первой ступени экстракции, которую осуществляют в смесителе в зависимости от концентрации летучих веществ в газовом потоке на выходе из второй ступени экстракции, которую осуществляют в конусном калиброванном капилляре.
Эта задача решается также за счет того, что устройство для получения постоянных концентраций веществ в потоке газа, содержащее емкость, заполненную исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, анализатор качества, смеситель, линию для подвода газа-разбавителя в смеситель, линию для отвода насыщенного летучими веществами газового потока и термостатирующее устройство смесителя, дополнительно содержит термостатируемый сепаратор для отделения парогазовой фазы от капель жидкой фазы, вход которого выполнен в виде конусного калиброванного капилляра и соединен со смесителем, а выход с емкостью, выполненной в виде сообщающихся сосудов со смесителем, а в линии отвода из сепаратора газового потока, насыщенного летучими веществами, установлены анализатор качества, измеряющий концентрацию летучих веществ, и дроссель тонкой регулировки для подачи газа-разбавителя, причем анализатор качества соединен через блок регулирования температуры с термостатирующим устройством смесителя.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в более полном извлечении летучих веществ из исходного раствора в малолетучем растворителе путем изменения температуры в первой порции раствора, в смесителе. При этом значительно увеличивается временной интервал поддержания постоянных концентраций летучих веществ в газовом потоке за счет подпитки жидкого раствора в капилляре термостатируемого сепаратора, являющегося второй ступенью экстракции, необходимым количеством летучих веществ по сигналу датчика анализатора качества, установленного в линии газового потока на выходе сепаратора и управляющего температурой смесителя с помощью блока регулирования температуры.
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 постоянных концентраций веществ в потоке газа. Устройство содержит: емкость 1, заполненную исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, смеситель 2 с отдельным термостатирующим устройством 3, который соединен с выходом емкости 1, линию 4 для подвода газа-разбавителя, линию 5 для отвода насыщенного летучими веществами газового потока, сепаратор 6 с конусным калиброванным капилляром 7 для отделения парогазовой фазы от капель жидкости, вход сепаратора соединен со смесителем 2, а выход с емкостью 1, дроссели тонкой регулировки 8 и 9 на линии 4 для подвода газа-разбавителя, датчик анализатора качества 10, измеряющий концентрацию летучих веществ в газовом потоке на линии 5 и управляющий температурой термостатирующего устройства 3 с помощью блока регулирования температуры 11, и термостатирующее устройство 12, поддерживающее постоянную температуру в сепараторе 6 и емкости 1.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Предварительно готовят весовым или объемным методом раствор заданной концентрации, состоящий из смеси летучих веществ в малолетучей жидкости. Приготовленным раствором заполняют емкость 1 и смеситель 2. После этого при одинаковой температуре в термостатирующих устройствах 3 и 12 на вход смесителя 2 подают газ-разбавитель с помощью вентиля тонкой регулировки 8. После насыщения газа-разбавителя летучими веществами полученная парогазовая смесь с небольшим количеством обедненной летучими веществами жидкой фазы отводится в сепаратор 6, в котором происходит отделение парогазовой фазы от капель жидкой фазы. После попадания жидкой фазы из сепаратора 6 в емкость 1 эквивалентное количество исходного раствора подается в смеситель 2, так как емкость 1 и смеситель 2 являются сообщающимися сосудами.
В конусном калиброванном капилляре 7 происходит накопление капель жидкой фазы, и сепаратор выполняет роль второй ступени экстракции, причем малолетучая жидкая фаза постоянно подпитывается летучими веществами за счет парогазового потока, выходящего из первой ступени экстракции – смесителя 2. По мере расхода летучих веществ в емкости 1 их концентрация в линии 5, измеряемая анализатором качества 10, поддерживается постоянной за счет изменения температуры в первой ступени экстракции по сигналу датчика 10, управляющего блоком регулирования температуры 11 термостатирующего устройства 3. При этом изменяется константа распределения в первой ступени экстракции и парогазовая фаза на выходе смесителя насыщается новыми порциями летучих веществ, необходимых для поддержания их постоянной концентрации в линии 5 на выходе термостатируемого сепаратора 6, температура которого поддерживается постоянной термостатирующим устройством 12.
Переход на новое значение концентрации летучих веществ в парогазовой смеси осуществляется путем изменения расхода газа-разбавителя с помощью дросселя тонкой регулировки 9.

где – количество летучего вещества, поступившего из смесителя в сепаратор с объемом газа-разбавителя dVg; – количество летучего вещества, извлекаемого из сепаратора объемом газа-разбавителя dVg; dnL(cn)-dnG(cn) – изменение количества летучего вещества в жидкой и газовой фазах в сепараторе, при этом – константа распределения летучего вещества между жидкой и газовой фазами (константа фазового распределения жидкость-пар при T=const); dVg=F·d – объем газа-разбавителя; F – объемная скорость газа-разбавителя; d – время пропускания объема газа-разбавителя dVg.
Уравнение (1) можно представить как

где – константа сепаратора.
Причем для смесителя поскольку в него поступает чистый инертный газ-разбавитель.
Экспериментальная оценка выполнения предлагаемого и известного способов получения постоянных концентраций летучих веществ в потоке инертного газа азота проводилась на примере получения парогазовых смесей с постоянными концентрациями во времени для бензола с концентрацией при 20°С =24,51±5% мкг/см3, н-гептана с =9,91±5% мкг/см3 и толуола =7,75±5% мкг/см3. При этом расход азота был равен F=12 см3/мин, а температура в последней ступени экстракции Т=20°С.
Исходная концентрация каждого из летучих веществ в растворе малолетучего растворителя тридекане взята для двух сравниваемых способов одинаковой по 20 мг/см3, также одинаковым в экспериментах выбран общий объем раствора летучих веществ в тридекане, равный 80 см3.
В известном способе поток азота насыщали до заданных равновесных концентраций при 20°С путем последовательного барботажного контакта азота с двумя порциями раствора летучих веществ в тридекане, причем объемы этих растворов приняты одинаковыми и равными 40 см3 каждый. При этом в первом барботере концентрация каждого летучего вещества составляла по 21,4 мг/см3, а во втором – по 18,6 мг/см3 и парогазовый поток из первого барботера подпитывал раствор второго барботера новыми порциями летучих веществ для получения их равновесных концентраций в потоке азота на выходе их второго барботера в диапазоне ±5% при Т=20°С.
В предлагаемом способе роль первого барботера играет смеситель 2, температура которого не постоянная и устанавливается в зависимости от сигнала анализатора качества 10. Роль второго барботера или второй ступени экстракции играет конусный калиброванный капилляр 7 сепаратора 6. Температурный режим сепаратора 6 и емкости 1 с исходным раствором летучих веществ в тридекане изотермический при Т=20°С. Парогазовый поток из смесителя постоянно подпитывает жидкую фазу в капилляре 7 необходимым количеством летучих веществ, чтобы обеспечить постоянство их концентраций в потоке азота из сепаратора в диапазоне ±5%. При этом происходит более полное извлечение летучих веществ и значительно увеличивается время поддержания постоянной концентрации в парогазовой смеси, так как в зависимости от этой концентрации по сигналу датчика 10 повышается температура в смесителе 2 и уменьшается константа распределения. Одновременно с этим повышается концентрация летучих веществ в потоке азота на выходе смесителя, т.е. происходит более полное дополнительное по сравнению с Т=20°С извлечение летучих веществ из раствора.
Пример 1. Температура в смесителе изменялась от 20 до 60°С. При этом измерялись время поддержания равновесной концентрации летучих компонентов в парогазовой смеси на выходе сепаратора 60 (мин) при достижении температуры смесителя 60°С и концентрация летучих веществ, оставшихся в растворе тридекана (мг/см3).
Пример 2. Температура в смесителе изменялась от 20 до 80°С. Измерялись соответственно 80 (мин) и (мг/см3).
Пример 3. Температура в смесителе изменялась от 20 до 105°С. Измерялись соответственно 105 (мин) и (мг/см3).
В таблице 1 приведены результаты экспериментального определения константы распределения исследуемых сорбатов в тридекане при температурах 20, 60, 80 и 105°С известным хроматографическим способом [см. Руководство по газовой хроматографии. Пер. с немец. /Под ред. А.А.Жуховицкого. М.: Мир, 1969. 504 с.].
Таблица 1 |
Экспериментальные значения константы распределения исследуемых сорбатов при различных температурах |
Сорбаты |
КС в тридекане при температурах, °С |
20 |
60 |
80 |
105 |
Бензол |
760 |
152 |
84,7 |
46,6 |
н-Гептан |
1872 |
374,4 |
194,4 |
98,4 |
Толуол |
2461 |
492,3 |
246,8 |
122,7 |
Результаты эксперимента сведены в таблицу 2.
Таблица 2 |
Сравнительные данные экспериментальной проверки известного и предлагаемого способов |
Сорбаты |
, мкг/см3 |
Известный способ |
Предлагаемый способ |
, мкг/см3 |
20, мин |
, мкг/см3 |
60, мин |
, мкг/см3 |
80, мин |
мкг/см3 |
105, мин |
Бензол |
24,5±5% |
17,7 |
13,5 |
3,54 |
67,5 |
1,97 |
121 |
1,08 |
220 |
н-Гептан |
9,91±5% |
17,6 |
33,0 |
6,52 |
165,0 |
1,83 |
317 |
0,93 |
627 |
Толуол |
7,75±5% |
18,1 |
43,0 |
3,62 |
215,0 |
1,81 |
429 |
0,9 |
864 |
Как видно из приведенных в таблице 2 данных, предлагаемый способ обеспечивает значительное повышение времени поддержания постоянных концентраций летучих веществ в парогазовом потоке, при этом более полно извлекаются из раствора тридекана исследуемые сорбаты, т.е. резко уменьшается расход исходного раствора летучих веществ в тридекане для получения их постоянных концентраций в газовом потоке ±5%. Так, для н-гептана при изменении температуры в смесителе от 20 до 105°С время поддержания постоянной концентрации на выходе =9,91±5% увеличилось в 19 раз по сравнению с известным способом. С 33 мин увеличилось до 627 мин за счет того, что примерно в 19 раз увеличилось извлечение н-гептана из раствора в тридекане =0,93 мг/см3, а =17,6 мг/см3 для известного способа.
Этот эффект достигается путем изменения температуры в первой ступени экстракции (смесителе) от 20°С, когда константа распределения н-гептана =1872, до 105°С, когда =98,4, в зависимости от концентрации н-гептана в газовом потоке на выходе второй ступени экстракции (сепараторе) при 20°С.
Дальнейшее повышение температуры в смесителе выше 105°С позволит еще больше извлекать н-гептан и другие летучие вещества из раствора и тем самым еще больше увеличить время поддержания постоянной концентрации в газе на выходе сепаратора ±5%. Однако при температурах выше 105°С начинает существенно повышаться содержание тридекана в парогазовой фазе смесителя, что является нежелательным эффектом при эксплуатации устройства.
Использование предлагаемого способа получения постоянных концентраций веществ в потоке газа и устройства для его осуществления позволяет:
1. Значительно увеличить время поддержания постоянных концентраций летучих веществ в потоке газа-разбавителя за счет изменения температуры в первой ступени экстракции в зависимости от концентрации этих веществ в газовом потоке на выходе из второй ступени экстракции.
2. Сократить расход исходного раствора летучих веществ в малолетучем растворителе для получения одного и того же количества парогазовых смесей с постоянной концентрацией компонентов или индивидуальных летучих веществ в потоке газа-разбавителя за счет изменения константы распределения этих веществ в малолетучем растворителе в первой ступени экстракции.
3. Изменять концентрации летучих веществ в газовых смесях за счет дополнительного разбавления полученного газового потока с концентрацией летучего вещества во второй ступени экстракции ±5% чистым газом-разбавителем в заданном соотношении с помощью дросселя тонкой регулировки.
4. Организовать метрологическое обеспечение газоаналитических и хроматографических измерений при проведении ответственных аналитических и физико-химических исследований.
Формула изобретения
1. Способ получения постоянных концентраций веществ в потоке газа, при котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем последовательного барботажного контакта газа-разбавителя и парогазового потока с растворами летучих веществ в малолетучем растворителе, обеспечивающего экстракцию и получение газового потока, насыщенного парами летучих веществ, который дополнительно смешивают с потоком газа-разбавителя, отличающийся тем, что экстракцию осуществляют в две ступени, при этом регулируют температуру первой ступени экстракции, которую осуществляют в смесителе, в зависимости от концентрации летучих веществ в газовом потоке на выходе из второй ступени экстракции, которую осуществляют в конусном калиброванном капилляре.
2. Устройство для получения постоянных концентраций веществ в потоке газа, содержащее емкость, заполненную исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, анализатор качества, смеситель, линию для подвода газа-разбавителя в смеситель, линию для отвода насыщенного летучими веществами газового потока и термостатирующее устройство смесителя, отличающееся тем, что устройство содержит термостатируемый сепаратор для отделения парогазовой фазы от капель жидкой фазы, вход которого выполнен в виде конусного калиброванного капилляра и соединен со смесителем, а выход – с емкостью, выполненной в виде сообщающихся сосудов со смесителем, а в линии отвода из сепаратора газового потока, насыщенного летучими веществами, установлены анализатор качества, измеряющий концентрацию летучих веществ, и дроссель тонкой регулировки для подачи газа-разбавителя, причем анализатор качества соединен через блок регулирования температуры с термостатирующим устройством смесителя.
РИСУНКИ
|
|