Патент на изобретение №2213958

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ МИКРОКОНЦЕНТРАЦИЙ ЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ В ПОТОКЕ ГАЗА

(57) Реферат:

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.

₂, 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.

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.

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, , 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, =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=233=69 см³ для времени =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 =10 ч составит V_p=1,01060=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= 203=60 см³, при =8 ч с поcтоянной концентрацией гептана в азоте. Для известного способа расход жидкого раствора поддерживали на уровне 1,15 см³/мин. При этом для =8 ч израсходовано раствора Vp=1,15860=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= 260+35=75 см³ при =7,0 ч с постоянной концентрацией гептана в газовом потоке. Известный способ проводили при объемной скорости жидкого раствора 1,6 см³/мин, тогда Vp=1,67,060=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