способ получения постоянных концентраций веществ в потоке газа и устройство для его осуществления

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.

Описание изобретения к патенту

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.

Известно также устройство для осуществления этого способа, содержащее емкость с исходным раствором летучих веществ заданной концентрации в малолетучем растворителе, соединенную со смесителем, в который одновременно подается газ-разбавитель. В результате контакта с жидким раствором газовый поток насыщается до равновесных концентраций парами летучих веществ [см. Березкин В.Г., Буданцева М.Н. Способ приготовления парогазовых смесей. Авт. свид. СССР №697922 от 17.05.78 // 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 раствора летучих веществ, так и потока газа-разбавителя.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения постоянных микроконцентраций 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 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, а полученный газовый поток, насыщенный парами летучих веществ до равновесных концентраций, дополнительно смешивают с потоком чистого газа-разбавителя [см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Онучак Л.А., Лепский М.В. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа. Патент РФ №2213958 от 23.11.01 // Бюл. изобр. №28 от 10.10.03].

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для приготовления парогазовых смесей, содержащее емкость со смесью исходного предварительно приготовленного раствора летучего вещества в малолетучем растворителе, термостатируемый смеситель, линию, соединяющую емкость со смесителем, линию для подвода газа-разбавителя в смеситель, линию для отвода полученной парогазовой смеси, линию для отвода обедненного летучим веществом раствора, две попеременно работающие емкости для регенерации отработанного раствора, оборудованных анализаторами качества и регуляторами уровня, регуляторы расхода на линии, соединяющей емкость со смесителем, на линии для подвода газа-разбавителя в смеситель и на линии для подпитки емкости исходным раствором [см. Березкин В.Г., Буданцева М.Н., Воронова Г.Н. Устройство для приготовления парогазовых смесей. Авт. свид. СССР №759953 // Бюл. изобр. №32 от 30.08.80].

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.

Уравнение материального баланса для системы, содержащей смеситель, заполненный раствором летучих веществ в малолетучей жидкости, и сепаратор, через которые пропускают поток инертного газа-разбавителя, имеет вид [см. Forina М. //Annali di Chimica, 1975. V.65. Р.49]

где - количество летучего вещества, поступившего из смесителя в сепаратор с объемом газа-разбавителя dV_g; - количество летучего вещества, извлекаемого из сепаратора объемом газа-разбавителя dV_g; dn_L(cn)-dn _G(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); dV_g=F·d - объем газа-разбавителя; F - объемная скорость газа-разбавителя; d - время пропускания объема газа-разбавителя dV_g .

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/см ³, 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/см ³, 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.