Институт геологии и нефтегазодобычи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт геологии и нефтегазодобычи

 

Кафедра «Автоматизация

и вычислительная техника»

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторной работе “ Изучение принципа действия и устройства хроматографа ”

по дисциплине “Технические измерения и приборы»

для студентов направления 220200 «Автоматизация и управление»

и специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»

 

 

Тюмень 2005

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

 

 

Составитель: к.т.н., доцент Овчинникова В.А.

 

 

© Тюменский государственный нефтегазовый университет

Факультет технической кибернетики

 

Методические указания к лабораторной работе «Изучение принципа действия и устройства хроматографа» по дисциплине «Измерение неэлектрических величин»

Для студентов направления 550000 «Автоматизация и управление»

 

 

Составитель: к.т.н., доцент Овчинникова В.А.

 

 

Подписано к печати Объем______п.л.

Формат 60 84/16 Заказ №

Тираж 10

Печать плоская Бесплатно

Ротапринт Тюм ГНГУ, 625036, Тюмень, Володарского, 38

 

 

 

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ХРОМАТОГРАФИИ

 

 

Хроматографами называют приборы, предназначенные для автоматического анализа многокомпонентных газовых смесей методом хроматографического разделения.

Этот метод состоит в том, что анализируемая смесь разделяется на составляющие компоненты при её принудительном продвижении через слой неподвижной фазы. Метод циклический, обладает высокой разделительной способностью и позволяет производить качественный анализ исследуемой смеси.

Наибольшее распространение для анализа газов получил способ газоадсорбционной хроматографии. Подвижной фазой в ней является газ, а неподвижной – твердое измельченное вещество с большой поверхностью. Разделение компонентов происходит вследствие их различной способности адсорбироваться на поверхности неподвижной твердой фазы.

На рис.1 показана схема газоадсорбционного хроматографического анализа при разделении смеси газов, состоящей из трех компонентов А, Б, В.

 

 

Проба анализируемого газа проталкивается каким-либо инертным газом, называемым носителем, через длинную трубку – разделительную колонку, согнутую, например, в виде буквы U или спирали и заполненную измельченным адсорбентом. Вследствие различной сорбируемости компонентов смеси движение их в колонке замедляется по-разному. Чем больше сорбируемость молекул данного компонента, тем больше их торможение и наоборот. В связи с этим отдельные компоненты смеси продвигаются по колонке с разной скоростью и через некоторое время вперед уйдет компонент А, как более сорбируемый, затем компонент Б и вслед за ним компонент В.

Таким образом, из хроматографической колонки будут последовательно выходить или газ-носитель, или бинарная смесь: газ-носитель + компонент.

При определенных постоянных условиях разделения (температура, расход газа-носителя, свойства адсорбента) время выхода компонента из колонки постоянно и поэтому время выхода является качественным показателем процесса хроматографического анализа.

Результат анализа газовой смеси обычно фиксируется вторичным самопишущим прибором на диаграммной бумаге в прямоугольных координатах. Хроматограмма анализируемой смеси представляет собой кривую с рядом пиков. При этом появление каждого из них характеризует вид компонента смеси, а его площадь – концентрацию данного компонента.

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с принципом действия и устройством хроматографических газоанализаторов и приобретение навыков, необходимых в работе с ними при выполнении анализов газовых смесей.

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ХРОМАТОГРАФ ЛХМ-8МД

 

 

 

 

Приборы серии ЛХМ-8МД сконструированы в блочном исполнении и состоят из следующих блоков:

1. Прибор для регистрации хроматограмм – потенциометр КСП-4

2. Измерительный блок детектора по теплопроводности (ДТ)

3. Блок измерительный для детектора ионизации в пламени (ПИД)

4. Блок программирования температуры в термостате

5. Термостат с испарителем, дозатором, колонками и детектором

6. Блок подготовки газов

7. Дозатор

8. Ручки регулирования расхода газа-носителя

Газ-носитель (воздух) из баллона 1 проходит через осушитель 2 (БПГ) и поступает в кран-дозатор клапанного типа 3. В положении 1 “Отбор” ручка 9 крана-дозатора находится в правом положении, анализируемый газ из баллона 7 проходит через расходомер постоянного перепада 10 и дозирующий объем 4. при этом обе колонки, заполненные сорбентом Полисорб-1 продуваются газом-носителем. Затем дозатор переводится в положение 2. Газ-носитель проходит верез дозирующий объем, подхватывает пробу анализируемого газа и переносит ее в хроматографическую колонку К1, где происходит разделение анализируемого газа на составляющие компоненты, а затем в детектор 5.

На рис.5 приведена электрическая схема хроматографа. Основными элементами схемы являются четыре платиновые нити, свитые в двойную спираль и помещенные в ячейки прямоточного типа, размещенные в корпусе детектора.

Платиновые термосопротивления соединены между собой и образуют неравновесную мостовую схему. Две нити помещены в ячейку, через которую постоянно продувается газ-носитель (сравнительная камера). Две другие нити помещены в рабочий канал. Мост сбалансирован, когда теплопроводность газов в обоих каналах одинакова. Если в рабочем канале появился компонент из анализируемой смеси, теплопроводность газа изменяется, следовательно изменяются температура и сопротивление нитей, что вызовет разбаланс мостовой схемы. Величина разбаланса моста служит мерой концентрации компонента в газе-носителе в данный момент. Выходной сигнал подается на электронный самопишущий потенциометр КСП-4 и через делитель записывается в виде хроматограммы.

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ

 

В результате анализа неизвестной смеси на диаграмме записывается хроматограмма (рис.6). По времени выхода (последовательности) определяют состав смеси: 1 – метан, 2 – этан, 3 – пропан,

4 – бутан.

 

 

Для определения количества (концентрации) каждого компонента необходимо измерить площадь каждого пика (F1 – F4) умножить ее на поправочный коэффициент К (Табл.1).

Суммарная площадь всех пиков будет соответствовать 100 % концентрации. Концентрация каждого компонента пропорциональна площади его пика.

Проверка чувствительности по Портеру:

,

где F_k – площадь пика на хроматограмме в см²,

S_p – чувствительность регистратора в мВ/см,

V_г-н – скорость газа-носителя в мл/мин,

V_л – скорость ленты регистратора в см/мин,

M_k – масса газа в мг, определяемая из расчета, что масса газа, равная в граммах молекулярно-

му весу, занимает объем 22,4 л.

Объем пробы, вводимой на анализ, равен 1 мл.

Эффективность колонки характеризует разделительную способность колонки и определяется величиной эквивалентной теоретической тарелки:

,

где L – длина колонки,

- число теоретических тарелок,

V_д – удерживающий объем в см³,

м – ширина пика у основания в см.

Селективность колонки определяется коэффициентом селективности kc, который может быть выражен как:

,

где м=V_д1/V_д2.

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗА

 

1. С помощью пенного расходомера проверить расход газа-носителя, подаваемого из баллона 1 (давление на входе установить 4 атм.). В случае отличия расхода от нормального (30 мл/мин) с помощью ручек 8 и 9 в блоке подготовки газов установить необходимый расход в обоих каналах.

2. Включить тумблеры “Сеть” в термостате колонок и на панели измерительного блока 2.

3. Включить тумблеры 4 “Питание детектора” и установить ручкой “Питание детектора” стрелку миллиамперметра на деление “100”.

4. Включить потенциометр КСП-4 (1) и ручками “Установка нуля” – грубо и точно – на измерительном блоке установить стрелку потенциометра по середине шкалы.

5. Ручку дозатора 7 (рис.3) вывести в правое положение (1) открыть вентиль баллончика с анализируемым газом (контроль прохождения газа через дозирующий объем проводится с помощью ротаметра (рис.4)). Через 5-10 секунд перевести кран-дозатор в положение 2 и определить по секундомеру время от ввода проба на анализ до времени выхода пика на хроматографе. Баллончик закрыть.

6. По изменению нулевой линии на потенциометре отметить время выхода трех сновных компонентов.

7. По хроматограмме рассчитать:

а) чувствительность прибора по Портеру для трех компонентов

(1 – этан, 2 – пропан, 3 – бутан)

б) величину эквивалентной теоретической тарелки (ВЭЭТ) для каждого компонента, учитывая, что длина колонки L=2,5 м

в) концентрацию всех трех компонентов

 

Таблица 1

Вещество	Поправочные коэффициенты для детектора по ТП	Теплопроводность´10	ккал/см×сек×град/возд
Воздух Водород Гелий Метан Азот Этан Пропан Бутан Пентан	- - - 0,45 0,67 0,59 0,68 0,68 0,69	5,83 41,6 34,8 7,21 5,81 4,36 3,58 3,22 3,12	1,0 7,14 5,97 1,25 0,996 0,75 0,615 0,552 0,535

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Газовая и электрическая схемы хроматографа.

2. Хроматограмма, полученная в результате анализа неизвестного газа.

3. Результаты обработки хроматограммы: количество газов в смеси, их название и концентрация,

чувствительность детектора и ВЭЭТ для каждого компонента.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Принцип действия и назначение хроматографических газоанализаторов.

2. Хроматографические колонки и их роль в анализе газовых смесей.

3. Типы детекторов, их достоинства и недостатки.

4. Расшифровка хроматограмм.

5. Определение чувствительности хроматографа.

6. Калибровка хроматографических газоанализаторов.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Мак-Нейр, Бонелли. Введение в газовую хроматографию. - М., Мир, 2004.

2. Фроловский П.А. Газовая хроматография. – М., Недра, 2002.

3. Хроматограф лабораторный ЛХМ-8МД. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

 

 

 

 

		1. Металлический корпус 2. Измерительная ячейка 3. Рабочий канал 4. Платиновые спирали 5. Изоляторы для ввода проводов 6. Электронный мост R1, R2, R3 – постоянные сопротивления I – смесь газа-носителя и компонентов из колонки II – чистый газ-носитель