DE112015001848T5

DE112015001848T5 - Betrieb eines Online-Gaschromatografen mit reduzierter Verwendung von Kalibriergas

Info

Publication number: DE112015001848T5
Application number: DE112015001848.4T
Authority: DE
Inventors: Shane Hale; John R. Beavers
Original assignee: Rosemount Analytical Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2016-12-29
Also published as: CN105021719B; CN205038195U; CN105021719A; US9746450B2; US20150293066A1; WO2015160587A1

Abstract

Es wird ein Online-Gaschromatograf (100) bereitgestellt. Der Online-Gaschromatograf (100) beinhaltet einen Probeneinlass (104) und mindestens eine Chromatografiesäule, die betriebsbereit an den Probeneinlass (104) gekoppelt ist. Mindestens ein Ventil (60) ist zwischen den Probeneinlass (104) und der mindestens einen Chromatografiesäule eingefügt. Ein Detektor (128) ist fluidtechnisch an die mindestens eine Chromatografiesäule gekoppelt. Eine Steuerung (126) ist an den Detektor (128) und an das mindestens eine Ventil (60) gekoppelt, wobei die Steuerung konfiguriert ist, den Fluss von dem Probeneinlass (104) durch den Chromatografen unter Verwendung des mindestens einen Ventils (60) zu steuern. Die Steuerung (126) ist konfiguriert, eine Vielzahl von sequentiellen Kalibrierzyklen (302, 304, 306) zu erzeugen, wobei jeder Kalibrierzyklus (302, 304, 306) einen Kalibriergasspülvorgang (316, 323, 325) aufweist. Der erste Kalibriergasspülvorgang (316) dauert länger an als der zweite Kalibriergasspülvorgang (323).

Description

STAND DER TECHNIK
Gaschromatografie ist die Trennung eines Gemischs aus chemischen Verbindungen aufgrund ihrer Migrationsraten durch eine Chromatografiesäule. Dies trennt die Verbindungen basierend auf Unterschiede im Siedepunkt, in der Polarität oder in der Molekulargröße. Die getrennten Verbindungen fließen dann durch einen geeigneten Detektor, wie zum Beispiel einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD), der die Konzentration jeder Verbindung bestimmt, die in der Gesamtprobe repräsentiert ist. Die Kenntnis der Konzentration der individuellen Verbindungen ermöglicht es, bestimmte physikalische Eigenschaften wie zum Beispiel die BTU oder das spezifische Gewicht unter Anwendung von Gleichungen, die im Fach Standard sind, zu berechnen.
Ein Gaschromatograf ist ein Analysator, der ein geringes Volumen an Gas durch Chromatografiesäulen durchlaufen lässt, um die einzelnen Gaskomponenten des Probegemischs zu trennen und individuell zu messen. Der Analysezyklus kann in zwei allgemeine Phasen geteilt werden. Die erste Phase ist eine Probeinjektionsphase und die zweite Phase ist die Trenn- und Messphase. Jeder Analysezyklus erfordert abhängig von der Anwendung eine bestimmte Menge an Zeit zur Ausführung, typischerweise in Minuten gemessen.
Ein Online-Gaschromatograf führt sequentielle Analyseläufe eines einzelnen oder mehrerer Probeströme durch. Nach der Probeinjektionsphase des Analysezyklus wird dann das nächste zu analysierende Stromgas durch die internen Probeflusswege und die Probeschleife bis zum Ende des Analysezyklus gespült, um sicherzustellen, dass sich in der Probeschleife eine frische, nicht verunreinigte Probe für die Injektion in die Säulen zu Beginn des nächsten Analysezyklus befindet.
Eine Kalibriersequenz besteht aus drei oder mehr konsekutiven Analysezyklen von Kalibriergas mit einer bekannten Zusammensetzung, das verwendet wird, um die individuellen Kalibrierfaktoren (bekannt als „Reaktionsfaktoren“) für jede vom Gaschromatografen gemessene Komponente zu berechnen. Im Marktsegment der Erdgasbeförderung, wo Gaschromatografen als Teil des geeichten Messsystems verwendet werden, ist der Gaschromatograf typischerweise so eingestellt, dass er sich automatisch einmal täglich kalibriert, um die Genauigkeit der Messung sicherzustellen und um den korrekten Betrieb des Analysators zu validieren. Das Kalibriergas ist typischerweise ein individuell gemischtes Gas, das eine zertifizierte Zusammensetzung aufweist. Die Kosten des Kalibriergases können eine wesentliche Komponente der Betriebskosten des Gaschromatografen sein. Das Konservieren der Menge an Kalibriergas, die durch den Betrieb des Gaschromatografen verbraucht wird, würde die Gesamtkosten einer solchen Online-Gaschromatografie reduzieren.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein Online-Gaschromatograf bereitgestellt. Der Online-Gaschromatograf beinhaltet einen Probeneinlass und mindestens eine Chromatografiesäule, die betriebsbereit an den Probeneinlass gekoppelt ist. Mindestens ein Ventil ist zwischen den Probeneinlass und der mindestens einen Chromatografiesäule eingefügt. Ein Detektor ist fluidtechnisch an die mindestens eine Chromatografiesäule gekoppelt. Eine Steuerung ist an den Detektor und an das mindestens eine Ventil gekoppelt, wobei die Steuerung konfiguriert ist, den Fluss von dem Probeneinlass durch den Chromatografen unter Verwendung des mindestens einen Ventils zu steuern. Die Steuerung ist konfiguriert, eine Vielzahl von sequentiellen Kalibrierzyklen zu erzeugen, wobei jeder Kalibrierzyklus einen Kalibriergasspülvorgang aufweist. Der erste Kalibriergasspülvorgang dauert länger an als der zweite Kalibriergasspülvorgang.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Systemansicht eines Gaschromatografen, mit der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders nützlich sind.
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Online-Gaschromatografen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Ansicht von sequentiellen Kalibriergasspülzyklen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Systemansicht eines Gaschromatografen, mit der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders nützlich sind. Der Gaschromatograf 100 beinhaltet einen Trägergaseinlass 102, einen Probeneinlass 104, einen Probenentlüftungsauslasss 106 und einen Messentlüftungsauslass 108. Trägergas wird dem Flusspaneel 110 bereitgestellt, wo es einen Regulator 112 und Trockner 114 durchläuft, bevor es in den Analysatorofen 116 eintritt und die Trägergasvorwärmerspule 118 passiert. Während der Messung tritt Probegas über den Probeneinlass 104 in den Chromatografen 100 ein und durchläuft die Probegasvorwärmerspule 120 im Analysatorofen 116. Während der Kalibrierung tritt Kalibriergas in den Probeneinlass 104 ein und durchläuft die Probegasvorwärmerspule 120. Sowohl das Probegas (während der Messung) oder Kalibriergas (während der Kalibrierung) als auch das Trägergas treten schließlich in eine Vielzahl von pneumatisch gesteuerten Mehrfachanschluss-Mehrwegeventilen 60 ein, um verschiedene Volumina einer Probe und/oder eines Trägergases selektiv durch verschiedene Chromatografiesäulen 112 in Übereinstimmung mit bekannten Gaschromatografietechniken fließen zu lassen. Jedes der pneumatisch gesteuerten Mehrfachanschluss-Mehrwegeventile 60 ist fluidtechnisch an ein jeweiliges Solenoid 112 gekoppelt, das sein Steuerungssignal von der Steuerung 126 empfängt. Wie in 1 gezeigt, weist jedes pneumatisch gesteuerte Mehrfachanschluss-Mehrwegeventil 60 ein Zustandspaar auf. Im ersten Zustand werden die Fluidverbindungen jedes Ventils 60 als durchgezogene Linien gezeigt. Die Fluidverbindungen jedes Ventils 60 im zweiten Zustand werden gestrichelt gezeigt. Die Steuerung 126 ist auch betriebsbereit an den Detektor 128 gekoppelt, der in einer Ausführungsform ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor ist, der im Analysatorofen 116 angeordnet ist. Somit kann die Steuerung 126 den Fluss durch den Gaschromatografen 110 durch Steuerung der Solenoide 124 vollständig steuern. Außerdem kann die Steuerung 126 die Reaktion des Detektors 128 auf den Gasfluss dort hindurch bestimmen. Auf diese Weise kann die Steuerung 126 die Probe über eine ausgewählte Zeitdauer selektiv in eine Chromatografiesäule einführen, den Fluss des Gases durch die Chromatografiesäule umkehren; und den Umkehrfluss durch den Detektor leiten, um die Detektorreaktion im Zeitverlauf zu beobachten und/oder aufzuzeichnen. Dies stellt eine Chromatografieanalyse in Bezug auf die Probe bereit.
Die Steuerung 126 beinhaltet vorzugsweise einen Mikroprozessor oder ein anderes geeignetes Gerät, der/das dazu in der Lage ist, eine Sequenz an Anweisungen auszuführen; analytische Parameter zu berechnen, und Informationen zu speichern. Die Steuerung 126 kann sowohl flüchtigen als auch nicht flüchtigen Speicher beinhalten oder daran gekoppelt sein.
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines Online-Gaschromatografen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 beginnt bei Block 202, wo ein Probeanalysezyklus direkt vor dem ersten Kalibrieranalysezyklus abgeschlossen wird. Bei Abschluss des Probeanalysezyklus geht die Steuerung auf Block 204 über, wo Kalibriergas durch das System gespült wird. Während dieser ersten Kalibriergasspülung wartet das System an Block 206, bis die Zeit t₁ abgelaufen ist. Die Zeit t₁ ist in einer Ausführungsform eine gleiche Länge an Zeit, die aktuell in Kalibrierspülzyklen nach dem Stand der Technik verwendet wird. Jedoch kann die Zeit t₁ jeder geeignete Wert sein, der Kalibriergas effektiv durch das System spülen kann. Sobald die Zeit t₁ abgelaufen ist, wird das Verfahren 200 bei Block 208 fortgesetzt, wo ein zweiter Kalibrierzyklus durchgeführt wird. Während des zweiten Kalibrierzyklus wird zusätzliches Kalibriergas durch das System gespült. Jedoch wartet das System während der Spülung des zweiten Kalibriergaszyklus bei Block 210, bis die Zeit t₂ abgelaufen ist. In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Zeit t₂ geringer als die Zeit t₁. Auf diese Weise wird weniger Kalibriergas für den zweiten Kalibriergaszyklus verwendet als für den ersten Kalibriergaszyklus verwendet wurde. Die konfigurierte Zeit t₂ ist so ausgewählt, dass sie die Menge an Kalibriergas, das durch das Probeinjektionssystem gespült wird, erheblich reduziert, während auch ausreichend Spülzeit bereitgestellt wird, um die Probeschleife vor der Injektionsroutine vollständig mit dem Kalibriergas zu füllen. Als nächstes wird bei Block 212 ein dritter Kalibrierzyklus gestartet. Während des dritten Zyklus wird das Kalibriergas ein drittes Mal gespült und das System wartet über eine Zeit t₃, wie bei Block 214 angegeben, während das Kalibriergas gespült wird. Die Zeit t₃ kann geringer als, gleich der oder größer als die Zeit t₂ sein. Jedoch ist die Zeit t₃ auf jeden Fall geringer als die Zeit t₁. Außerdem, wie vorstehend festgelegt, ist die konfigurierte Zeit t₃ so ausgewählt, dass sie die Menge an Kalibriergas, die durch das Probesystem gespült wird, erheblich reduziert, während auch ausreichend Spülzeit bereitgestellt wird, um die Probeschleife vor der Injektionsroutine vollständig mit dem Kalibriergas zu füllen. Schließlich ist das Verfahren 200 bei Block 216 abgeschlossen und der Gaschromatograf ist dazu bereit, die nächste Probe zu analysieren.
3 ist eine Kalibriergasspülzeitlinie, die die Kalibriergasspülung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 3 gezeigt folgen einer Probestromanalyse 300 drei anschließende Kalibriergaszyklen 302, 304 und 306. Bei jedem Zyklus gibt es zwei anfängliche Schritte, die gleich sind. Als erstes findet eine atmosphärische Referenzierung statt, wie bei Bezugszeichen 308 dargestellt. Der atmosphärischen Referenzierung folgt dann die Probeinjektion wie bei Bezugszeichen 310 dargestellt. Im Anschluss erfolgen die Trennung und Analyse wie bei dem Bezugszeichen 312 dargestellt. An der letzten Probestromanalyse vor einem Kalibriergaszyklus wird das System mit Kalibriergas gespült. Dies wird bei den Blöcken 314 und 316 dargestellt. Außerdem ist der Bereich 318 über dem Bereich 320 dargestellt, um Techniken nach dem Stand der Technik von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzugrenzen. Der Bereich 318 zeigt Kalibriergasspülungen in Übereinstimmungen mit Techniken nach dem Stand der Technik, während der Bereich 320 Kalibriergasspülungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie gezeigt, ist die anfängliche Kalibriergasspülung vor dem Kalibriergaszyklus 302 im Vergleich zu Techniken nach dem Stand der Technik im Wesentlichen die gleiche für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Jedoch unterscheiden sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den anschließenden Kalibriergasspülungen von Techniken nach dem Stand der Technik. Wie dargestellt ist die zweite Kalibriergasspülung 322, die vor dem zweiten Kalibriergaszyklus 304 stattfindet, für Techniken nach dem Stand der Technik im Wesentlichen von gleicher Dauer wie die Kalibriergasspülung 314. Jedoch findet in auffallendem Kontrast die anschließende Kalibriergasspülung 323 für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur über die Zeit t₂ statt, die erheblich geringer ist als die Zeit t₁ für die anfängliche Kalibriergasspülung 316. Ebenso ist die dritte Kalibriergasspülung 324 für Techniken nach dem Stand der Technik im Wesentlichen die gleiche wie die Spülungen 314 und 322. Jedoch stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine dritte Kalibriergasspülung 325 mit einer Dauer t₃ bereit, die ebenfalls erheblich geringer ist als die Zeit t₁. Nachdem der dritte Kalibriergaszyklus 306 abgeschlossen ist, kann der Probestrom in das System gespült werden, um die nächste Probe zu messen, wie bei den Blöcken 326 und 328 dargestellt. Weitere Kalibrierzyklen zusätzlich zu den drei beschriebenen können ebenfalls konfiguriert werden, wobei die weiteren Kalibrierzyklen ebenfalls eine kürzere Spülzeit als t₁ verwenden.
Es wird angenommen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Menge an Kalibriergas, die von einem Gaschromatografen während einer typischen Kalibriersequenz verbraucht wird, erheblich reduzieren. Eine Kalibriersequenz besteht aus drei oder mehr Analysezyklen, in denen erworbenes Kalibriergas mit hoher Genauigkeit durch das System und die Probeschleife des Analysators gespült wird, wobei zu Beginn des Analysezyklus ein festes Volumen des Gases in die Chromatografiesäulen injiziert wird. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung reduzieren die Menge an Kalibriergas, die durch das System gespült wird, ohne die Integrität der Probe oder die Richtigkeit der Messung zu beeinträchtigen.
Entsprechend lösen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen das Problem des Verbrauchs von Kalibriergas durch Ausnutzen der Tatsache, dass sich die Zusammensetzung des Gases im Probesystem nach dem anfänglichen Spülen des Probeinjektionssystems mit Kalibriergas vor dem ersten Analysezyklus in der Kalibriersequenz für die anschließenden Zyklen der Kalibriersequenz nicht ändert. Daher erfordern Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen weniger Spülzeit und Kalibriergasvolumen, um sicherzustellen, dass eine konsistente Probe in die Säulen injiziert wird. Außerdem ist die Reduzierung des Kalibriergasgebrauchs insbesondere vorteilhaft für Online- oder Prozessgaschromatografen, die sich typischerweise nicht in einem Labor befinden, sondern sich bei einem Prozess im Außenbereich befinden können, wie zum Beispiel einer Veredelungseinrichtung oder an einem Fernübertragungsrohrsystem. In einem solchen Fall wird das Kalibriergas in der Form einer Flasche oder eines Behälters mit einem festen Volumen bereitgestellt. Somit muss ein Betreiber oder Techniker, wenn das Kalibriergas aufgebraucht ist, physisch an den Ort des Gaschromatografen reisen und den Kalibriergasbehälter austauschen. Dieses Verfahren kann wertvolle Zeit des Technikers in Anspruch nehmen und kann erfordern, dass der Gaschromatograf während des Wechsels des Kalibriergases offline genommen wird.

Claims

Online-Gaschromatograf, umfassend: einen Probeneinlass; mindestens eine Chromatografiesäule, die betriebsbereit an den Probeneinlass gekoppelt ist; mindestens ein Ventil, das zwischen den Probeneinlass und die mindestens eine Chromatografiesäule eingefügt ist; einen Detektor, der fluidtechnisch an die mindestens eine Chromatografiesäule gekoppelt ist; und eine Steuerung, die an den Detektor und an das mindestens eine Ventil gekoppelt ist, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um den Fluss vom Probeneinlass durch den Chromatografen unter Verwendung des mindestens einen Ventils zu steuern, wobei die Steuerung konfiguriert ist, eine Vielzahl von sequentiellen Kalibrierzyklen zu erzeugen, wobei jeder Kalibrierzyklus einen Kalibriergasspülvorgang aufweist und wobei ein erster Kalibriergasspülvorgang länger als ein zweiter Kalibriergasspülvorgang andauert.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von sequentiellen Kalibrierzyklen einen dritten Kalibrierzyklus mit einem dritten Kalibriergasspülvorgang umfasst, und wobei der erste Kalibriergasspülvorgang länger als der dritte Kalibriergasspülvorgang andauert.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 2, wobei der zweite Kalibriergasspülvorgang ungefähr genauso viel Zeit in Anspruch nimmt wie der dritte Kalibriergasspülvorgang.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 1, wobei das während des ersten und zweiten Kalibrierspülgasvorgangs gespülte Gas identisch ist.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 4, wobei das Kalibriergas eine bekannte eine Zusammensetzung ist aufweist.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 5, wobei das Kalibriergas ein individuell gemischtes Gas ist, das eine zertifizierte Zusammensetzung aufweist.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 1, wobei sich der Gaschromatograf im Außenbereich befindet.
Online-Gaschromatograf nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Vielzahl von sequentiellen Kalibrierzyklen periodisch zu erzeugen.
Verfahren zum Kalibrieren eines Gaschromatografen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Spülen von Kalibriergas durch den Gaschromatografen für eine erste Dauer; Analysieren des Kalibriergases während eines ersten Kalibriergasanalysezyklus; nach dem Analysieren des Kalibriergases während des ersten Kalibriergasanalysezyklus Spülen von Kalibriergas durch den Gaschromatografen für eine zweite Dauer, wobei die zweite Dauer geringer als die erste Dauer ist; und Analysieren des Kalibriergases während eines zweiten Kalibrierzyklus.
Verfahren nach Anspruch 9, und weiter umfassend: nach dem Analysieren des Kalibriergases während des zweiten Kalibriergasanalysezyklus Spülen von Kalibriergas durch den Gaschromatografen für eine dritte Dauer, wobei die dritte Dauer geringer als die erste Dauer ist; und Analysieren des Kalibriergases während eines dritten Kalibrierzyklus.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die dritte Dauer die gleiche wie die zweite Dauer ist.
Verfahren nach Anspruch 10, und weiter umfassend: nach dem Analysieren des Kalibriergases während des dritten Kalibrierzyklus, Spülen einer zu analysierenden Probe durch den Gaschromatografen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kalibriergas eine bekannte eine Zusammensetzung ist aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Kalibriergas ein individuell gemischtes Gas ist, das eine zertifizierte Zusammensetzung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren periodisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Periode täglich ist.