DE1196881B - Mit einer Registriervorrichtung zum selbst-taetigen Registrieren der Siedekurven von Gemischen aus Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten kombinierte gas- oder dampf-chromatographische Trennvorrichtung - Google Patents

Mit einer Registriervorrichtung zum selbst-taetigen Registrieren der Siedekurven von Gemischen aus Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten kombinierte gas- oder dampf-chromatographische Trennvorrichtung

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DE1196881B
DE1196881B DEG37212A DEG0037212A DE1196881B DE 1196881 B DE1196881 B DE 1196881B DE G37212 A DEG37212 A DE G37212A DE G0037212 A DEG0037212 A DE G0037212A DE 1196881 B DE1196881 B DE 1196881B
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Frank Henry Burow
Ralph Orville Clark
Dean Harry Lichtenfels
James Arthur Petrocelli
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Gulf Research and Development Co
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Gulf Research and Development Co
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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Description

  • Mit einer Registriervorrichtung zum selbsttätigen Registrieren der Siedekurven von Gemischen aus Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten kombinierte gas- oder dampfchromatographische Trennvorrichtung Bei vielen technischen Prozessen erfolgt die Steuerung der Produktbeschaffenheit und bzw. oder die Prozeßsteuerung nach den Destillationskennwerten, der Produktzusammensetzung oder anderen Eigenschaften der Produkte, die in einer oder mehreren Stufen des Herstellungsverfahrens gewonnen werden. Zum Beispiel werden in der Erdölindustrie die Beschaffenheit von Leichtbenzin, Schwerbenzin, Leuchtöl, Düsentreibstoff und ähnlichen Produkten häufig zum Teil nach den Destillationskennwerten dieser Stoffe beurteilt und gesteuert, wie sie nach der Destillationsprüfmethode gemäß ASTMD-86 ermittelt werden. Die Routinedestillation im Laboratorium und andere Analysenarten zum Zwecke der Verfahrens- und Produktsteuerung erfordern in vielen Betrieben beträchtliche Arbeitszeit.
  • Es ist bekannt, daß die Analyse einer einzelnen Komponenten sowie die qualitative und quantitative Analyse eines aus mehreren Komponenten bestehen den Gemisches mit Hilfe der chromatographischen Trennung durchgeführt werden können. Ebenso ist es bekannt, daß die Retentionszeiten für die Komponenten eines in einer chromatographischen Säule zerlegten gas- oder dampfförmigen Gemisches Funktionen der Siedepunkte dieser Komponenten sind, obwohl das tatsächliche Ergebnis der chromatagraphischen Trennsäule normalerweise nicht in Form der Siedepunkte der Komponenten, sondern als die Konzentration der betreffenden Komponenten des Gemisches in dem Säulendurchlauf und als die Retentionszeit dieser Komponenten in der Säule erhalten wird. Wenn eine mit steigender Temperatur arbeitende oder temperaturprogramm-gesteuerte chromatographische Säule zur Zerlegung eines Gas-oder Dampfgemisches verwendet wird und die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs praktisch linear ist, ist auch die Beziehung zwischen den Retentionszeiten für die Komponenten des in der Säule zerlegten Gemisches und den Siedepunkten dieser Komponenten nahezu linear.
  • In Anbetracht dieser Beziehung hat man vorgeschlagen, an Stelle der Destilliervorrichtung die temperaturprogramm-gesteuerte chromatographische Trennvorrichtung als Mittel zur Bestimmung der Destillationskennwerte von gas- oder dampfförmigen Gemischen zu verwenden. Obwohl auf chromatographischem Wege mehr Auskunft über die Zur am mensetzung des der Analyse unterworfenen Gemisches erlangt werden kann als durch einfache Destillation, und obwohl diese Auskunft mit Hilfe der temperaturprogramm-gestenerten chrornatographischen Trennung in kürzerer Zeit erhältlich ist als durch Destillation, waren die bisher bekannten temperaturprogramm-gesteuerten chromatographischen Trennvorrichtungen, die zum Ersatz der herkömmlichen Destilliervorrichtungen oder analytischen Vor richtungen - vorgeschlagen wurden, hinsichtlich der erforderlichen Bedienung oder der Anpaßbarkeit an den selbsttätigen Betrieb nicht völlig zufriedenstel lend. So erforderten die als Ersatz für die Laboratoriums-Destilliervorrichtung-oder für andere analytische Vorrichtungen vorgeschlagenen temperaturprogramm-gesteuerten chromatographischen Trennvorrichtungen beim Beginn eines jeden Analysenzyklus die Bedienung durch einen Bedienungsmann.
  • Infolgedessen waren nach wie vor für den Betrieb dieser Vorrichtungen lange Arbeitszeiten erforderlich, selbst wenn die Vorrichtung nach dem Anfahren selbsttätig arbeitete. Ferner waren die als Ersatz für die Desülliervorrichtung vorgeschlagenen, temperaturprograrnm gesteuerten chromatogaphlschen Vorrichtungen nicht so ausgebildet, daß sie ein rasches und praktisch gleichmäßiges Erhitzen und Kühlen der chromatographischen Säule gestattet ten, vielleicht mit Ausnahme von sehr kurzen Säulen, mit denen aber keine vollständige Zerlegung des zu analysierenden Gemisches in seine Komponenten möglich ist. So ist z. B. in der Zeitschrift »Analytical Chemistry«, 32 (1960), S. 904 bis 909, eine temperaturprogramm-gesteuerte gaschromatographische Vorrichtung zur Aufnahme von Destillationskurven beschrieben, bei der die Trennsäule sich in einem Messingblock befindet, der zwei elektrische Heizpatronen enthält. Vor Beginn der Analyse wird die Trennsäule durch Eintauchen in Eiswasser auf 20 C gekühlt. Dann wird die Analyseprobe eingespritzt und etwa 20 Sekunden später die Heizung eingeschaltet, das Eisbad schnell entfernt, der Block abgewischt und in ein Wärmeisoliergefäß eingesetzt.
  • In geeigneten Zeitabständen werden dann die erreichten Temperaturen registriert. Bei dieser Vorrichtung kann die in den Metallblock eingebettete Trennsäule nicht besonders lang sein, die Kühlung erfolgt von Hand, und die Anordnung gestattet keine völlig gleichmäßige Kühlung und Erhitzung der Säule.
  • Andererseits sind auch chromatographische Trennvorrichtungen mit selbsttätiger Temperaturprogrammsteuerung bekannt, die mit langgestreckten, dünnwandigen Trennsäulen arbeiten. Keine der bisher bekannten gas- oder dampfchromatographischen Trennvorrichtungen war jedoch so ausgebildet, daß die analytische Information, zumindest bezüglich der Stoffe mit höheren Siedepunkten, dem Gerät unmittelbar ohne Korrektur entnommen werden konnte.
  • Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die in den Patentansprüchen definiert ist, wird eine besonders gute Auflösung von gas- bzw. dampfförmigen Gemischen in die Einzelkomponenten entsprechend deren Siedepunkten dadurch erreicht, daß die langgestreckte, dünnwandige Trennsäule ihrer ganzen Länge nach mit einer Heizvorrichtung und einer Kühlvorrichtung ausgestattet ist und sowohl die Heiz- als auch die Kühlvorrichtung an das Programmgerät angeschlossen ist. Die Vorrichtung eignet sich zum Analysieren von gas- und dampfförmige Gemischen von verhältnismäßig weitem Siedebereich; sie kann als vollautomatisches, an die Produktleitung der Erzeugungsanlage angeschlossenes Analysiergerät arbeiten und mit chromatographischen Säulen beliebiger Länge zwecks Gewinnung analytischer Ergebnisse von wechselnden Graden und Besonderheiten ausgestattet sein, wodurch die Bedienungserfordernisse beträchtlich vermindert werden, die Anwendbarkeit der Vorrichtung erweitert wird und die gewünschte analytische Auskunft in größeren Einzelheiten und mit größerer Genauigkeit und Geschwindigkeit gewonnen werden kann. Wenn flüssige Proben analysiert werden sollen, soll die Vorrichtung auch eine Anordnung zum Verdampfen der Probe vor ihrer Einführung in die Trennsäule aufweisen.
  • Die chromatographischen Säulen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Säulen für die Adsorptionschromatographie oder Säulen für die Verteilungschromatographie sein.
  • F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Analysiergerätes gemäß der Erfindung im Aufriß; F i g. 2 zeigt einen mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erhaltenen Registrierstreifen, der ein Chromatogramm, d. h. ein Diagramm der differentiellen Änderung der Stärke des Detektorsignals mit der Zeit (untere Kurve) und ein Diagramm der integralen Änderung des Signals (obere Kurve) aufweist.
  • F i g. 3 ist eine Eichkurve, die die Beziehung zwischen der Retentionszeit in der Säule (als Abszissenlänge in Millimeter) und den Siedepunkten gemäß der ASTM-Analysenmethode D-86 für ein Benzinkohlenwasserstoffdestillat darstellt.
  • Die beiden chromatographischen Säulen 16 a und 16 b in Fig. 1 sind dünnwandig und röhrenförmig ausgebildet. Die erstere ist die Trennsäule, die letztere die Bezugs- oder Vergleichssäule. Im Interesse einer guten Erhitzung und Kühlung sollen die Säulen als dünnwandige Röhren ausgebildet sein.
  • Die Säulen 16a und 16b sind durch die Kühlsäule 18 voneinander getrennt, die sich unmittelbar angrenzend an die beiden Säulenl6a und 16 b über deren ganze Länge erstreckt, so daß die beiden Säulen gleichzeitig und ihrer ganzen Länge nach mit der gleichen Geschwindigkeit auf die gewünschte Anfangstemperatur gekühlt werden. Die Säule 18 selbst wird durch ein Wärmeaustauschmittel, wie Wasser, Äthylenglykol oder sogar Luft, gekühlt, welches darin zu einer bestimmten Zeit und in einer bestimmten Strömungsrichtung durch die Pumpe 36 und die Leitungen 34 und 38 umgewälzt wird. Das Wärmeaustauschmittel seinerseits wird beim Durchgang durch einen Vorratsbehälter in der Kühlanlage 32 gekühlt.
  • Der Betrieb der Pumpe 36 wird durch den Programmgeber 44 gesteuert. Die Säule 18 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, wie Kupfer oder Aluminium, um den Wärmeübergang aus den Säulen 16 a und 16 b längs der Berührungslinien mit der Kühlsäule während der Kühlperiode des nachstehend beschriebenen Analysenzyklus zu erleichtern.
  • Die Säulen 16 a und 16b sowie die Kühlsäule 18 sind mit elektrisch leitendem, isoliertem Widerstandsdraht 20 umwickelt, der in gleichmäßigen Abständen die drei Säulen ihrer ganzen Länge nach umgibt. Diese Wicklungen 20 bilden eine an die äußere Oberfläche der Säulen 16a und 16 b unmittelbar angrenzende elektrische Widerstandsheizung.
  • Durch die von diesen Wicklungen unmittelbar auf den Umfang der Säulen 16 a und 16 b übergehende Wärme sowie durch die von den Wicklungen mittelbar über die Kühlsäule 18 übertragene Wärme werden die Säulen mit ihrem Inhalt gleichmäßig von außen nach innen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über ihre ganze Länge hinweg erhitzt. Die Geschwindigkeit, mit der die Heizvorrichtung20 die Temperatur der Säule steigert, wird durch einen nicht dargestellten veränderlichen Widerstand oder Rheostaten gesteuert.
  • Die Anordnung 5, 6, 7, 8 a und 8 b zusammen mit einer nicht dargestellten, unter Druck stehenden Quelle für ein Elutionsmittel oder Trägergas ermöglicht die Herstellung zweier paralleler Trägergasströme durch die chromatographische Trennsäule 16 a und die Vergleichssäule 16 b. Das Hauptzuführungsventil für das Trägergas ist mit 5 bezeichnet. Die Hauptzuführungsleitung 6 für das Trägergas führt einen Hauptträgergasstrom von der nicht dargestellten, unter Druck stehenden Quelle zu. Die beiden parallelen Zweigleitungen 8a und 8b verbinden die Hauptträgerleitungen 6 mit den parallelgeschalteten chromatographischen Säulen 16 a und 16 b. Die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases durch die Zweigleitungen 8a und 8 b und durch die Säulen 16 a und 16 b wird durch den Strömungsregler 7 gesteuert.
  • Die pneumatisch gesteuerte selbsttätige Einbringvorrichtung 4 besitzt einen eingekerbten Kolben, der in einem die Leitung 2 mit der Leitung 8 a verbindenden, eng passenden Zylinder aus Polytetrafluoräthylen gleitet, und dient zum zeitweiligen Abziehen und Isolieren einer abgemessenen Menge des zu analysierenden Gemisches aus dem durch Leitung 2 strömenden Produktstrom und zum Einführen der so abgezogenen Proben in die chromatographische Trennsäule 16 a mit Hilfe des durch die Zweigleitung 8 a strömenden Trägergases. Die Zeitabstände, in denen die Einbringvorrichtung 4 in Tätigkeit tritt, werden von dem Programmgeber 44 gesteuert. Die Einbringvorrichtung 4 wird durch einen Membranmotor betrieben, der seinerseits durch Druckluft angetrieben wird, deren Strömung durch ein von dem Programmgeber 44 gesteuertes Magnetspulenventil 9 geregelt wird. Die Einbringvorrichtung 4 wird vorteilhaft durch eine nicht dargestellte gesteuerte Heizanordnung auf einer konstanten höheren Temperatur gehalten.
  • Die Schnellverdampfungskammer 10 befindet sich in einem Block aus einem wärmeleitenden Metall, wie Aluminium, und besteht aus zwei röhrenförmigen Kanälen, durch welche die Trägergaszweigleitungen 8 a und 8b in enger Berührung hindurchführen. Die Leitungen 8 a und 8b sind in dem von der Schnellverdampfungskammer 10 umgebenen Teil mit einem festen Wärmeaustauschmittel 14, wie Metallteilchen oder Band aus rostfreiem Stahl, gefüllt. Die Schnellverdampfungskammer 10 besitzt eine Einrichtung zur vollständigen Verdampfung der von der Einbringvorrichtung 4 durch Leitung 8 a zugeführten Analysenprobe vor ihrer Einführung in die Trennsäule 16a. Die Schnellverdampfungskammer 10 wird von einer in den Metallblock eingebetteten elektrischen Heizpatrone 12 erhitzt.
  • Eine weitere Heizanordnung 23 ist ähnlich gebaut wie die Schnellverdampfungskammer 10. Die Heizanordnung 23 hat den Zweck, den Durchlauf aus den beiden Kolonnen 16 a und 16 b auf eine konstante, gemeinsame Temperatur zu erhitzen.
  • Der Detektor 24 spricht auf Änderungen in der Zusammensetzung des aus der Säule 16a abströmenden Gases im Vergleich mit der Zusammensetzung des aus der Bezugssäule 16 b abströmenden Vergleichsgases an. Man kann jede geeignete Detektorvorrichtung verwenden, die imstande ist, irgendeine Eigenschaft der anzuzeigenden Komponente zur Erzeugung eines der Konzentration dieser Komponente proportionalen elektrischen Stromes auszunutzen.
  • Vorzugsweise wird ein Differentialdetektor verwendet; es können jedoch auch integrale Detektoren verwendet werden, wenn die als Endresultat gewünschte analytische Information dies gestattet. Gute Ergebnisse erzielt man mit den üblichen Wärmeleitfähigkeitsmeßzellen, wie in der Figur dargestellt; man kann jedoch auch mit anderen Differentialdetektoren, wie Dichtewaagen, radiologischen Ionisationsdetektoren und Flammentemperaturdetektoren, arbeiten.
  • Als integrale Detektoren können Gasvolumen- oder Druckzunahmedetektoren verwendet werden.
  • Die Widerstandselemente in den parallelgeschalteten Wärmeleitfähigkeitszellen 24 a und 24b des Detektors24 bilden Widerstände in zwei Armen der Wheatstoneschen Brücke 40. Änderungen in der Zusammensetzung des aus der Trenasäule 16 a austretenden Durchlaufs erzeugen eine Änderung im elektrischen Widerstand des Widerstandselementes in der zu der Säule 16a gehörigen Wärmeleitfähigkeitszelle 24 a, wodurch die Brücke 40 aus dem Gleichgewicht gebracht wird und sich ein der Größe der Änderung in der Zusammensetzung des durch die Wärmeleitfähigkeitszelle 24 a strömenden Gases entsprechendes elektrisches Potential ausbildet. Das sich an der aus dem Gleichgewicht gebrachten Widerstandsbrücke entwickelte elektrische Potential oder aber das von außen angelegte elektrische Potential, welches erforderlich ist, um die Brücke wieder ins Gleichgewicht zu bringen, kann gemessen und registriert werden.
  • In der dargestellten Ausführungsform bezeichnet 42 ein Registriergerät und einen Integrator zum Registrieren der differentiellen Änderung in der Gaszusammensetzung in der Detektorzelle 24 a in bezug auf die Zeit sowie zur Bestimmung und Registrierung des Integrals dieser Änderung. Je nach der von dem Bedienungsmann gewünschten Information kann das Registriergerät so gewählt werden, daß es entweder die in der Zelle 24 a gemessene differentielle Änderung in der Gaszusammensetzung oder die integrale Änderung oder beides registriert, wie es für den vorliegenden Fall dargestellt ist. Wenn das Gerät nur dazu bestimmt ist, eine Destillationsanalyse auszuführen, dann ist nichts weiter erforderlich als das Integral der in der Zelle 24 a gemessene Änderungen, da von der normierten Integralkurve die Beziehung zwischen der Ausbeute und der Destillationstemperatur abgelesen werden kann. Wenn die Vorrichtung ausschließlich als chromatographisches Stromanalysengerät verwendet werden soll, braucht nur die Differentialkurve registriert zu werden, weil von dieser Kurve die voneinander getrennten Komponenten oder Komponentengruppen qualitativ oder quantitativ abgelesen werden können. Andererseits können in beiden Fällen auch beide Kurven registriert werden, wobei die zusätzliche Information, die ohne zusätzliche analytische Behandlung der Probe erhalten wird, als zusätzlicher Vorteil der Verwendung des hier beschriebenen Gerätes gelten darf.
  • Der Programmgeber 44 betätigt die Kühlpumpe 36, die Einbringvorrichtung 4, dieHeizanordnung20, den Detektor 24 und das Registriergerät42 in der gewünschten Reihenfolge und für die gewünschte Zeitdauer. Die Bauart des Programmgebers 44 ist die herkömmliche und kann zweckmäßig die Form einer von einem Uhrwerk angetriebenen Welle haben, die für jeden in Gang zu setzenden oder zu unterbrechenden Arbeitsgang einen Nocken aufweist, wobei die Nocken so geschnitten sind, daß sie Schalter, Ventile usw. derart in und außer Tätigkeit setzen, daß die Arbeitsvorgänge der mit diesen Schaltern, Ventilen usw. verbundenen Vorrichtungen in der gewünschten Reihenfolge und Zeitdauer ausgeführt werden.
  • Das Gehäuse 28 umschließt die Einbringvorrichtung 4, die Schnellverdampfungskammer 10, die Säulen 16n und 16 b, den Erhitzer23 und den De-Detektor24. Alle diese Bauteile sind durch den Isolierstoff 30 gegen unerwünschte Temperaturschwankungen isoliert.
  • Beim Betrieb werden die Heizpatronen 12 und 21 sowie der (nicht dargestellte) Erhitzer für die Einbringvorrichtung 4 eingeschaltet, und ein Strom des Trägergases, wie Hellum, wird durch die Leitungen 6, 8a und 8b, die chromatographische Säule 16 a, die Vergleidissäule 16 b, die Leitungen 22a und 22b, die Detektorzellen 24a und 24b und die Auslässe 26a und 26b geleitet, in dem das Trägergasventil 5 geöffnet wird. Die Strömung des Trägergases durch die parallelen Strömungswege wird mittels des Strömungsreglers 7 auf die gewünschte Geschwindigkeit eingestellt. Der Programmgeber 44 setzt die Pumpe 36 in Tätigkeit, die ein Wärmeaustauschmit-ICI, wie Wasser, aus dem gekühlten Vorratsbehälter 32 durch die Leitung 34, Kühlsäule 18 und Leitung 38 umwälzt, so daß die Temperatur in den Säulen 16a und 16b rasch und gleichmäßig auf die gewünschte Anfangstemperatur sinkt Ferner bringt der Progrsnmgeber 44 zu Begn eines jeden Zyklus die Wheatstonesche Brücke ins Gleichgewicht.
  • Sobald die Trägergasströmung hergestellt, die Detektorbrücke 40 ins Gleichgewicht gebracht, die gewünschte Anfangstemperatur in dem Erhitzer 10, dem Erhitzer 23 und den Säulen 16a und 16b erreicht ist und der Registrierstreifenantrieb des Registriergerätes 42 eingeschaltet worden ist, betätigt der Programmgeber 44 die Einbringvorrichtung 4, so daß eine abgemessene Menge des in Leitung 2 befindlichen Produktstromes in das Trägergas in der Leitung 8a eingespritzt wird und in die Schnellverdampfungskammer 14 gelangt. Die Einspritzstelle soll so nahe wie möglich an der Schnellverdampfwrngskammer 14 liegen, um ein Verschmieren oder Verlaufen der Analysenprobe zu verhindern, bevor sie verdampft ist. Nun stellt der Programmgeber 44 das Registriergerät 42 auf die Nullstellung zurück und hält die Pumpe 36 an, so daß das Kühlmittel, z. B. Wasser, aus der Kühlsäule 18 in den gekühlten Vorratsbehälter 32 abläuft. Dieses Merkmal ist wichtig, da die anschließend durch den Heizkörper 20 zu erhitzende Gesamtmasse dadurch stark vermindert und ein schnellerer Wärmeübergang von den Heizwindungen 20 durch die Säule 18 zu den Säulen 16 a und 16b erleichtert wird.
  • Nun schaltet der Programmgeber 44 den Heizkörper 20 ein und stellt die Einbringvorrichtung 4 in die Anfangsstellung zurück. Sobald die gewünschte Säulentemperatur, d. h. diejenige Temperatur, die zum Eluieren der höchstsiedenden Komponente des zu analysierenden Gemisches mit einer annehmbaren Retentionszeit ausreicht, erreicht ist, werden der Erhitze 20 und der Registrierstreifenantrieb des Registriergerätes 42 ausgeschaltet, und die Pumpe 36 wird wieder in Tätigkeit gesetzt, um die Säulen 16a und 16b zur Vorbereitung auf den nächsten Analysenzyklus wieder auf die Anfangstemperatur zu kiihlen.
  • Bei der I>rchfiihrung einer Analyse wurde eine chromatographische Trennsäule in Form einer 0, 6 m langen Röhre aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 6,4 mm und einer lichten Weite von 4,8 mm verwendet, die eine Füllung aus einem Kieselgurpräparat enthielt, auf dessen Oberfläche ein Siliconkautschuk in einer Menge von 20 Gewichtsprozent abgeschieden war. Die Teilchen der Füllung Isatten eine Kwiigröße zwischen 0,18 und 0,25 mm Eine in gleidier Weise aufgebaute gefüllte Säule wurde als Vergleichssäule verwendet.
  • Das Kühlrohr bestand aus Kupferrohr mit einem Außendurchmesesr von 13 mm. Die Trennsäule, die Vergleichssäule und die säule waren mit 12 m eines 0,4 mm starken, mit Asbest überzogenen Chromnickeldrahtes mit einem Widerstand von 0,078 Ohm/cm umwickelt, der in eine Glasfaserisolierhülle eingeschraubt war. Für die Zwecke dieser besonderen Analyse wurde die Temperatur der Wärmeleitfähigkeitszelle und des unmittelbar vor dieser Zelle befindlichen Wärmeaustauschers auf 2150 C eingestellt. Die Temperatur des unmittelbar vor den Eintrittsstellen der Säulen befindlichen Schnellverdampfungserhitzers wurde auf 2100 C und die Temperatur der Einbringvorrichtung auf 1250 C gehalten. Die Wärmeleitfähigkeitszelle war eine mit einer Wheatstoneschen Brücke und konstanten Heizströmen von 100 Milliampere arbeitende differentielle Wärmeleitfähigkeitszelle. Durch selbsttätige Steuerung der Zeit, innerhalb deren ein elektrischer Strom von bestimmter Größe, im vorliegenden Falle 102 Watt, durch den Säulenheizkörper geleitet wurde, wurde die Säulentemperatur von 4 auf 1770 C gesteigert.
  • Wenn bei einer Vorrichtung dieser Ausführungsform das Gerät angefahren wird, werden alle Heizpatronen sowie die Kühlmittelpumpe eingeschaltet, bis die Vorrichtung das Wärmegleichgewicht erreicht hat. Zu Beginn des Arbeitsganges befinden sich die Registrierschreiber in der gleichen Stellung, in der sie am Ende des vorhergehenden Zyklus standen, der Registrierstreifenantrieb ist ausgeschaltet, der Säulenheizkörper ist ebenfalls ausgeschaltet, und die Einbringvorrichtung befindet sich in zurückgezogener Stellung, so daß der zu analysierende Strom kontiuierlich durch die Produktleitung 2 strömen kann. Zu Beginn des Analysenzyklus wird die elektrische Widerstandsbrücke des Wärmeleitfähigkeitsdetektors elektrisch ins Gleichgewicht gebracht, und 1 Minute später verschiebt der Programmgeber den Kolben der Einbringvorrichtung zusammen mit einer darin eingeschlossenen, abgemessenen Menge der zu analysierenden Substanz in den Strom des Trägergases, der in die Schnellverdampfungskammer und von dort in die chromatographische Trennsäule strömt. Nach 1 Minute und 30 Sekunden zieht der Programmgeber den Kolben der Einbringvorrichtung wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Nach 1 Minute und 45 Sekunden stellt der Programmgeber die Registrierschreiber in die Nullstellung zurück. 2 Minuten nach Beginn des Analysenzyklus wird der Registrierstreifenantrieb durch den Programmgeber eingeschaltet. 2 Minuten und 15 Sekunden nach Beginn des Analysenzyklus wird die Kühlmittelpumpe abgeschaltet, so daß das Kühlmittel aus der Kühlsäule in den Vorratsbehälter der Kühlvorrichtung zurückläuft. 5 Sekunden später schaltet der Programmgeber den Säulenheizkörper ein, worauf die Säulentemperatur im Verlaufe von 14 Minuten und 40 Sekunden von 4 auf 1770C steigt. Am Ende der Heizperiode, d. h. 17 Minuten nach Beginn des Analysenzyklus, wird die Stromzufuhr zu dem Säulenheizkörper durch den Programmgeber abgeschaltet und der Kühlmitteistrom eingeschaltet, so daß die Säule wieder auf die Anfangstemperatur von 40 C gekühlt wird und das Gerät für den nächsten Analysenzyklus bereit ist.
  • Bei der Durchführung einer besonderen Analyse, bei der die oben beschriebene Vorrichtung unter den angegebenen Bedingungen und in der angegebenen Reihenfolge der Arbeitsgänge verwendet wurde, um die Siedepunkte gemäß ASTMD-86 für eine im Bereich von 23 bis 2600 C siedende Probe von Motorenbenzin festzustellen, wurde ein Diagramm der differentiellen Änderung des Säulendurchlaufs in Abhängigkeit von der Zeit in Form der unteren Kurve in Fig. 2 erhalten. Die verschiedenen Gipfel dieser Kurve entsprechen den aufeinanderfolgend höhersiedenden Komponenten, die von der Wärmeleitfähigkeitszelle gemessen werden, wenn sie nacheinander aus der Trennsäule ausströmen, und die Fläche unter den einzelnen Gipfeln entspricht der relativen Menge der betreffenden Komponenten. Die obere Kurve in F i g. 2 ist das Integral der durch die untere Kurve dargestellten Änderungen in der Signalstärke des Detektors. Um die Integralkurve zu deuten, wird sie - falls dies noch nicht durch vorherige Einstellung des Registriergerätes geschehen ist - normiert, indem sie in eine Anzahl von Abschnitten von gleicher Höhe längs der Ordinate eingeteilt wird. Diese Einteilungen entsprechen den Prozentwerten für das Produkt im Bereich von 0 bis 100 O/o. Dann werden die Siedepunkte gemäß ASTM D-86 auf der Abszisse aufgetragen. Wenn dies geschehen ist, können die verschiedenen Destillationspunkte gemäß der ASTM-Prüfnorm D-86, wie der 10 0/o-Destillatpunkt, der 50°/o-Destillatpunkt und der 90°/o-Destillatpunkt, unmittelbar von der Kurve abgelesen werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ebenso wie bei einer durch herkömmliche Destillation gemäß der ASTM-Prüfnorm D-86 erhaltenen Destillationskurve, wobei jedoch im vorliegenden Falle erstens die Analyse vollautomatisch erfolgt und zweitens die Differentialkurve noch zusätzliche Information liefert, nämlich die Identität der verschiedenen Komponenten und bzw. oder Komponentengruppen des Analysengemisches und die relativen Anteile derselben in dem Gemisch. Diese Werte lassen sich bei dem herkömmlichen Destillationsverfahren gemäß ASTMD-86 nicht feststellen.
  • Die Korrelation zwischen den Destillationstemperaturen gemäß ASTMD-86 und den Retentionszeiten oder Retentionsabständen, die zum Auftragen der Temperaturabschnitte auf den Registrierstreifen benötigt wird, erhält man aus einer Korrelationskurve, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist. Diese Korrelationskurve wird gewonnen, indem man zunächst die bei dem herkömmlichen Destillationsverfahren gemäß ASTM D-86 erhaltenen Destillationstemperaturen für ein Benzinkohlenwasserstoffgemisch in Abhängigkeit von den Retentionszeiten oder, was auf dasselbe hinausläuft, den Retentionsabständen für die entsprechenden Destillationspunkte bei dem gleichen Gemisch, in ein Diagramm einträgt. Diese Werte werden aus der Integralkurve bestimmt, die man erhält, wenn man das Eichgemisch von bekannter Zusammensetzung unter den gleichen Arbeitsbedingungen und bei der gleichen Reihenfolge der Einzelvorgänge, wie sie bei dem späteren Analysenzyklus zur Anwendung kommen, durch das Gerät strömen läßt. Wenn erst einmal die Retentionszeit oder der Retentionsabstand für ein aus mehreren Komponenten bestehendes Gemisch einer gegebenen Art mit den Destillationstemperaturen gemäß der ASTM-Prüfnorm D-86 korreliert worden ist, kann die gleiche Korrelation verwendet werden, um jeden bei der späteren Analyse weiterer Proben des Produktstromes gewonnenen Registrierstreifen auszuwerten.
  • Obwohl die Darstellung des Registrierstreifens in F i g. 2 sowohl eine Differentialkurve als auch die zu- gehörige Integralkurve zeigt, kann das Gerät auch so betrieben werden, daß nur die Integralkurve oder nur die Differentialkurve registriert wird. Im ersteren Falle liefert das Gerät nur kumulative Information über die Destillationspunkte (wie man sie auch bei der herkömmlichen analytischen Destillation erhält), während das Gerät im letzteren Falle qualitative und quantitative Auskunft über die einzelnen Komponenten des der Analyse unterworfenen, aus mehreren Komponenten bestehenden Gemisches liefert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung zum Ersatz für die Destillation gemäß der ASTM-Prüfnorm D-86 beschränkt. Die Vorrichtung ist äußerst variationsfähig und kann so gebaut werden, daß sie auch andere Arten von Destillationen nachahmt; ebenso kann sie einfach als an die Produktleitung einer Erzeugungsanlage angeschlossenes Analysengerät verwendet werden. Die Vorrichtung ist auch nicht auf die in Fig. 2 dargestellte Wiedergabe der Analysenwerte beschränkt.
  • Zum Beispiel kann die integrale Änderung in der Zusammensetzung des Durchlaufs, wie sie von einer Integriervorrichtung angezeigt wird, an den jeweils gewünschten Punkten, z. B. an dem 10 0/o-Destillatpunkt, an dem 500/o-Destillatpunkt und an dem 90°/o-Destillatpunkt gemäß ASTMD-86, selbsttätig überwacht werden, und die so bestimmten Temperaturen können unmittelbar zur sofortigen Auswertung auf einen Streifen aufgedruckt oder aber auch verschlüsselt und zu einem späteren Zeitpunkt wieder entschlüsselt werden.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Mit einer Registriervorrichtung zum selbsttätigen Registrieren der Siedekurven von Gemischen aus Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten kombinierte gas- oder dampfchromatographische Trennvorrichtung, bei der eine elektrisch beheizbare, dünnwandige, langgestreckte, chromatographische Trennsäule aus Metall am einen Ende über einen Schnellverdampfer mit einer Trägergasleitung verbunden ist, an die eine Einbringvorrichtung angeschlossen ist, während am anderen Ende der Trennsäule ein Temperaturregler und hinter diesem ein Detektor angeordnet ist, der mit einer Registriervorrichtung zum Registrieren der differentiellen und bzw. oder integralen änderungen in der Zusammensetzung des aus der chromatographischen Trennsäule abströmenden Durchlaufs in Abhängigkeit von der Retentionszeit in Verbindung steht, und bei der die Einbringvorrichtung, der Detektor und die Registriervorrichtung derart durch ein Programmgerät gesteuert werden, daß zunächst der Detektor in Empfangsbereitschaft versetzt, dann die Einbringvorrichtung für eine bestimmte Zeitdauer betätigt, hierauf die Registriervorrichtung in Nullstellung gebracht, nach einer bestimmten Zeitdauer in Lauf gesetzt und nach einer weiteren bestimmten Zeitdauer außer Tätigkeitgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die chromatographische Säule (16 a) ihrer ganzen Länge nach mit einem elektrischen Heizkörper (20) und einer über eine Kühlmittelpumpe (36) mit einem Wärmeaustauschmittel-Umlaufsystem (32, 34, 38) verbundenen Kühlsäule (18) ausgestattet ist, wobei der Heizkörper (20) und die Kühlmittelpumpe (36) so an das Programmgerät (44) angeschlossen sind, daß die Kühlmittelpumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Ingangsetzung der Registriexvorrichtung (42) ausgeschaltet, kurz darauf der Heizkörper eingeschaltet und schließlich, etwa zur Zeit der Außergangsetzung der Registriervorrichtung (42), der Heizkörper ausgeschaltet und die Kühlmittelpumpe eingeschaltet wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Trennsäule (16a) parallelgeschaltete, jedoch nicht an die Einbringvorrichtung (4) angeschlossene chromatographische Vergleichssäule (16b), die ebenso ausgebildet ist wie die Trennsäule (16a) und ihrer ganzen Länge nach mit der Kühlsäule (18) in Berührung steht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsheizkörper (20) die Trennsäule (16a), die Kühlsäule (18) und die Vergleichssäule (16 b) ihrer ganzen Länge nach umgibt.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2977472, 2875 606; Analytical Chemistry, 32 (1960), S. 904 bis 909.
DEG37212A 1962-03-07 1963-03-06 Mit einer Registriervorrichtung zum selbst-taetigen Registrieren der Siedekurven von Gemischen aus Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten kombinierte gas- oder dampf-chromatographische Trennvorrichtung Pending DE1196881B (de)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2875606A (en) * 1956-02-20 1959-03-03 Cons Electrodynamics Corp Chromatography
US2977472A (en) * 1958-02-10 1961-03-28 Phillips Petroleum Co Recording system

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