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Schaltung zur Steuerung von Gasströmungen Priorität: V.St.A.; 14.
Jan. 1966; Serial Nos. 520 593 und 520 592 Die Erfindung betrifft eins den Zwecken
der Steuerung von Gasstrdmungen dienende Gasströmungsschaltung, die anstelle üblicher
Ventile in gaschromatographischen Geräten und dergleichen verwendet werden kann,
und betrifft insbesondere das Verfahren, die Probensubstanz der Säule einer gaschromatographischen
Anordnung zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Schaltung zur Steuerung von Gasströmung gen eignet
sich insbesondere für ein Arbeiten bei hohen Temperaturen, wo sich Schwierigkeiten
bei der Benutzung üblicher Ventile ergeben. Die Erfindung wird im nach
stehenden
mit der Säulenumschaltung und der Einführung von Probemengen in einen Gaschromatographen
beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, daß die erfindungsgemäße Schaltung auch
bei anderen Anordnungen verwendet werden kann, bei denen zur Zeit übliche Ventile
verwendet werden. Beispielsweise kann die Erfindung Anwendung finden als Anzeigemittel
in Prozeßströmungen (Strömungen in den Leitungen eines chemischen Herstellungssystems),
beim Betrieb von Vorabscheidesäulen, bei der Herstellung von Herzfraktionen (heart
cuts, Petrolchemie), im Zweisäulenbetrieb, bei der schnellen impulsförmigen Entnahme
von Proben, bei Einfangvorgängen, bei selektiven Detektionen, bei der Aussonderung
von Spitzenwerten und dergieichen.
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Gaschromatographische Anordnungen werden häufig bei erhöhten Temperaturen,
beispielsweise bei 700° C, betrieben, und es ergeben sich dann beträchtliche Schwierigkeiten
hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebes von bei derartig hohen Temperaturen
arbeitenden Ventilen, insbesondere im Hinblick auf Undichtigkeiten und Betriebslebensdauer.
Ferner ist es häufig wünschenswert beim Betrieb eines Gaschromatographen, die zu
untersuchende Probenmenge sehr kurzzeitig, beispielsweise zwischen 5 und 50 msek,
einzuführen. uebliche Ventile zur Entnahme oder Zuführung von Probenmengen sind
im allgemeinon Sohiebersontile und können selten so betrieben werden, daß die Einführung
der Probenmenge in
weniger als 100 msek erfolgt.
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Die Erfindung hat eine Gasströmungsschaltung zum Gegenstand, die keine
beweglichen Teile erfordert, so daß sich viele Schwierigkeiten, die mit der Anwendung
normaler Ventile sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen und
sehr niedrigen Temperaturen auftreten, ausschalten lassen. Insbesoadere betrifft
die Erfindung die Einführung von Probenmengen bei erhöhten Temperaturen, wie es
sich heutzutage in der gaschromatographischen Technik häufig ergibt, und zwar unter
Verhältnissen, bei denen die Probeneinführung innerhalb sehr kurzer Zeitspannen
erfolgt.
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Eine Gasströmungsschaltung mit einer ersten Leitung zur Zuführung
einer Gasströmung und einer Leitung zur Zuführung des Probengases, die mit der erstgenannten
Zuführungsleitung über einen zu einem ersten Verbindungspunkt führenden Verbindungsabschnitt
verbunden ist,und mit einem zweiten Verbindungspunkt an der das Probengas zuführenden
Leitung, mit der eine Auslaßleitung verbunden ist, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung
dadurch, daß der Druck der erstgenannten Gaszuführungsleitung und der Probengaszuführungsleitung
so gewählt so gewählt ist, daß der Druck an der ersten Verbindungsstelle normalerweise
größer ist als der Druck an der zweiten Verbindungsstelle und sich eine Gasströmung
in dem Verbindungsabschnitt von dem ersten Verbindungspunkt
zu
dem zweiten Verbindungspunkt ergibt und daß Mittel vorgesehen sind, die die relativen
Druckverhältnisse an den beiden Verbindungspunkten und damit auch die Gasströmung
durch den Verbindungsabschnitt für eine vorgegebene Zeitdauer umzukehren gestatten.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einführung einer Probenmenge
in eine Strömung von einer Probenmengenströmung aus, die an einen Verbindungsabschnitt
angeschlossen ist, und das sich dadurch kennzeichnet, daß die Eingangsdrucke der
Strömungen so gewählt werden, daß der Druck an der Verbindungsstelle der Hauptzuführungsströmung
mit dem Verbindungsabschnitt größer ist als der Druck an der Verbindungsstelle des
Verbindungsabschnittes mit der Leitung zur Zuführung der Probenmenge, zu dem Zwecke,
daß ein Teil der Strömung der erstgenannten Zuführungsleitung in die zum Einführen
der Probenmenge vorgesehene Zuführungsleitung eingeführt wird und daß, für eine
kurze Zeitspanne, die Druckverhältnisse an den Verbindungspunketn umgekehrt werden
und die Strömung in dem Verbindungsabschnitt umgekehrt wird und dadurch eine Menge
der Strömung der Probensubstanz in die Hauptströmung eingeführt wird.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Von den figuren
zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzeigten Ausführungsform
einer Gasströmungsschaltung, die den Zwecken der Einführung von Probenmengen in
einen Gaschromatographen dient; Figur 2 eine weitere Ausführungsform der Einführung
der Probenmenge, und zwar eine Ausführungsform, die sich insbesondere mit Proben
befaßt, die ungefähr Atmosphärendruck oder einen Druck nahe dazu aufweisen; Figur
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Figur
4 eine schematischs Darstellung der Gasströmungsschaltung der in Fig. 3 dargestellten
Anordnung in Verbindung mit einem Gaschromatographen; Figur 5 eine schematische
Darstellung einer Gasströmungsschaltung, bei der eine Serienschaltung von Gasströmungssteuerungsmitteln
Anwendung findet; Figur 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der
zwei zugeführte Hauptströmungen Anwendung finden.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus der gaschromatographischen
Säule 10 eines Gaschromatographen 12.
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Mit der Eingangsleitung der Säule 10 ist die Säulenzuführungsleitung
13 verbunden Eine Probengaszuführungsleitung 14 ilt über inen vorengten Leitungsabschnitt
16 mit einer Auslaßleitung 15 verbunden. Zin Ventil 15' ist
in der
Auslaßleitung 15 vorgesehen. Ein Verbindungsabschnitt 20 führt zu dem Verbindungspunkt
21 der Säulenzuführungsleitung 13 und ist mit der Probenzuführungsleitung 14 an
dem Verbindungspunkt 22 verbunden. Eine Mehrzahl Verengungen 27, 28, 29 kann parallel
an die Säulenzuführungsleitung 13 angeschlossen sein, wobei eine jede Verengung
zu einem Auslaßventil 30, 31, 32 führt. Zwei Ventile 18, 19 sind an die Säulenzuführungsleitung
13 angeschlossen, wobei das Ventil 19 direkt einen Ausiaß bildet. Die Säulen3uführungsleitung
ist so angeschlossen, daß sie mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die Leitung
23 oder mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit durch die Leitung 24 versorgt wird.
Eine zusätzliche Trägergasleitung 17 ist an die Probenauslaßleitung zwischen dem
Verbindungspunkt 22 und der Verengung 16 angeschlossen, und es kann dieser Leitung
entweder mit hoher Geschwindigkeit bei 25 oder mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit
bei 26 Strömung zugeführt werden.
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Je nach den unterschiedlichen Arbeitsverfahren können bestimmte Bestandteile
in Fortfall kommen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist dip Säulenzuführungsleitung
13 an eine Quelle eines Trägergases, beispielsweise Helium, angeschlossen, die mit
konstantem Druok arbeitet. Die Probensuführungaleitung 14 ist an eine mit i:a wesentlichen
konstantem Druck arbeitende Quelle angeschlossen,
die eine allein
aus der Probensubstanz bestehende Strömung oder eine Mischung der Probensubstanz
mit dem Trägergas liefert. Die Strömungsverhältnisse sind in der Anordnung derart
eingestellt, daß der Druck an dem Verbindungapunkt 21 höher ist als der Druck an
dem Verbindungspunkt 22. Unter diesen Verhältnissen fließt die Probenströmung in
der Leitung 14 durch die Verbindungsstelle 22 zu dem Auslaß 15. Die Strömung der
Säulenzuführungsleitung 13 teilt sich an der Verbindungsstelle 21, und ein Teil
fließt durch die Säule 10 und den Detektor 11 und ein anderer Teil durch den Verbindungsabschnitt
20 zu der Auslaßstelle 15. Es ist anzustreben, daß der Druckunterschied zwischen
den Verbindungepunkten 21 und 22 nur gering ist und daß das Volumen des Verbindungsabschnittes
20 klein ist, so daß sich ein möglichst geringer Verlust an Trägergas an der Auslaßstelle
15 und eine möglichst geringe tote Zeit bei der Einführung der Probenmenge ergibt.
Diese stationären Dru¢kverhältnisse können durch geeignete Einstellung des Druckes
der das Trägergas liefernden Druckquelle und der das Probengas liefernden Quelle
erzielt werden. Es ist zu beachten, daß Änderungen des Durchmessers der Säule oder
der Rohre, deren Länge und Anordnung und der Verengungen und andere Änderungen der
Apparatur auch eine Änderung der Druckverhältnisse erfordern, die notwendig sind,
den gewünschten stationären Zustand zu erzielen. Bei einem Ausführungsbeispiel waren
die
stationären Geschwindigkeiten 30 cm3/min in der Säule 10 und 3 cm5/min in dem Verbindungsabschnitt
20 zwischen der Verbindungsstelle 21 und der Verbindungsstelle 22 und 10 cm3/min
in der Probenzuführungsleitung 14.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Elemente 15', 17,
19 und 23 bis 32 in Fortfall kommen. Es kann dann ein Teil der Probenströmung der
Probenzuführungsleitung 14 in die Säule 10 in folgender Weise eingeführt werden.
Es wird das Ventil 18 geöffnet und ein Teil der Strömung der Säulenzuführungsleitung
13 in den freien Raum abgelassen, wodurch sich eine Erniedrigung des Druckes an
der.Verbindungsstelle 21 ergibt. Es kehrt die Strömungsrichtung in dem Verbindungsabschnitt
20 um, und ein Teil der Probenströmung fließt in Richtung auf die Verbindungsstelle
21.
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Es wird dann das Ventil 18 geschlossen und wiederum der stationäre
Zustand hergestellt. Die in die Säule eingeführte Probenmenge hängt von der Zeitdauer
ab, die das Ventil 18 geöffnet wurde, und dadurch ergibt sich eine direkte Steuerungsmöglichkeit
für die eingeführte Probenmenge. Es wurde in dem betrachteten Beispiel das Ventil
18 für 100 msek geöffnet.
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Bei einer anderen Ausfdhrungsform der Erfindung wurde su-BatzlicM
das Ventil 19 und damit ein vorgegebones Volumen
zwischen den Ventilen
18 und 19 vorgesehen. Es wird das Ventil 19 zuerst zu dem freien Raum hin geöffnet
und dann wieder geschlossen. Die Einführung der Probenmenge. erfolgte durch Öffnen
des Ventils 18. Das Einlassen von Trägergas in das Volumen zwischen den Ventilen
18 und 19 verringert den Druck an der Verbindungsstelle 21 in bezug auf den Druck
an der Verbindungsstelle 22, und dadurch ergibt sich eine Einführung einer Probenmenge.
Diese vorübergehende Ablenkung eines Teils der Gasströmung in der Säulenzuführungsleitung
bewirkt das Einschieben einer Probenmenge in die Eingangsleitung der Säule. Wenn
das Ventil 18 geöffnet wird, ergibt sich eine Verringerung des Druckes an der Verbindungsstelle
21 und dementsprechend ein Fluß der Probenmenge dadurch den Verbindungsabschnitt
20 an der Verbindungsstelle 21 vorbei. Wenn der Druck in dem abgeschlossenen Volumen
zwischen den Ventilen 18 und 19 sich wieder auf den Druck in der Säulenzuführungsleitung
einstellt, so nimmt der Druck an der Verbindungsstelle 21 zu, und der stationäre
Ströimingszustand stellt sich wieder her, wobei ein Teil der in der Säulenzuführungsleitung
herrschenden Strömung durch die Verbindungsleitung 20 fließt. Das Volumen der in
die Säule eingeftihrten Probenmenge ist proportional dem Volumen der Leitung zwischen
den Ventilen 1 * d 19.
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Auf diese Weise ergibt sich eine schnelle wiederholte Einführung sehr
genau bemessener Probemmengen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entfallen die Elemente
15', 17, 19 und 23 bis 26. Die Ventile 18, 30, 31 und 32 sind normalerweise geschlossen.
Die Einführung der Probenmenge erfolgt wie zuvor durch Schließeh des Ventils 18
oder eines der anderen Ventile 30, 31, 32. Die Auswahl eines bestimmten Ventils
und der zugehörigen Verengungsleitung gestattet die Auswahl des Anteils der Strömung
in der Säulenzuführungsleitung, der abgeführt wird, und daher die eingeführte Probenmenge.
Die Anwendung einer Mehrzahl Steuerventile mit verschieden ausgebildeten Verengungsabschnitten
gestattet eine Wahl der eingeführten Probenmengen, ohne daß andere Änderungen in
der Anordnung vorgenommen werden müssen.
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Der Verbindungsabschnitt 20 und die zugehörigen Teile der Probenzuführungsleitung
und der Säulenzuführungsleitung können innerhalb der Chromatographenanordnung vorgesehen
sein, zusammen mit der Säule und dem Detektor, und können bei einer Temperatur betrieben
werden die dieselbe ist wie die Temperatur der Säule oder höher liegt. Die Ventile
18, 19, 30, 31 und 32, die verwendet werden, um Auslaßstellen zu verschließen oder
zu öffnen, können an irgendwelchen Stellen entfernt von dem Chromatographen angeordnet
sein und sich auf- Raumtemperatur befinden. Die Strömung der Probenmenge an den
Verbindungspunkten 21, 22 wird gesteuert,
ohne daß in der Probenzone
irgendwelche beweglichen Teile vorgesehen sind, und dadurch werden alle Schwierigkeiten
vermieden, die sich ergeben, wenn ein Arbeiten bei erhöhten Temperaturen stattfindet.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung entfallen die Elemente
17, 18, 19 und 23 bis 32. Die Einführung der Probenmenge erfolgt dadurch, daß vorübergehend
die Auslaßleitung 15 durch das Ventil 15'verschlossen wird und dadurch der Druck
an der Verbindungsstelle 22 über den Druck an der Verbindungsstelle 21 ansteigt
und sich die Strömungsrichtung in dem Verbindungsabschnitt 20 umkehrt, so daß Probenmenge
in die zu der Säule 10 führende Strömung eingeschleust wird. Auf diese Weise kann
eine stoßförmige Einführung der Probenmenge von nur 5 msek erfolgen. Eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Ventil 15' ein Stopfen aus Silikongummi
ist, der gegen das glatt bearbeitete Ende der heißen Auslaßröhre 15 gedrückt wird.
Bei der kurzen Kontaktzeit, die zum Schließen des Auslasses erforderlich ist, wird
der elastische Stopfen nicht beschädigt, auch wenn die Temperatur des Chromatographen
12 und damit des Auslaßrohres 15 wesentlich höher liegt als der Schmelzpunkt des
elastischen Stopfens, so daß ein derartiges Ver.ohlußmittel benutzt werden kann,
ohne daß die Einführung der Probeniengen beeinträchtigt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Elemente
15", 18, 19, 23, 24 und 27 bis S2 entfallen und daß die Einführung der Probenmenge
allein dadurch vorgenommen wird, daß momentan eine Hilfs-Trägergasströmung von der
mit geringer Strömungsgeschwindigkeit arbeitenden Zuleitung 26 auf die mit hoher
Strömungsgeschwindigkeit arbeitende Leitung 25 umgeschaltet wird, so daß dadurch
momentan der Druck an der Verbindungsstelle 22 oberhalb des Druckes an der Verbindungestelle
21 liegt und eine Einführung der Probenmenge erfolgt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Elemente 15', 17,
18, 19 und 25 bis 32 entfallen und die Einführung der Probenmenge dadurch erfolgt,
daß die Trägergasströmung 15 von der Säulenzuführungsleitung/'von der mit hoher
Geschwindigkeit arbeitenden Leitung 23 auf die mit niedriger Geschwindigkeit arbeitende
Leitung 24 umgeschaltet wird.
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Dadurch verringert eich der'Druck an der Verbindungsstelle 21 in bezug
auf den Druck an der Verbindungestelle 22, und die Probenmenge wird in die Säule
eingeführt. Nach einer kurzen Zeit, die hinreichend ist, um die gewünschte Probenmenge
einzuführen, wird die Trägergasströmung wieder von der Leitung 24 auf die Leitung
23 zurückgeschaltet und dadurch die ursprüngliche Arbeitsweise wieder herg.-stellt,
Es
ist offensichtlich, daß in verschiedener Weise die vorstehend erörterten Elemente
und deren Betriebsweise kombiniert werden können, um eine Reduzierung des Drucks
an der Verbindungsstelle 21 in bezug auf die Verbindungsstelle 22 herbeizuführen
und eine Einführung der Probenmenge von der Probenzuführungsleitung 14 in die Säule
10 zu bewirken.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung eignet sich insbesondere zu dem
Zweck, Probemengen aus der Probenzuführungsleitung einzuführen, wenn in der letzteren
ungefahr derselbe Druck herrscht wie in der Säulenzuführungsleitung. Wenn der Druck
in der Probenzuführungsleitung ungefähr gleich dem Atmosphärendruck ist, wird zweckmäßigerweise
eine Anordnung gemäß Fig. 2 verwendet, in der, soweit dieselben Elemente betroffen
sind, die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt werden. Der wesentliche Unterschied
der Anordnung gemäß Fig. 2 liegt darin, daß die Verengung 16 in der Auslaßleitung
15 durch eine Verengung 35 in dem Verbindungsabschnitt 20 ersetzt ist. Durch Anwendung
der Verengung 35 kann sich ein nicht unbeträchtlicher Druckunterschied zwischen
dem Druck der Säulenzuführungsleitung 13 und dem Druck der Probenzuführungsleitung
14 ergeben.
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Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann auch verwendet werden, wenn es sich
darum handelt, in vorgegebenen Mengen die Probensubstanz
einzuführen,
beispielsweise dadurch, daß ein Zuführungskopf 47 an der Probenzuleitung 14 vorgesehen
wird; die Anordnung gemäß Fig. 2 dient bevorzugterweise diesem Zweck, da es sehr
viel einfacher ist, die Probensubstanz in vorgegebenen Mengen einzuführen, wenn
man es mit Atmosphärendruck und nicht mit erhöhtem Druck zu tun hat. Fig.
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2 weist ferner einige Elemente auf, die in Fig. 1 nicht auftreten.
Derartige zusätzliche Elemente bestehen aus dem Einführungskopf 47, den beiden Strömungsquellen
33, 34, welche hohe Strömungsgeschwindigkeit bzw. niedrige Strömungsgeschwindigkeit
in der Probenzuführungsleitung sicherstellen, ferner der Verengung 35 in der Verbindungsleitung
20, durch deren Anwendung die Verengung 16 in der Auslaßleitung 15 der Fig. 1 entfällt.
Es sind ferner parallele Verengungsleitungen 36, 37 und 38 an der Auslaßleitung
15 vorgesehen und entsprechende Auslaßventile 43, 44, 45 und 46, die sich auf Raumtemperatur
befinden. Die Ventile 43 bis 46 sind von der erhitzten Kammer 12 durch Absorptionsmittel
enthaltende Fallen 39, 40, 41 und 42 getrennt, welche verhindern, daß die Probensubstanz
die Ventile erreicht und in denselben kondensiert.
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Die Einführung der Probensubstanz ist in Fig. 2 im allgemeinen ähnlich
wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1, abgesehen
davon, daß es bei
Fig. 2 erforderlich ist, den Druck an der Verbindungsstelle 22 zu erhöhen, um von
der Leitung 14 in die Säulenleitung 10 die Probensubstanz einzuführen. Handelt es
sich darum, daß an dem Einführungskopf 47 bei Atmosphärendruck die Probensubstanz
eingeführt wird, so muß das Ventil 43 während der Einführung der Probenmenge in
den Einführungskopf geöffnet werden. Die Erhöhung des Drucks an der Verbindungsstelle
22 erfordert dann, daß die Auslaßleitung 15 vollständig oder teilweise geschlossen
wird. Ein vollständiges Schließen erfolgt, wenn sämtliche Ventile 49 bis 46 gleichzeitig
geschlossen werden, während ein teilweises Schließen dadurch erfolgt, daß das Ventil
43 geschlossen wird, indessen ein oder mehrere Ventile 44 bis 46 offengelassen werden,
so daß in der Auslaßleitung eine oder mehrere Verengungen liegen. Die verschiedenen
Verengungen machen es möglich, unterschiedliche Aufspaltungen der Probensubstanz
zu erzielen, so daß nur ein Teil der eingeführten Probensubstans in die Säule geleitet
wird, während der Rest der Probensubstanz durch die eine oder mehrere der Verengungen
36 bis 38 abgeführt wird.
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Eine Einführug der Probensubstanz ohne Abführung eine.
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Teils derselben zu den Auslaßleitungen erhält kann, wenn lan da. Ventil
43 und sämtliche übrigen Ventile 44 bis 46 schließt oder aber, wenn pul das Ventil
43 schließt und gleichseitig oder kurz danach eine oder mehrere der hfolgenden Operationen
ausführt:
1) Man verringert die Strömung der Säulenzuführungsleitung
13, indem man von der Zuführungsleitung mit hoher Geschwindigkeit 23 auf die Zuführungsleitung
mit niedriger Geschwindigkeit 24 umschaltet; 2) man verringert die Strömung in der
Säulenzuführungsleitung 13 durch offenen des Ventils 18 oder eines oder mehrerer
der Ventile 30, 31 und 32 ; 3) man vergrößert die Zführungsgeschwindigkeit der Probensubstanz-Trägerströmung
in der Leitung 14, indem man von der Leitung niedriger Strömungsgeschwindigkeit
34 auf die Leitung hoher Strömungsgeschwindigkeit 33 überschaltet; 4) man vergrößert
die Strömung des Spülgases durch die Leitung 17, indem man von der Leitung niedriger
Strömungsgeschwindigkeit 26 auf die Leitung hoher Strömungsgeschwindigkeit 25 umschaltet.
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Es können auch bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 die Elemente 18, 19,
27 bis 32, 36, 37, 38, 44 bis 46 entfallen. Die Anordnung wird dann vor der Einführung
der Probensubstanz mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 23 und der
Säulenzuführungsleitung 13 betrieben. Dadurch ergibt sich eine Aufteilung an der
Verbindungsstelle 21, und ein Teil der Strammung durchsetzt die Säule 10 und der
restliche Teil die Verengung 35 in Richtung~zu der Verbindungsstelle 22.
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In die Probenzuführungsleitung 14 wird durch die Leitung 34
eine
Gasströmung geringer Geschwindigkeit eingeführt, und weiter wird in die Leitung
17 durch die Leitung 26 eine Strömung niedriger Strömungsgeschwindigkeit eingefUhrt.
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Die Auslaßleitung 15 ist zum freien Raum durch das Ventil 43 geöffnet.
Es wird dann eine Probenmenge an der Stelle 47 entweder durch eine Injektionsnadel
oder durch Fraktionierung einer Probenmenge in einem Fraktionierungsanschluß eingeführt.
Die Dämpfe der Probenmenge entwickeln sich langsam infolge der Verdampfung oder
Fraktionierung und werden in den Raum zwischen 47 und 22 eingeführt. Es kann eine
einfache Schleife vorgesehen sein, um dieses Volumen zu vergrößern. Wachdem die
Probenmenge allmählich verdanpft ist und sich in der Schleife mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit
gesammelt hat, wird das Ventil 43 geschlossen, und gleichzeitig werden die Probensuführungsleitung
und die Säulenzuführungsleitung umgeschaltet, so daß sich eine Strömung niedriger
Geschwindigkeit von der Leitung 24 in die Säulenzuführung 13 und eine Strömung hoher
Geschwindigkeit in die Probenleitung 14 von der Leitung 33 ergibt. Dadurch ergibt
sich eine vollständige Auseptilung der Verdampfungsprodukte der Probensubstanz in
die chromatographische Säule 10.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungegemäßen
Gasströmungsschaltung dargestellt, die dem Zweck
dienen kann, die
Gasströmung von einer Probengaszuführungs leitung einer oder zwei Ausgangsleitungen
zuzuführen, bei der jedoch eine wahlweise Steuerung von zwei Eingangsströmungen
erforderlich ist. Die Schaltung gemäß Fig. 3 besteht aus einer Verbindungsleitung
60 und einer Hauptleitung, der Probeneuführungsleitung 61. Eine Steuerzuleitungsleitung
62 und eine Ausgangsleitung 63 sind an der Verbindungsleitung 60 auf der einen Seite
der Hauptleitung 61 angesetzt. Eine weitere Steuerleitung 64 und eine Ausgangsleitung
65 sind an der Verbindungsleitung 60 an der anderen Seite der Hauptleitung 61 vorgesehen.
Die zu steuernde Gasströmung, die die Probengasströmung eines Gaschromatographen
sein kann, wird an der Leitung 61 zugeführt. Die Steuergasströmungen sind im allgemeinen
die rägergasströmungen eines Chromatographen in 62 und werden/den Steuerleitungen/und
64 zugeführt. Die steuernde Eingangsleitung 64 und die gesteuerte Ausgangsleitung
65 entsprechen der Säulenzuführungsleitung 13 der Fig. 1 und 2.
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Die Richtung der Hauptströmung durch die Ausgangsleitung 63 oder die
Ausgangsleitung 65 kann dadurch gesteuert werden, daß die Zuführungsgeschwindigkeiten
an den beiden steuernden Eingangsleitungen 62 und 64-gesteuert werden und dadurch
der Druck an der Verbindungsstelle der steuernden Eingangsleitungen und der Verbindungsleitung
60 in bezug auf den Druck an der Verbindungsstelle der Eingangsleitung 61 mit der
Verbindungsleitung 60 gesteuert wird. Es sind Mittel
vorgesehen,
um mit der steuernden Eingangsleitung 62 die Quelle einer Gas strömung höherer oder
niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu verbinden. Es sind auch Mittel vorgesehen,
um die Quelle einer Gasströmung höherer oder niedriger Strömungsgeschwindigkeit
mit der Steuerleitung 64 zu verbinden. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit an der
Leitung 62 hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit an der Leitung 64 niedrig ist,
so wird die gesamte Gasströmung, die an der Zuleitung 61 zugeführt wird, auf die
Ausgangsleitung 65 gerichtet. Wenn die StrUmungsgeschwindigkeit an der Zuleitung
64 hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit an der Zuleitung 62 niedrig ist, so
wird die gesamte an der Leitung 61 zugeführte Strömung auf die Leitung 63 geleitet.
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In einem praktischen Beispiel handelte es sich um eine Zuführungsgeschwindigkeit
von 30 cm3/min der Probensubstanz in der Hauptzuführungsleitung 61, wobei die Trägergasströmungen
in den Steuerleitungen umsteuerbar waren zwischen den Geschwindigkeiten 10 em3/min
und 60 cm3/min und die Ausgangsleitungen im wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand
hatten. Bei StrtSmungsgeschwindigkeiten des Trägergases 1 von 10 cm3/min und des
Trägergases B von 60 cm3/min war die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung B an
reinem Trägergas 50 cm3/min, und die Ausgangsgeschwindigkeit an der Leitung A betrug
50 cm3/min una
setzte sich zusammen aus 30 cm3/min an Probensubstanzströmung
und 20 cm3/min an Trägergasströmung. Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten der beiden
Trägergasströmungen umgekehrt wurden, ergab sich eine reine Trägergasströmung A
an der Ausgangsleitung 63 und eine aus Trägergas und Probensubstanz gemischte Strömung
B an der Leitung 65. Es ist offensichtlich, daß die Gasströmungssteuerung bewirkt
wird, ohne daß bewegte Teile in der Steuerzone erforderlich sind, und daß übliche
Ventile zur Änderung der Trägergasströmungen in weiterer Entfernung von der Verbindungsleitung
60 angeordnet werden können.
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Eine typische Ausführungsform einer Gasströmungsschaltung eines Chromatographen
mit entsprechenden Mitteln zur Umschaltung der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases
ist in Fig. 4 gezeigt. Die Verbindungsleitung 60 ist innerhalb des durch die punktierte
Linie 70 angedeuteten Gaschromatographen vorgesehen. Eine erste Ausgangsleitung
ist an die chromatographische Säule 71 angeschlossen und eine zweite Ausgangsleitung
an die chromatographische Säule 72. Die Quelle eines Trägergases ist an ein zwei
Umschaltstellungen und zwei umzuschaltende Leitungen aufweisendes Ventil 73 über
zwei Leitungsabschnitte höheren WidergtandeP 74, 75 angeschlossen. Die Verengungsleitung
74 liefert eine erste Strb.mungsgesc'hwindigkeit C1, und der Widerstand der
ähnlichen
Verengungsleitung 75 liefert eine zweite Strömungsgeschwindigkeit C2. Das Ventil
kann aus einem mehrere Durchlaßwege aufweisenden Ventil oder aus der Kombination
mehrerer Ventile bestehen, so daß sich in der einen Ventilstellung eine Verbindung
der Gas strömung C1 mit der Gasströmung CA ergibt und eine Verbindung der Gasströmung
C2 mit der Gasströmung CB, während in der anderen Stellung die Gasströmung C1 mit
der Ausgangsströmung OB und die Gas strömung C2 mit der Gasströmung CA verbunden
ist.
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Hinsichtlich Fig. 4 soll zunächst angenommen werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit
Cl der Trägergasströmung größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit C2 der Trägergasströmung.
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Wenn nun das Ventil 73 die Leitung mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit
C1 mit der Leitung CA verbindet, so wird die Probensubstanzströmung S zu der Säule
B geleitet. Wenn das Ventil 73 in seine andere Stellung umgelegt wird und die Trägergasströmung
gemb der Geschwindigkeit C1 der Leitung CB zuleitet, so wird die Probensubstanzßtrömung
zu der Säule A geleitet. Es ist leicht zu erkennen, daß die Verteilerleitung 60
und die angeschlossenen Zuleitungen und Ableitungen ohne Störung ihres Betriebes
bei beliebiger Temperatur betrieben werden können. Gleichzeitig kann das Ventil
73 entfernt von der die Gasströmungen umschaltenden Schaltung vorgesehen sein und
außerhalb des Chromatographengehäuse angeordnet sein, wo das Ventil nicht den hohen
Temperaturen des Chromatographen ausgesetzt iet.
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Es ist ferner offensichtlich, daß die Schaltung zur Umsteuerung der
Gasströmungen nicht auf die Anwendung eines bestimmten Ventils 73 in Fig. 4 beschränkt
ist, daß vielmehr beliebige Ventilanordnungen zur Umschaltung der Gasströmungen
unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden können.
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In einer Ausführungsform können die Leitungen geringerer Strömungsgeschwindigkeit
CAs OB festangeordnet sein, und es kann eine höhere Strömungsgeschwindigkeit unter
Anwendung eines nur eine Leitung umschaltenden Ventils erfolgen, welches nach Wahl
eine zusätzliche Trägergasströmung der einen oder der anderen Eingangsleitung zuführt.
Es ist ferner zu beachten, daß dieselbe hohe Strömungsgeschwindigkeit und niedrige
Strömungsgeschwindigkeit nicht an den beiden steuernden Leitungen zur Anwendung
kommen muß, obwohl dies im allgemeinen zweckmäßig ist. Die Größe für die Strömung
der höheren Gasgeschwindigkeit und der niedrigeren Gasgeschwindigkeit an den Steuerleitungen
ändert sich mit der Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptzuführungsleitung und mit
dem Verhältnis der Strömungswiderstände an den beiden Auslaßleitungen und kann leicht
im Hinblick auf die Gesamtapparatur gemessen werden. In dem allgemeinen Fall, in
dem der Strömungswiderstand der beiden Auslaßleitungen im wesentlichen gleich ist,
muß die höhere Strömungsgeschwindigkeit an der einen Steuerleitung größer sein als
die Summe der Strömungsgeschwindigkeit an der Haupteinlaßleitung und der anderen
Steuerleitung,
in der die Strömungsgeschwindigkeit niedriger ist, damit sich der Zustand ergibt,
daß die insgesamt zugeführte Strömung von der einen Ausgangsleitung auf die andere
Ausgangsleitung umgeschaltet wird. Die Umschaltung der Gasströmung kann auch erfolgen,
wenn die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit Null ist; im allgemeinen jedoch ist
es vorzuziehen, ein gewisses Maß an Strömungsgeschwindigkeit in jeder Steuerleitung
aufrechtzuhalten, damit eine Diffusion der Hauptströmung zurück durch die Leitung
geringerer Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird.
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Fig. 5 zeigt die Serienechaltung mehrerer erfindungsgemäßer Gasströmungssteuerschaltungen
zu dem Zweck, eine bestimmte Probenmenge in einen Gaschromatographen einzuführen
und die gaschromatographischen Säulen der Anordnung umzuschalten.
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Eine Verbindungsleitung 80 weist eine Hauptzuführungeleitung 81, eine
erste Steuerleitung 82 und eine zweite Steuerleitung 83 sowie eine erste Ausgangsleitung
84 und eine zweite Ausgangsleitung 85 auf. Zwischen der Ausgangsleitung 84 und der
Haupteinlaßleitung 90 einer weiteren Stufe ist eine Rohrschleife 86 ftir' die Probensubstanz
vorgesehen ; die Verbindungsleitung 91 weist die beiden Eingangs steuerleitungen
92 und 93 und die beiden Auegangeleitungen 94 und 95 auf.
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Im vorliegenden Fall führen die Auagangeleitungen 85 und 95 in den
freien Raum. Es ist zu beachten, daß die Anordnung der
Steuerleitungen
und der ßuagangsleitungen an der einen Seite der Haupteinlaßleitung nicht für die
Anordnung maßgeblich ist0 Die Ausgangsleitung 94 ist über eine Säule 106 mit der
Haupteingangsleitung 107 einer weiteren Verbindungsleitung 108 verbunden. Eine Steuerleitung
109 und eine Ausgangsleitung 110, die zu einer Säule 111 führt, sind an der einen
Seite der Haupteingangsleitung 107 vorgesehen. Eine weitere Steuerleitung 112 und
eine Ausgangsleitung 113, die zu einer Säule 114 führt, sind an der entgegengesetzten
Seite in bezug auf die Haupteingangsleitung 107 angeordnet. Die Ausgangsleitungen
der Säulen 111 und 114 sind zusammengefaßt zu einer Leitung 115 und führen zu einem
chromatographischen Detektor 116. Die Säulen und der Detektor sind die üblicherweise
in einem Gaschromatographen verwendeten Elemente und brauchen nicht näher beschrieben
zu werden.
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Im Betrieb einer Anordnung gemäß Fig. 5 wird die die Probensubstanz
führende Strömung an die Haupteinlaßleitung 81 angeschlossen, und eine Steuerströmung
höherer Strömungsgeschwindigkeit wird an die Eingangsleitung 83 angeschlossen, und
eine Steuerströmung niedriger Geschwindigkeit wird an die Eingangsleitung 82 angeschlossen.
Eine Steuerströmung hoher Strömungsgesehwhndigkeit wird an die Steuerleitung 92
angeschlossen, und eine Strömung niedriger Strömungswird
geschwindigkeit/an
die Steuerleitung 93 angeschlossen. Unter diesen Verhältnissen wird die gesamte
Strömung der Probensubstanz durch die Schleife 86 geleitet und fließt an der Auslaßleitung
95 ab. Wenn eine bestimmte Menge Probensubstanz der Säule 106 zugeführt werden soll,
so werden die Strömungsgeschwindigkeiten an den Eingangssteuerleitungen umgeschaltet,
so daß die Strömungen niedriger Strömungsgeschwindigkeit an den Leitungen 83 und
92 auftreten und die Strömungen hoher Strömungsgeschwindigkeit an den Leitungen
82 und 93. Der Teil der die Probensubstanz führenden Strömung in der Schleife 86
und in der Leitung 84 und der Leitung 90 wird an der Ausgangsleitung 94 eni in die
Säule 106 geleitet.
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Nach Durchführung der Injektion der Probensubstanz werden die Strömungsgeschwindigkeiten
wieder auf ihre ursprünglichen Vierte gebracht.
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Bei einer praktischen Ausführungsform kann die Säule 106 dem Zweck
dienen, eine Aufspaltung der Probensubstanz in eine erste Gruppe, bestehend aus
verhältnismäßig leicht verdampfbaren Komponenten, und eine zweite Gruppe, bestehend
aus verhältnismäßig schwer verdampfbaren Komponenten, zu bewirken.
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Die Komponenten leichter Verdampfbarkeit verlassen zuerst die Säule
106 und können in die Säule 111 geleitet werden, indem die hohe StrUmungsgeBchwindigkeit
an der Steuerleitung 112 und die niedrige Strömungsgeschwindigkeit an der Steuerleitung
109
herrscht. Zu einer gegebenen Zeit werden die Strömungsgeschwindigkeiten umgeschaltet,
so daß die weiteren Komponenten geringerer Verdampfungsfähigkeit der Säule 114 zugeleitet
werden. Es ist indessen die Säule 106 keine notwendige Voraussetzung einer Kaskadenschaltung.
Es kann anstelle der Säule 106 eine chemische Umwandlungsstufe oder eine Gasfalle
verwendet werden. rig. 6 zeigt eine Parallelschaltung, die den Zwecken der Steuerung
von Gas strömungen dient und insbesondere ermöglicht, aus einer Mehrzahl Eingangast;römungen
eine bestinte Strömung auszuwählen oder eine Mischung herbeizuführen. Die Schaltung
besteht aus der Verbindungsleitung 120 mit einer ersten Eingangsleitung 121 und
den sugehdrigen Steuerleitungen 122, 123 und einer zweiten Haupteingangsleitung
t24 mit den zugehörigen Steuerleitungen 125, 126. Eine Ausgangslei tung 127 ist
in bezug auf die erste Haupteingangsleitung 121 außen vorgesehen, und eine Ausgangsleitung
128 ist zwischen den Haupteingangsleitungen 121 und 124 angeordnet, und eine Ausgangsleitung
129 ist in bezug auf die Haupteingangsleitung 124 auBen vorgesehen. Die Schaltung
kann so betrieben werden, daß die Strömung der Haupteingangsleitung 121 der Ausgangsleitung
127 oder der Ausgangsleitung 128 zugeleitet wird und die Strömung an der Haupteingangsleitung
124 der Ausgangsleitung 129 oder der Ausgangsleitung 128 zugeleitet
wird.
Die Schaltung kann so betrieben werden, daß beide Eingangsströmungen durch die Ausgangsleitung
128 gleichzeitig abfließen oder auch zu verschiedenen Zeiten. Bei dieser Schaltungsanordnung
können nach Wahl die zugeführte Probensubstanzen enthaltenden Strömungen der mittleren
Ausgangsleitung 128 zugeleitet werden, 80 daß entweder keine oder eine der Probenströmungen
oder beide Strömungen gleichzeitig an der Ausgangsleitung erscheinen.
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Bei der Schaltung nach Fig. 6 können die folgenden Gasströmungsgeschwindigkeiten
in cm3/min vorgesehen sein: CA = 10, S1 = 20, C3 = 40, CC = 40, S2 = 20 und CD =
1O.Die Abflußgeschwindigkeiten sind dann 0A = 35 OB = 70 und 0C = Unter diesen Umständen
fließt die bei 121 zugeführte Strömung durch die Ausgangsleitung 127 und die bei
124 zugeführte Eingangsströmung durch die Ausgangsleitung 129. Die Strömung S1 kann
durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit CA auf 40 cm3/min und Erniedrigen der
Strömungsgeschwindigkeit CB auf 10 cm3/min der Ausgangsleitung 128 zugeführt werden.
In ähnlicher Weise kann die Eingangs strömung S2 der Leitung 128 zugeführt werden,
indem die Strömungsgeschwindigkeit CC auf 10 cm3/min erniedrigt wird und die Geschwindigkeit
CD auf 40 cm5/min vergrößert wird. Die Umschaltungen können der Reihe nach durchgeführt
werden, so daß nach Wahl die beiden Eingangeströmungen der mittleren Ausgangsleitung
zugeführt werden; es können auch die Umschaltungen gleichzeitig erfolgen,
damit
die beiden Eingangs strömungen in der Ausgangsleitung 128 kombiniert werden.
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Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erläutern, wie eine
Einführung von Probemengen in einen Gaschromatographen ohne Anwendung bewegter Teile
an den Umschaltstellen erfolgen kann. Die zur Anwendung gelangenden Ventile können
üblicher Art sein und müssen nicht bei der hohen Temperatur des Chromatographen
betrieben werden. Es ergeben sich daher keine Schwierigkeiten im Hinblick auf Dichtigkeit,
Lebensdauer und schnelle Umschaltmöglichkeit, Schwierigkeiten, die bei üblichen
Ventilanordnungen auftreten. Es können ferner die Zeitspannen zur Binführung-der
Probemengen beträchtlich kürzer gewählt werden, als man sonst im allgemeinen erreichen
kann. Die erfindungsgemäße Gasströmungeschaltung zur Umschaltung von Gasströmungen
eignet sich nicht nur für Gaschromatographen, sondern auch für andere Zwecke der
Steuerung von Gasströmungen.
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Patentansprüche: