DE102016005191A1

DE102016005191A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Senkung des Gasverbrauchs

Info

Publication number: DE102016005191A1
Application number: DE102016005191.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwieters; Michael Krummen; Hans-Jürgen Schlüter; Oliver KRACHT
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2036-04-30
Also published as: GB2541259A; US20160320362A1; US10338044B2; CN106093256B; CN106093256A; DE102016005191B4; GB2541259B

Abstract

Gastransportsystem für einen kontinuierlich gespülten chemischen Reaktor, umfassend: mindestens einen chemischen Reaktor, der mindestens einen Einlass zum Einbringen von mindestens einer Probe und mindestens einem Trägergas in den chemischen Reaktor, sowie mindestens einen Gasauslass zur Abgabe von Analytgas und Trägergas aus dem chemischen Reaktor aufweist; mindestens eine Probeneinbringungseinheit zum Zuführen der Probe in den chemischen Reaktor; mindestens eine mit dem Einlass des chemischen Reaktors fluidgekoppelte Trägergasleitung zum Einbringen von Trägergas aus einer Trägergasquelle in den chemischen Reaktor; mindestens eine Gasauslassleitung vom Gasauslass des chemischen Reaktors; mindestens eine Gasrecyclingleitung, die mit dem Gasauslass und/oder der Gasauslassleitung durch eine erste Gasleitungsabzweigung verbunden ist, die zwischen dem chemischen Reaktor und einer prozessabwärts angeordneten Detektionseinheit an der Gasauslassleitung angeordnet ist, und die mit der Probeneinbringungseinheit und/oder dem Einlass und/oder der Trägergaseinlassleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung verbunden ist, wobei das Gastransportsystem dafür ausgelegt ist, das Recycling von mindestens einem Teil des aus dem Auslass des chemischen Reaktors kommenden Gases zurück zum chemischen Reaktor über eine Gasrecyclingleitung zu ermöglichen. Ebenfalls ein Verfahren zur Regelung des Gasverbrauchs in einem ständig gespülten Elementaranalysator.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein kontinuierliches Gasstromsystem für Analysengeräte, wie z. B. u. a. Elementaranalysatoren. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Senkung des Gasverbrauchs in kontinuierlichen Durchfluss-Analysengeräten.
Hintergrund
Die Elementaranalyse ist ein Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder der Schwefelzusammensetzung von verschiedenen Materialien, einschließlich Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen. Bei der Elementaranalyse werden Proben typischerweise in einfache Gase wie z. B. H₂, CO, CO₂, N₂, SO₂ und H₂O umgewandelt, normalerweise durch Verbrennung oder Reduktion/Pyrolyse in einem Hochtemperaturreaktor (normalerweise bei ca. 1000°C oder darüber), und normalerweise mit Hilfe von Katalysatoren, um die Verbrennung zu erleichtern. Auch eine Kombination von zwei oder mehr Reaktoren sind <sic> nicht unüblich, z. B. ein Oxidationsreaktor kombiniert mit einem Reduktionsreaktor zur Reduzierung z. B. von Stickoxiden zu Stickstoff. Die Verbrennungsprodukte werden mittels eines Inertträgergases (z. B. He oder Ar) zu einem Detektor geführt. Die Proben können anschließend zur weiteren Erfassung weiter transportiert oder einfach entlüftet werden. Um eine quantitative oder qualitative Bestimmung jeder Gasspezies zu gestatten, wird das Gemisch getrennt, zum Beispiel in einer oder mehreren Chromatographiesäulen, wie z. B. einer Gaschromatographiesäule, oder durch Adsorptions-/Thermodesorptionstechniken, und mittels z. B. Flammenphotometriedetektion, Atomabsorptionsspektroskopie, Funkenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES), optische Absorptionsspektrometer (z. B. für Infrarotabsorption), Massenspektrometer, einschließlich Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS), Glimmentladungsmassenspektrometrie (GD-MS) oder durch Massenspektrometer zur Analyse des Isotopenverhältnisses detektiert.
Typische Systeme umfassen einen Reaktor zur Umwandlung von Probenmaterial in einfache Gase, eine oder mehrere chemische Fallen zur Adsorption von unerwünschten Gasanalyten wie z. B. H₂O, eine oder mehrere Trennsäulen und einen Detektor. Für eine hohe Reproduzierbarkeit wird das System ständig mit Trägergas gespült. Dies geschieht, um die Druck- und Temperaturniveaus beizubehalten, um die Einleitung von verunreinigenden Gasen wie z. B. Luft zu vermeiden, und um Schäden an Material und Chemikalien innerhalb des Systems zu vermeiden und Verunreinigungen ständig auszuspülen. Elementaranalysatoren können einen Durchfluss von bis zu mindestens 1000 ml/min. erfordern, der je nach dem Volumen, das gespült werden muss, unterschiedlich ist. Das größte Volumen im System ist der Verbrennungs- und/oder Reduktions- oder Pyrolysereaktor.
Bei einigen häufig verwendeten Systemen ist eine Durchflussmenge von 40 bis 300 ml/min., oder häufiger von 80 bis 200 ml/min. erforderlich. Die typische Analysezeit für eine Probe beträgt bis zu 15 Minuten. Weniger als 3 Minuten von dieser Zeit entfallen auf das Durchlaufen der Analytgase durch den Reaktor, und die übrige Zeit wird das System mit Trägergas gespült, das normalerweise entlüftet und somit durch Abgabe an die Atmosphäre vergeudet wird.
Das häufigste Trägergas ist Helium, aber dieses Gas ist in letzter Zeit sehr teuer geworden, zum Teil aufgrund seiner geringeren Verfügbarkeit. Um Kosten zu senken, ist es üblich, den Heliumverbrauch in Elementaranalysatoren durch Argon zu senken, zum Beispiel in Systemen, die von Thermo Fisher Scientific S. p. A (Rodano, Italien), Elementar Analysensysteme (Hanau, Deutschland), Perkin Elmer (Waltham, MA, USA) und LECO Corporation (St. Joseph, MI, USA) angeboten werden. Argon hat jedoch den Nachteil, dass es eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Ionisierungseffizienz aufweist, weshalb es besonders ungünstig ist, wenn ein Massenspektrometer für die Erfassung verwendet wird. Darüber hinaus macht die Verwendung von Argon als Trägergas die Neukalibrierung des Mengenflussreglers und den Austausch der Detektoren erfordert, da die gegenwärtigen Detektoren und Anwendungen der Systeme für die Verwendung von Helium als Trägergas ausgelegt sind.
Weiterhin wird der Verbrauch von Helium zu Zwecken eines Referenzsignals im Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD) eines typischen Elementaranalysators benötigt. Dieser Referenzstrom aus reinem Helium vergleicht die Wärmeleitfähigkeit der Referenz mit dem Gemisch aus Helium und Analytgas, das im Detektor ankommt. Dieser Referenzstrom wird auch zum Spülen der Probe im Probenaufgabesystem (zum Beispiel automatische Probengeber) verwendet, bevor diese in den Reaktor eingespritzt wird, um Umgebungsluft zu entfernen. Dieser Referenz-/Spülstrom aus Trägergas verhindert somit, dass beim Einspritzen verunreinigende Gase wie z. B. Stickoxid und Wasser in den Reaktor eindringen. Der Helium-Spülstrom kann bis zu 250 ml/min. betragen, und ist daher eine Hauptquelle für den Heliumverbrauch.
WO 98/36815 legt ein Trägergasrecyclingsystem für ein Analysengeräte <sic> wie z. B. einen Gaschromatographen offen, das Trägergas sammelt, reinigt, komprimiert und recycelt. Das System umfasst eine Vorrichtung zum Sammeln eines Trägergases zusammen mit Verunreinigungen, eine Reinigungseinrichtung zur Beseitigung von Verunreinigungen aus dem Trägergas, einen Kompressor zur Komprimierung des gesammelten und gereinigten Gases, eine Quelle eines Make-up-Trägergases und eine Vorrichtung zur Aufnahme von recyceltem, gereinigten Gas und zur Einbringung des recycelten Trägergases in das Analysengerät.
US 6,293,995 legt einen Gaschromatographen offen, der einen geschlossenen Regelkreis zur Speicherung und Wiederverwendung von Wasserstoff-Trägergas umfasst. Der Chromatograph umfasst ein Gasspeichersystem, das abgegebenes Gas von einem Detektor empfängt und das Gas für die spätere Wiederverwendung speichert. Das Speichersystem umfasst vorzugsweise ein Metallhybrid-Speichersystem.
Im US-Patent 8,308,854 wird ein System zum Recyceln von Heliumgas offengelegt, das eine Blase zur Aufnahme von heliumhaltigen Gas aus einer Entlüftungsöffnung eines Gaschromatographen, eine Quelle von mit Druck beaufschlagter Luft oder Gas zur Zufuhr von Gas in eine Kammer, die die Blase enthält, damit die Blase mit dem heliumhaltigen Gas komprimiert wird, einen mit dem Inneren der Blase verbundenen Gasspeicher zur Aufnahme des heliumhaltigen Gases, und mindestens ein Reinigungsmodul zur Beseitigung von Verunreinigungen aus dem heliumhaltigen Gas, sowie einen Auslass zur Kopplung des Reinigungsmoduls an einen Trägergaseinlass des Gaschromatographen umfasst.
Die vorliegende Erfindung fand vor diesem Hintergrund statt, um ein verbessertes und flexibles System zur Verfügung zu stellen, das weniger Trägergas als die im früheren Stand der Technik beschriebenen Systeme verbraucht. Die Erfindung stellt darüber hinaus ein Verfahren der Elementaranalyse zur Verfügung, das einen geringeren Gasverbrauch erfordert.
Zusammenfassung
Die Erfindung bietet ein Gasstromsystem mit geringerem Trägergasverbrauch, das keine Änderung des Trägergastyps erfordert, der bei bestehenden Detektoren und Anwendungen verwendet wird, die für die Verwendung mit einem bestimmten Gas (normalerweise Helium) ausgelegt sind. Die Erfindung basiert auf der Idee, dass durch eine Aufteilung des Gasstroms prozessabwärts von einem Probenbehälter oder einer Probenkammer (z. B. Reaktor) und eine Zurückleitung des größten Teil des Gasstroms vom Behälter zum Einlass des Behälters und/oder zum Probenaufgabesystem ein großer Anteil des Trägergases recycelt werden kann, was zu einem geringeren Trägergasgesamtverbrauch führt.
In Elementaranalysesystemen sind hohe Gasströme üblicherweise nur während der Probenumwandlung in großvolumigen Reaktoren erforderlich. Die nachfolgenden Komponenten des Analysesystems, einschließlich der Trennsäulen und Detektoren, sind im Allgemeinen für niedrige Durchflussmengen ausgelegt und können daher mit niedrigeren Gasstrommengen als der Reaktor gespült werden. Zu diesem Zweck kann der Innendurchmesser der Trennsäule verkleinert werden. Da konstante Systembedingungen vorteilhaft für optimale Analysebedingungen und somit die Reproduzierbarkeit von Analysen sind, muss ein ausreichender Gasstrom im Reaktor/in der Probenkammer gewährleistet werden, während der übrige Teil des Systems auf konstanten und normalerweise niedrigen Durchflussmengen gehalten wird. Wenn der Reaktor mit einem hohen Gasvolumen gespült wird, bedeutet dies, dass ein großer Anteil des während des Spülzeitraums verwendeten Gases in die Atmosphäre entlüftet werden muss.
Das erfindungsgemäße System bietet Trägergasrecycling, und somit einen niedrigeren Gasverbrauch, während es gewährleistet, dass Analytgase, d. h. Probengase oder aus der Probe in einem Reaktor erzeugtes Analytgas, (i) ohne Probenverlust oder irgendeine Veränderung der von der Probe bereitgestellten Analyseinformationen zum Detektor transportiert wird, und (ii) nicht in den Reaktor/die Probenkammer zurückgeleitet wird, wo es die folgenden Proben, die analysiert werden, verunreinigen könnte. Weiterhin kann das System in nützlichen Ausführungsformen einen Standby-Modus während der Standzeiten des Geräts bieten, bei dem ein konstanter Gasstrom aufrechterhalten wird, während der Gasverbrauch minimiert wird, um Schäden an der Hardware während des Standbys zu verhindern und die Wiederaufnahme der Betriebsbedingungen im System innerhalb einer kurzen Zeit zu ermöglichen.
Somit bietet die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Gastransportsystem für eine ständig gespülte Analysenvorrichtung, umfassend:

(i) mindestens einen Behälter für Analytgas, der mindestens einen Einlass zum Einbringen mindestens einer Probe und mindestens eines Trägergases in den Behälter, sowie mindestens einen Gasauslass zur Abgabe von Analytgas und Trägergas aus dem Behälter aufweist;
(ii) mindestens eine Probeneinbringungseinheit zur Zuführung der Probe in den Behälter;
(iii) mindestens eine mit dem Behältereinlass fluidgekoppelte Trägergasleitung zum Einbringen von Trägergas aus einer Trägergasquelle in den Behälter;
(iv) mindestens eine Gasauslassleitung vom Behältergasauslass, und
(v) mindestens eine Gasrecyclingleitung, die mit dem Gasauslass und/oder der Gasauslassleitung durch eine erste Gasleitungsabzweigung verbunden ist, und die mit der Probeneinbringungseinheit und/oder dem Einlass und/oder der Trägergaseinlassleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung verbunden ist.

Das Gastransportsystem kann daher dafür ausgelegt werden, das Recycling von mindestens einem Teil des aus dem Behälterauslass austretenden Gases über eine Gasrecyclingleitung zurück zum Behälter oder zu der Probeneinbringungseinheit zu ermöglichen.
Die Erfindung kann ebenfalls dahingehend erweitert werden, dass sie ein derartiges Gastransportsystem in oder in Verbindung mit einem Elementaranalysator bietet. In derartigen Ausführungsformen kann der Behälter ein Reaktor zur Verbrennung, Reduktion oder Pyrolyse der Probe sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Elementaranalysator bereitgestellt, der über ein System zum Recyceln von Gas, wie es hier beschrieben ist, verfügt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bietet ein Verfahren zur Regelung des Gasverbrauchs in einer ständig gespülten Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(i) Einströmen von Trägergas durch mindestens eine Trägergaseinlassleitung in mindestens einen Behälter,
(ii) Einbringen mindestens einer Probe aus mindestens einer Probeneinbringungseinheit in den Behälter,
(iii) Leiten von Gas aus mindestens einem Gasauslass am Behälter durch mindestens eine Gasauslassleitung,
(iv) Aufteilen des Gasstroms an einer ersten Gasstromabzweigung in der Gasauslassleitung zum Leiten eines Teils des Gasstroms zu mindestens einer Gasrecyclingleitung, die zu der Trägergaseinlassleitung und/oder der Probeneinbringungseinheit und/oder dem Behälter führt, und eines übrigen Teils des Gases weiter durch die Gasauslassleitung.

Eine Trennvorrichtung ist im vorliegenden Zusammenhang eine Vorrichtung zur Trennung der Komponenten von Proben. Normalerweise ist eine Trennvorrichtung eine Vorrichtung, die molekulare Komponenten einer Probe trennt, d. h. die Vorrichtung trennt eine oder mehrere Molekülspezies von einer oder mehreren anderen Molekülspezies innerhalb einer Probe von derartigen Spezies. In einigen Ausführungsformen ist die Trennvorrichtung eine Gaschromatographiesäule.
Ein Analytgas ist im vorliegenden Kontext ein Gas, das mindestens eine Komponente enthält, die analysiert werden soll. Ein Analytgas kann zum Beispiel ein Probengas sein. In bestimmten Ausführungsformen, z. B. wenn die Probe nicht in gasförmiger Form und/oder nicht in der für den verwendeten Detektor geeigneten molekularen Form vorliegt, muss die Probe jedoch in ein geeignetes Analytgas umgesetzt werden.
Eine Gasleitung bezieht sich im vorliegenden Kontext auf einen Kanal, ein Rohr, eine Leitung, ein Kapillarröhrchen oder dergleichen zum Gastransport. Für den Fachmann wird es ersichtlich sein, dass an der Gasleitung zusätzliche Komponenten, wie z. B. Abzweigungen, Ventile, Durchflussbegrenzer, Durchflussregler, Messgeräte und dergleichen angeordnet sein können. Diese Komponenten können manchmal auch in Fluidverbindung mit der Gasleitung stehen. Gasleitungen, die im vorliegenden Text als verbunden beschrieben sind, können direkt verbunden sein, oder sie können mittels geeigneter, dem Fachmann bekannter Vorrichtungen fluidisch verbunden sein.
Im vorliegenden Kontext ist ein Splitter eine Konstruktion an einer Gasleitung, die dazu dient, den Gasstrom aufzuteilen. Ein Splitter kann eine Splitleitung umfassen, das heißt eine Gasleitung zur Ableitung des Gases weg von einer anderen Gasleitung. Die beiden Gasleitungen – die Splitleitung und die Gasleitung – treffen in einem Abzweigstück zusammen, an dem die beiden Leitungen in Fluidverbindung miteinander stehen. Das Aufteilungsverhältnis wird von den nachfolgenden Begrenzungen prozessabwärts in den zwei Leitungen bestimmt.
In einer Ausführungsform kann die Gasrecyclingleitung z. B. an einem ihrer Enden durch eine erste Gasleitungsabzweigung mit dem Gasauslass verbunden werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Gasrecyclingleitung durch eine erste Gasleitungsabzweigung mit der Gasauslassleitung verbunden werden. In einigen Ausführungsformen kann die Gasrecyclingleitung z. B. an ihrem anderen Ende an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit der Probeneinbringungseinheit verbunden werden. In einigen Ausführungsformen ist die Gasrecyclingleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit dem Einlass verbunden. In einigen Ausführungsformen ist die Recyclingleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit der Gaseinlassleitung verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gasrecyclingleitung an einer ersten Gasleitungsabzweigung mit der Gasauslassleitung oder dem Gasauslass, und an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit der Trägergasleitung verbunden. Die Recyclingleitung kann ebenfalls über mehrere Gasleitungsabzweigungen, z. B. mehrere zweite Gasleitungsabzweigungen, gleichzeitig mit der Probeneinbringungseinheit, dem Einlass und/oder der Gaseinlassleitung verbunden sein.
Das Analytgas wird vorzugsweise in einem Trägergas bereitgestellt. Das Trägergas kann ein geeignetes Inertgas, wie z. B. Helium oder Argon sein. In einigen Ausführungsformen wird das Trägergas über eine Trägergasleitung bereitgestellt, die einen Gasspeicher umfasst, der in Fluidverbindung mit der Trägergasleitung steht. Der Gasspeicher wird somit in Reihenanordnung mit der Trägergasleitung bereitgestellt. Die Recyclingleitung kann mit dem Gasspeicher an einer zweiten Gasleitungsabzweigung verbunden sein, so dass das Gas in den Gasspeicher recycelt wird.
Das Analytgas kann durch einen chemischer Reaktor, zum Beispiel einen chemischen Reaktor oder einen chemischen Ofen eines Elementaranalysators, bereitgestellt werden.
Ein Behälter ist im vorliegenden Kontext ein Volumen, das sich für die Aufnahme, Erzeugung und/oder Zufuhr von Analytgas eignet. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der Behälter ein Reaktor, in dem eine Probe umgesetzt wird, um ein Analytgas zu bilden. Der Reaktor kann zum Beispiel ein Elementaranalysenreaktor sein, wie z. B. ein Verbrennungsreaktor, ein Reduktionsreaktor oder eine Pyrolysekammer. Der Reaktor umfasst vorzugsweise einen heizbaren Reaktor oder Ofen. In einigen Ausführungsformen kann das Analytgas dem Behälter als ein Probengas zugeführt werden, d. h. ohne dass eine Umwandlung in einem Reaktor erforderlich ist.
Die Gasrecyclingleitung kann an einer ersten Gasleitungsabzweigung mit der Gasauslassleitung oder dem Gasauslass, und an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit der Trägergaseinlassleitung verbunden sein. In einigen Ausführungsformen ist die Gasrecyclingleitung mit der Gasauslassleitung verbunden. Die zweite Gasleitungsabzweigung kann in einigen Ausführungsformen an der Trägergaseinlassleitung angeordnet sein oder in Fluidverbindung damit stehen. In einigen anderen Ausführungsformen ist die zweite Gasleitungsabzweigung an der Probeneinbringungseinheit angeordnet oder steht in Fluidverbindung damit. Die zweite Gasleitungsabzweigung kann sich ebenfalls am Behälter befinden oder in Fluidverbindung damit stehen, zum Beispiel durch einen Gaseinlass am Behälter.
Analytgas nach dem erfindungsgemäßen System oder Verfahren kann jedes Gas sein, das zugeführt oder in einem analytischen System erzeugt wird. Für die Zufuhr von Analytgas kommt daher jedes geeignete analytische System in Frage, das Analyten zur Trennung und/oder Erfassung bereitstellt. In einigen Ausführungsformen ist der Behälter ein Elementaranalysenreaktor, und das Analytgas ist ein Gas, das im Elementaranalysenreaktor erzeugt wird. Zu diesen Gasen zählen zum Beispiel N₂, CO₂, SO₂, CO und H₂. Analytgas kann auch H₂O umfassen, das in einigen Konfigurationen nicht erwünscht ist und daher in nützlichen Ausführungsformen mittels einer chemischen Falle entfernt werden kann.
Der mindestens eine Einlass am Behälter kann als ein einzelner Einlass bereitgestellt werden, mit dem eine Einlassleitung zur Zufuhr der Probe in einem Trägergasstrom verbunden ist. Der mindestens eine Einlass kann ebenfalls in Form von zwei oder mehreren Einlässen bereitgestellt werden, wobei die Probe durch einen oder mehrere Einlässe zugeführt wird und Trägergas durch einen oder mehrere Einlässe zugeführt wird. Die Probe kann im Allgemeinen als jede feste, flüssige oder gasförmige Probe oder als ein Gemisch aus festen, flüssigen und/oder gasförmigen Proben bereitgestellt werden. Flüssige Proben können als ein Strom oder ein Sprühstoff, z. B. aus mehreren Tropfen der Flüssigkeit, bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Probe im Behälter in eine Gasprobe umgewandelt werden, was zur Bildung von Analytgas führt. Wenn das System mit einem Elementaranalysenreaktor verwendet wird, wird die Probe oder das Probengemisch umgesetzt, um gasförmiges Analytgas wie z. B. N₂, CO₂, CO, H₂ oder SO₂, zu erzeugen, das durch den Reaktorauslass zugeführt wird.
Die Probeneinbringungseinheit kann jede Vorrichtung zum Einbringen von Proben in den Behälter zur weiteren Reaktion und/oder Analyse sein. Die Probeneinbringungseinheit kann in einigen Ausführungsformen eine Probeneinbringungsvorrichtung zur Zufuhr/zum Einbringen einer Probe in den Behälter, sowie eine Gasspülleitung zur Spülung der Proben und des Hohlraumvolumens in der Probeneinbringungsvorrichtung mit einem Gasstrom umfassen. Die Probeneinbringungsvorrichtung kann vorzugsweise als ein automatischer Probengeber bereitgestellt werden, der für die automatische Zufuhr von festen, flüssigen oder gasförmigen Proben in den Behälter sorgen kann. Die Probeneinbringungsvorrichtung kann vorzugsweise mit einem Inertgas gespült werden. Das Gas ist vorzugsweise auch ein Gas, das nicht in dem System analysiert wird, um eine Verunreinigung der noch zu analysierenden Proben in der Probeneinbringungsvorrichtung durch die Gasspülung zu vermeiden. Vorzugsweise ist das Spülgas in der Spülgasleitung das gleiche wie das Trägergas des Systems, wie z. B. Helium oder Argon.
Gas in der Gasspülleitung kann in einigen Ausführungsformen durch einen Gasspeicher bereitgestellt werden, der in Fluidverbindung mit der Gasspülgasleitung steht. Der gleiche Gasspeicher kann für die Zufuhr von Gas zur Trägergasleitung und zur Gasspülleitung verwendet werden. Alternativ können getrennte Gasspeicher für die Zufuhr von Gas zur Trägergasleitung bzw. zu den Gasspülleitungen vorgesehen werden.
Trägergas und/oder Spülgas können jeweils durch eine Trägergasversorgung und/oder eine Spülgasversorgung bereitgestellt werden. Dementsprechend kann das System weiterhin mindestens eine Gasversorgung zur Bereitstellung von Gas an die Trägergasleitung und/oder die Gasspülleitung umfassen. In einigen Ausführungsformen ist das Trägergas Helium oder Argon. Die Trägergasversorgung kann durch ein geeignetes Speichermedium bereitgestellt werden, wie z. B. einen Heliumtank oder einen Argontank.
Das System kann eine weitere Durchflussregelungsvorrichtung an der Trägergasleitung zur Regulierung des Gasstroms zur und in der Trägergasleitung und/oder der Gasspülleitung umfassen. In einigen Ausführungsformen wird an der Trägergasleitung und an der Gasspülleitung eine Durchflussregelungsvorrichtung bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen kann die gleiche Durchflussregelungsvorrichtung den Gasstrom in der Trägergasleitung und in der Gasspülleitung steuern. Es kann ebenfalls ein Durchflussregler an der Gasrecyclingleitung zur Regulierung des Gasstroms in der Gasrecyclingleitung angeordnet sein.
Durchflussregelungsvorrichtungen können im Allgemeinen durch jeden Durchflussregler oder jedes Regelventil bereitgestellt werden. Durchflussregelungsvorrichtungen können zum Beispiel ein Mengendurchflussregler oder Proportionalventil, ein Volumenstromregler oder eine schaltbare Kombination aus festen Durchflussbegrenzungen sein, die eine Einstellung des Durchflusses in einzelnen Schritten ermöglicht. Derartige Durchflussregelungsvorrichtungen werden z. B. in den Patenten US 7,928,369 und WO 2007/112876 beschrieben. Durchflussregelungsvorrichtungen können manuell oder automatisch betrieben werden. Sie können ebenfalls einen oder mehrere automatische oder manuelle Druckregler umfassen, der mit mindestens einer Durchflussbegrenzung prozessabwärts vom Druckregler kombiniert ist. Durchflussregelungsvorrichtungen können ein automatischer, elektronischer oder digitaler Durchflussregler sein, wie zum Beispiel in WO 2007/112876 offengelegt. Ein Beispiel für eine Durchflussregelungsvorrichtung ist die ConFlo IV^TM von Thermo Scientific.
Die Gasrecyclingleitung kann an einer zweiten Gasleitungsabzweigung mit der Gasspülleitung verbunden sein. Durch eine solche Verbindung kann Gas, das der Recyclingleitung zugeführt wird, als Spülgas zur Spülung der Probeneinbringungsvorrichtung verwendet werden. Diese Anordnung führt zu einem geringeren Spülgasverbrauch im System, da ein Teil des Gases, das durch den Auslass des Behälters zugeführt wird, in die Gasspülleitung zurückgeführt wird.
Ein oder mehrere Ventile können im System zur Steuerung des Gasstroms in der Trägergasleitung, der Spülleitung, der Gasauslassleitung und/oder der Recyclingleitung angeordnet sein. Zum Beispiel kann/können ein oder mehrere Ventile an der Recyclingleitung angeordnet sein oder in Fluidverbindung mit ihr stehen. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder die mehreren Ventile an einer Gasleitungsabzweigung angeordnet sein, wie z. B. die erste Leitungsabzweigung und/oder die zweite Leitungsabzweigung. In einer Ausführungsform ist ein Ventil an der Gasrecyclingleitung zur Steuerung des Gasstroms in der Gasrecyclingleitung angeordnet. Das Ventil kann ebenfalls in Fluidverbindung mit der Gasrecyclingleitung stehen. In einer Ausführungsform ist das Ventil ein Umschaltventil, das über eine Stellung verfügt, in der Gas durch die Gasrecyclingleitung fließen kann, und über eine andere Stellung, in der Gas am Fließen durch die Gasrecyclingleitung gehindert wird.
Es kann vorteilhaft sein, an der Gasrecyclingleitung eine Reinigungseinheit zur Beseitigung unerwünschter Spezies anzubringen. Eine solche Reinigungseinheit kann auf geeignete Weise eine Falle darstellen, und kann in einigen Ausführungsformen eine chemische Falle (z. B. wie die von Nafion^®), ein Trockner, eine Kühlfalle oder eine Adsorptionsfalle darstellen, ohne darauf beschränkt zu sein. In einigen Ausführungsformen beseitigt die Reinigungseinheit verbleibendes Wasser und/oder CO₂, das ansonsten Proben in der Probeneinbringungsvorrichtung verunreinigen könnte. Dementsprechend gibt es in einigen Ausführungsformen mindestens eine Reinigungseinheit, wie z. B. u. a. eine an der Gasrecyclingleitung angeordnete chemische Falle. Die Reinigungseinheit ist vorzugsweise prozessabwärts von einem Ventil zur Steuerung des Gasstroms in der Recyclingleitung, zwischen dem Ventil und der zweiten Gasleitungsabzweigung, angeordnet.
An der Recyclingleitung kann eine offene Entlüftungsöffnung zum Entlüften von Gas in der Recyclingleitung an die Atmosphäre angeordnet sein. Die Entflüftungsöffnung ist vorzugsweise fluidisch mit der Recyclingleitung verbunden. An der offenen Entlüftungsöffnung oder in Fluidverbindung mit der Entlüftungsöffnung kann ein Ventil zur Steuerung des Gasstroms durch die Entlüftungsöffnung angeordnet sein. In einer Ausführungsform ist das Ventil ein Umschaltventil, das sich an der Gasrecyclingleitung und der Gasentlüftungsöffnung befindet oder in Fluidverbindung damit steht, wobei das Ventil über eine erste Stellung verfügt, in der Gas am Fließen durch die Entlüftungsöffnung gehindert wird und Gas durch die Gasrecyclingleitung fließen kann, und eine zweite Stellung, in der Gas durch die Gasentlüftungsöffnung fließen kann und Gas am Fließen durch die Gasrecyclingleitung hin zur Probenzufuhreinheit und/oder Trägergasleitung gehindert wird. Dadurch kann Gas, das in die Gasrecyclingleitung fließt, an die Luft entlüftet werden, anstatt im Behälter und/oder der Probeneinbringungseinheit (z. B. automatischer Probengeber) wiederverwendet zu werden. Das kann nützlich sein, insbesondere während und/oder nach der Probenzufuhr zum Behälter, um Verunreinigungen der nachfolgenden Proben zu vermeiden. Das Entlüften an die Atmosphäre kann auch nützlich sein, um eine Probenüberladung an der Trennsäule zu vermeiden.
Das derartig angeordnete Umschaltventil kann daher dem zweifachen Zweck der Steuerung des Gasstroms durch die offene Entlüftungsöffnung und des Gasstroms durch die Recyclingleitung dienen.
Auch ein Kompressor oder eine Pumpe kann an der Recyclingleitung angeordnet sein. Das ist besonders nützlich bei einer Anordnung, bei der die Recyclingleitungsspeisung zu einem Gasspeicher auf leichtem Überdruck, z. B. 2–3 bar, gehalten wird. Ein derartiger Behälter kann zum Beispiel in Fluidverbindung mit der Trägergasleitung stehen und eine Gasquelle für die Trägergasleitung und/oder die Gasspülleitung bereitstellen. Da Gas, das in die Gasrecyclingleitung fließt, typischerweise Atmosphärendruck oder fast Atmosphärendruck hat, wird es notwendig sein, einen Kompressor an der Recyclingleitung oder in Fluidverbindung mit dieser anzuordnen, um den Gasspeicher während des Recyclings auf Überdruck zu halten. Ein Regler kann an der Recyclingleitung angeordnet sein, der eine Eingabe von einem Druckmesser am Gasspeicher empfängt, und ein Signal an den Kompressor zur Aufrechterhaltung des gewünschten Drucks im Gasspeicher weitergibt. In einer solchen Konfiguration kann es auch wünschenswert sein, einen Durchflussregler, z. B. einen Mengen- oder Volumenstromregler, an der Recyclingleitung anzuordnen.
In einigen Ausführungsformen kann es notwendig sein, die Probeneinbringungsvorrichtung (z. B. einen automatischen Probengeber) vor der Einbringung der Probe in den Behälter, z. B. eine Elementaranalysenkammer oder einen Elementaranalysenofen, zu spülen, um sicherzustellen, dass die Probenzufuhr keine verunreinigenden Gase einbringt. Die Spülung kann durch das Recycling eines Teil des Trägergases, das durch den Behälter durch die Recyclingleitung und in die Probeneinbringungsvorrichtung gespült wird, verstärkt werden. Vorzugsweise wird ein großer Teil des Trägergases, das durch den Behälter fließt, auf diese Weise vor der Probeneinbringung recycelt. Nach der Einbringung der Probe in den Behälter kann der Gasstrom durch die Recyclingleitung verringert oder vollständig verhindert werden. Dies geschieht, um den Gesamtverbrauch an Trägergas zu senken. Die Probe in der Probeneinbringungseinheit wird anschließend mit einer kleineren Gasmenge bis kurz vor deren Einspritzen für die nachfolgende Analyse gespült. Dieser Modus mit „einem niedrigeren Trägergasstrom” kann aufrecht erhalten werden, bis wenig oder nichts mehr von der Probe im Strom des Trägergases aus dem Behälter vorhanden ist, zumindest in dem Strom prozessaufwärts des Abzweigstücks an dem Auslass oder der Auslassleitung mit der Recyclingleitung. Wenn eine ausreichend niedrige Konzentration an Probengas im Trägergas erreicht worden ist, kann die Recyclingleitung für das Recycling geöffnet werden. Polare Gase wie z. B. CO2 und SO2 brauchen länger, um aus dem System ausgespült zu werden, aber in Ausführungsformen, bei denen eine Falle (chemische Falle oder andere Falle) in der Recyclingleitung angeordnet ist, kann recycelt werden, auch wenn es noch eine Hintergrundkonzentration von solchen Gasen im Strom vom Behälter gibt, falls die Konzentration solcher Gase prozessabwärts von einer solchen Falle ausreichend niedrig ist. Wie als Option vorstehend beschrieben, kann verhindert werden, dass Gas durch die Recyclingleitung fließt, indem Gas, das in die Recyclingleitung fließt, entlüftet wird an die Atmosphäre mittels eines Umschaltventils, das den Gasstrom in eine offene Entlüftungsöffnung an der Recyclingleitung steuert. Somit kann durch Entlüften, nicht Recyceln, des gelenkten Gasstroms durch die Gas-Bypass-Leitung, bis im Wesentlichen die gesamte Probe aus dem Gasstrom verschwunden ist, die Verunreinigung der nachfolgenden Proben verhindert werden. „Im Wesentlichen die gesamte”, wie in diesem Schriftstück verwendet, muss im Kontext der entsprechenden eingesetzten Vorrichtung und Analyse verstanden werden; wenn „im Wesentlichen die gesamte” Probe verschwunden ist, bedeutet dies, dass jeder Probenrest unterhalb eines Niveaus liegt, das die nachfolgende Analyse beeinträchtigen würde.
Während und/oder nach der Probeneinbringung und typischerweise bis die gesamte Probe oder das gesamte Analytgas erfasst worden ist, ist es auch möglich, den Gasstrom durch die Recyclingleitung zu verhindern und gleichzeitig den Trägergasstrom durch das System zu senken, z. B. durch Senken der Trägergasdurchflussmenge in den Behälter mittels eines Durchflussreglers. Damit wird das gesamte Gas, das aus dem Behälter fließt, hin zur Detektionseinheit geleitet, und somit der Gasstrom durch die mindestens eine Trenneinheit und zu dem mindestens einen Detektor geleitet. Auf diese Weise bleibt der Gasstrom durch den analytischen Teil des Systems wie z. B. die Trennvorrichtung und/oder den Detektor vorzugsweise konstant und eine Verunreinigung des Behälters über die Recyclingleitung wird verhindert.
Durchflussmengen in Gasleitungen des Systems, wie z. B. den Gasspülleitungen, der Gasrecyclingleitung und/oder der Gasauslassleitung können im Allgemeinen im Bereich von 10 bis 1000 ml/min. liegen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann die Durchflussmenge in der Gasspülleitung während des Spülens im Bereich von 20 bis 800 ml/min., im Bereich von 30 bis 600 ml/min., im Bereich von 40 bis 400 ml/min., im Bereich von 100 bis 300 ml/min., im Bereich von 150 bis 250 ml/min. oder bei ca. 200 ml/min. liegen. Durchflussmengen in der Trägergasleitung können im Bereich von 5 bis 500 ml/min., wie z. B. 5 bis 400 ml/min., 5 bis 300 ml/min., 5 bis 200 ml/min. oder 5 bis 100 ml/min. liegen. Durchflussmengen in der Gasauslassleitung prozessabwärts von der ersten Gasleitungsabzweigung können im Bereich von 5 bis 500 ml/min., wie z. B. 5 bis 400 ml/min., 5 bis 300 ml/min., 5 bis 200 ml/min., 5 bis 100 ml/min., 5 bis 50 ml/min. oder 5 bis 30 ml/min. liegen.
Dementsprechend ist die Gasrecyclingleitung in einigen Ausführungsformen so konfiguriert, dass, wenn der gesamte Gasstrom vom Behälterauslass im Bereich von ungefähr 80 bis ungefähr 1000 ml/min. und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 300 ml/min. liegt, ein Gasstrom, der im Bereich von ungefähr 5–35 ml/min. und vorzugsweise im Bereich von 10–20 ml/min. liegt, durch die genannte erste Gasleitungsabzweigung weiter durch die Gasauslassleitung während des Recyclings fließt.
Wie es sich jedoch verstehen sollte, kann das System so konfiguriert sein, dass ein gewünschter Teil des Gases in der Gasauslassleitung in die Gasrecyclingleitung abgeleitet wird. Durch Auswahl von Gasleitungen mit geeigneten Abmessungen und/oder durch das Anordnen von Durchflussreglern zur Steuerung des Gasstroms in der Gasauslassleitung und/oder der Recyclingleitung kann jeder gewünschte Teil des Gasstroms durch die Gasrecyclingleitung recycelt werden.
Im Allgemeinen ist das erfindungsgemäße Gastransportsystem Bestandteil eines kontinuierlichen Durchflusssystems, d. h. es besteht immer ein Gasstrom durch den Behälter hin zu einer Detektionseinheit, die mindestens eine Trenneinheit, z. B. eine Trennsäule oder dergleichen, zum Trennen von Analytgasspezies (z. B. verschiedenen Analytgasen wie z. B. N₂, CO₂, CO, H₂ und/oder SO₂), und mindestens einen Detektor umfasst. Daher wird während der Aufteilung des Gasstroms in der Gasauslassleitung in die Gasrecyclingleitung Gas, das weiter durch die Gasauslassleitung geleitet wird, in die Detektionseinheit fließen. Dementsprechend ist die Gasrecyclingleitung in einigen Ausführungsformen so konfiguriert, dass während des Recyclings im Bereich von ungefähr 1–50 Vol.-% Gas aus dem Behältergasauslass weiter durch die Gasauslassleitung geleitet wird und im Bereich von 50–99 Vol.-% Gas aus dem Behälterauslass zur Gasrecyclingleitung geleitet wird, und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 2–40 Vol.-%, wie z. B. im Bereich von ungefähr 2–33 Vol.-% und bevorzugter im Bereich von ungefähr 5–25 Vol.-% Gas aus dem Behältergasauslass weiter durch die Gasauslassleitung geleitet wird, wie z. B. im Bereich von 5–20 Vol.-%, oder im Bereich von 10–20 Vol.-%, wie z. B. ungefähr 15 Vol.-% oder ungefähr 20 Vol.-%, und im Bereich von 95–75 Vol.-% Gas aus dem Behälterauslass zur Gasrecyclingleitung geleitet wird. Vorzugsweise mindestens 50%, oder mindestens 60%, oder mindestens 70%, oder mindestens 80%, oder mindestens 90% des Gasstroms aus dem Behälter können in die Gasrecyclingleitung umgeleitet werden.
Die Detektionseinheit ist vorzugsweise mit der Gasauslassleitung prozessabwärts von der genannten ersten Gasleitungsabzweigung verbunden, so dass es mindestens eine Trenneinheit, z. B. eine Gaschromatographiesäule, die prozessabwärts von der ersten Gasleitungsabzweigung angeordnet ist, und mindestens einen Detektor prozessabwärts von der genannten Trenneinheit gibt. In einigen Ausführungsformen gibt es zwei Trenneinheiten, zum Beispiel zwei in Reihe angeordnete Gaschromatographiesäulen. Eine Falle, wie z. B. u. a. eine chemische Falle, Trockenfalle (Trockner), Kühlfalle oder Adsorptionsfalle, kann ebenfalls prozessaufwärts von der mindestens einen Trenneinheit, prozessabwärts von der ersten Gasleitungsabzweigung angeordnet sein.
Der Detektor kann jeder Detektor sein, der sich für die analytische Anwendung von Gasproben eignet. Zum Beispiel kann der Detektor aus der aus einem Massenspektrometer, einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor und einem optischen Spektrometer bestehenden Gruppe ausgewählt werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der Detektor ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor. In einigen Ausführungsformen ist der Detektor ein Massenspektrometer. In einigen Ausführungsformen sind zwei Detektoren angeordnet, zum Beispiel ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor gefolgt von einem Massenspektrometer.
In einer andern Ausführungsform der Erfindung ist eine Bypass-Gasleitung vorgesehen, die an der Gasauslassleitung, prozessabwärts von der Trenneinheit, angeordnet sein kann. Die Bypass-Gasleitung kann durch Abspalten eines Teils des Gasstroms aus der Trenneinheit durch einen Gassplitter bereitgestellt werden, z. B. eine Bypass-Gasleitung, die mit der Gasauslassleitung prozessabwärts von der Trennvorrichtung verbunden ist. Dementsprechend kann ein Gasstromsplitter prozessabwärts von der Trenneinheit bereitgestellt werden, der einen aus der Trenneinheit austretenden Gasflussstrom in einen Gasstrom, der in die Bypass-Leitung fließt, und einen Gasstrom, der in den Detektor fließt, aufteilt. Die Bypass-Gasleitung kann fluidisch mit der Gasrecyclingleitung verbunden sein. Ein Ventil kann an der Bypass-Gasleitung zur Steuerung des Gasstroms in der Bypass-Gasleitung angeordnet sein. Das Ventil kann ein Umschaltventil sein, das die Bypass-Leitung mit der Gasrecyclingleitung verbindet, wobei das Umschaltventil über mindestens zwei Stellungen verfügt, von denen eine erste Stellung das Fließen von der ersten Gasstromabzweigung durch die Recyclingleitung ermöglicht und das Fließen von Gas von der Bypass-Leitung zur Recyclingleitung verhindert, und eine zweite Stellung, die das Fließen von der ersten Gasleitungsabzweigung zur Recyclingleitung verhindert und das Fließen von der Bypass-Leitung zur Recyclingleitung ermöglicht. Dementsprechend kann das Ventil den Gasstrom durch die Recyclingleitung hin zu der Trägergasleitung, der Probeneinbringungseinheit (z. B. dem automatischen Probengeber) oder der Gasspülleitung regulieren, sowie den Gasstrom durch die Bypass-Leitung regulieren. Das Ventil ist vorzugsweise prozessaufwärts von allen Durchflussreglern, Fallen oder Kompressoren bereitgestellt, die an der Gasrecyclingleitung angeordnet sein können.
Die Bypass-Gasleitung kann für das Entlüften eines Teils des Gasstroms prozessabwärts von der Trenneinheit in die Atmosphäre zweckmäßig sein. Das kann durch eine offene Entlüftungsöffnung geschehen, die an der Bypass-Leitung oder Recyclingleitung angeordnet sein kann, und die durch ein Ventil an der Entlüftungsöffnung und/oder der Gasrecyclingleitung oder in Fluidverbindung damit reguliert werden kann. Dieses Merkmal kann beim Konzentrieren von Analytgasen an der Trennsäule nützlich sein, während ein kontinuierlicher Gasstrom in den Detektor aufrecht erhalten wird. Somit kann ein Teil des Gasstroms durch die Trennsäule durch eine offene Bypass-Gasleitung abgespalten und an die Luft durch eine offene Entlüftungsöffnung an der Gasrecyclingleitung oder Bypass-Leitung entlüftet werden. Während dieser Zeit wird vom Splitventil, das den Strom in der Gasrecyclingleitung und der Bypass-Gasleitung reguliert, der Gasstrom in die Recyclingleitung durch die erste Gasleitungsabzweigung verhindert. Nachdem eine Probe in die Trenneinheit, z. B. eine Trennsäule, geladen worden ist, kann der Gasstrom durch die Bypass-Gasleitung verhindert werden und gleichzeitig der Gasstrom durch die Gasrecyclingleitung durch Ändern der Stellung des Umschaltventils ermöglicht werden. Das führt zu einem niedrigeren Gasstrom durch die Trenneinheit, was bedeutet, dass Analytgase an der Trenneinheit aus der Einheit mit einer erhöhten Konzentration austreten werden, da die Durchflussmenge während der Trenneinheit verringert wird. Durch diesen Prozess kann ein kontinuierlicher Gasstrom in den Detektor bereitgestellt werden.
Die Umschaltung des Gasstroms in die Bypass-Gasleitung kann vorprogrammiert werden, basierend auf der Konfiguration des Systems, wie z. B. seiner Kapazität oder seinem Volumen, und der Trägergasdurchflussmenge. Als ein Beispiel können in einer Konfiguration N₂ und CO₂-Gase die Möglichkeit haben, eine Gaschromatographiesäule mit einer ersten (hohen) Durchflussmenge zu verlassen. Nach ihrer Erfassung durch den Detektor wird der Gasstrom mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verringert, so dass Analyten mit einer höheren Verweilzeit, wie z. B. SO₂, an der Säule konzentriert werden können.
Es sollte sich jedoch verstehen, dass jeder wünschenswerte Teil des Gasstroms in die Bypass-Gasleitung abgespalten werden kann, um dem Zweck der Analyse zu dienen. So kann im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 99% des Gasstroms in die Bypass-Gasleitung umgeleitet werden, wie z. B. im Bereich 5 bis 90%, 10 bis 80%, 10 bis 70%, 10 bis 60%, 10 bis 50%, 20 bis 60%, oder 30 bis 60%. Vorzugsweise mindestens 50%, oder mindestens 60%, oder mindestens 70%, oder mindestens 80%, oder mindestens 90% des Gasstroms können in die Bypass-Gasleitung umgeleitet werden.
Wenn mehrere Trenneinheiten vorhanden sind, z. B. zwei oder mehr Trennsäulen, kann die Bypass-Gasleitung prozessabwärts von der ersten Trennsäule angeordnet sein, und prozessaufwärts von der zweiten Trennsäule, oder prozessabwärts von zwei oder mehr Trenneinheiten.
Das erfindungsgemäße System kann so konfiguriert werden, dass es mindestens einen Regler zur Steuerung der Ventilstellung von mindestens einem Ventil umfasst. Der Regler kann vorzugsweise so ausgelegt sein, dass er eine Eingabe über mindestens einen Systemparameter empfangen, zum Beispiel einen Parameter, der Vorhandensein und/oder Nichtvorhandensein, Konzentration oder Druck von Gas im System (z. B. Analytgas und/oder Trägergas) widerspiegelt, und ein Signal an mindestens ein Ventil basierend auf den Parameterinformationen weitergeben kann. In einigen Ausführungsformen ist der Regler dafür ausgelegt, eine Eingabe über die Konzentration über mindestens ein Analytgas zu empfangen, und wobei der Regler in der Lage ist, die Stellung von mindestens einem der Ventile in dem System basierend auf dem mindestens einen Messzellenparameter einzustellen. In einigen Konfigurationen ist der Regler dafür ausgelegt, die Stellung von mindestens einem Ventil, wie z. B. mindestens einem Umschaltventil, einzustellen. Die Ventile können also auch dafür ausgelegt sein, eine Eingabe von einem Regler empfangen zu können, ihre Stellung je nach dem Signal von dem Regler ändern zu können. Der Regler kann auch dafür ausgelegt sein, eine Eingabe über die Zeit, die während einer oder mehreren Phasen des Systems vergangen ist, zum Beispiel beim Spülen eines automatischen Probengebers, Zeit seit dem Einbringen der Probe in den Behälter oder dem Zuführen vom Behälter, wie z. B. einem Elementaranalysator, zu empfangen. Der Regler kann somit dafür ausgelegt werden, die Stellung von einem oder mehreren Ventilen basierend auf der Proben- oder Analytgaskonzentration, Proben- oder Analytgas-Vorhandensein oder Proben- oder Analytgas-Nichtvorhandensein, oder Zeitparametern zu regulieren. Zum Beispiel kann der Regler Informationen über die Spülzeit des automatischen Probengebers empfangen, und die Stellung von mindestens einem Umschaltventil steuern, um Recycling und/oder Entlüftung von recyceltem Gas an die Atmosphäre während einer Probenaufgabe zu verhindern. Der Regler kann auch dafür ausgelegt sein, die Stellung von mindestens einem Durchflussregler, wie z. B. einem Mengendurchflussregler, zu regulieren.
Der Regler kann ebenfalls eine Eingabe über die Konzentration und/oder das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von mindestens einem Analytgas in der Gasauslassleitung, zum Beispiel am Detektor, empfangen. Die Bestimmung der Menge von mindestens einem Gas wird dazu verwendet, eine Entscheidung über die Stellung von dem mindestens einen Ventil im System zu treffen. Zum Beispiel kann der Regler zur Vorkonzentrierung eines Analytgases vom Detektor Informationen über das Vorhandensein von mindestens einem Analytgas, wie z. B. N₂ und/oder CO₂, die typischerweise zuerst in einer Trennvorrichtung wie z. B. einer Gaschromatographiesäule eluieren, empfangen. Der Regler kann anschließend ein Signal an mindestens ein Umschaltventil senden, das zu einem verringerten Strom in die Trennsäule führt, da ein Teil des Gases in der Gasauslassleitung in die Gasrecyclingleitung umgeleitet wird. Der Regler kann gleichzeitig ein Signal an mindestens ein anderes Umschaltventil zur Regulierung des Stroms in einer Bypass-Leitung, die von einem Gassplitter prozessabwärts vom Detektor führt, weitergeben, so dass ein kontinuierlicher Gasstrom in den Detektor bereitgestellt wird, während der Gasstrom in die Trennsäule verringert wird. Detektion. <sic>
Der Regler kann in einer anderen Ausführungsform so konfiguriert werden, dass er die Ventilstellung von mindestens einem Ventil an der Recyclingleitung steuert. Zum Beispiel kann der Regler so konfiguriert werden, dass er ein Umschaltventil an der Recyclingleitung zum Entlüften von Gas in der Recyclingleitung an die Luft öffnet, so dass eine Verunreinigung der Proben, die im Elementaranalysereaktor analysiert werden sollen, verhindert wird. Der Regler kann vorzugsweise einen Systemparameter wie z. B. Zeit zur Festlegung des Umschaltventils verwenden.
In einigen Ausführungsformen wird Analytgas im erfindungsgemäßen System durch einen Elementaranalysator bereitgestellt. Der Analysator kann mit einer Trägergasversorgung bereitgestellt werden, die für den Transport der Analyten, die in dem chemischen Reaktor des Elementaranalysators erzeugt werden, in die Gasauslassleitung verwendet werden. Darüber hinaus kann das System mehr als eine Trägergasversorgung umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung werden eine oder mehrere Systemabzweigungen als ein T-Abzweigstück bereitgestellt. In diesem Zusammenhang bedeutet ein T-Abzweigstück jedes Abzweigstück mit drei Fließkanälen, d. h. ein Abzweigstück, das drei Arme hat. Das T-Abzweigstück kann als ein T-Stück, als ein Y-Stück oder als ein Abzweigstück mit drei orthogonalen Kanälen bereitgestellt werden. Das Abzweigstück kann weiterhin als ein zweidimensionales Abzweigstück bereitgestellt werden, bei dem die drei Kanäle innerhalb derselben Ebene liegen, oder das Abzweigstück kann als eine dreidimensionale Struktur bereitgestellt werden, bei der die drei Kanäle nicht alle in derselben Ebene liegen (d. h. als ein dreidimensionaler „Dreifuß”).
Komponenten des erfindungsgemäßen Systems, zum Beispiel die Gaseinlassleitung, die Gasauslassleitung, die Recyclingleitung, die Bypass-Leitung und Splitleitungen, und einschließlich der hier beschriebenen Gasleitungsabzweigungen, können in einem maschinell bearbeiteten Block, d. h. als ein mechanisches Teil, bereitgestellt werden. Das heißt, dass die Herstellung des Systems durch spanende Bearbeitung aus einer Masse von Material, wie z. B. einem Metallblock, durchgeführt werden kann. Weiterhin gewährleistet die Verwendung von T-Abzweigstücken, mit oder ohne Herstellung in einem maschinell bearbeiteten Block, dass Strom durch die Öffnungen in den Abzweigstücken unter voller mechanischer Kontrolle sind <sic>. Das T-Abzweigstück-Design stellt sicher, dass die Diffusionswege wirksam getrennt sind, was die Einrichtung und Kalibrierung des Systems erleichtert, da alle Fließeigenschaften klar definiert und vorhersagbar sind.
Weiterhin sollte es sich verstehen, dass die Erfindung mit in der Technik bekannten Gaseinlassystemen kombiniert werden kann, einschließlich zum Beispiel Trägergaseinlasssysteme, die einen Gasstrom zum Gastransport in analytischen Systemen bereitstellen.
Das erfindungsgemäße System kann kombiniert mit oder einschließlich jedem geeigneten an <sic> oder mehreren Detektoren zur Erfassung von gasförmigen Analyten, einschließlich aller vorstehend beschriebenen, oder einer oder mehrerer Detektionseinheiten, die eine Trennvorrichtung und einen Detektor umfassen, wie vorstehend beschrieben, bereitgestellt werden.
Es sollte sich verstehen, dass die hier im Kontext des erfindungsgemäßen Gastransportsystems beschriebenen Merkmale auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sind. Dementsprechend kann das Verfahren nach der Erfindung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems durchgeführt werden.
Die vorstehenden Merkmale zusammen mit zusätzlichen Details der Erfindung werden in den nachstehenden beispielhaften Ausführungsformen weiter beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der Fachmann wird verstehen, dass die nachstehend beschriebenen Zeichnungen nur zu Veranschaulichungszwecken dienen. Die Zeichnungen sollen den Geltungsbereich der vorliegenden Lehren in keiner Weise einschränken.
1 zeigt eine schematische Anordnung eines Elementaranalysators, der eine Schnittstelle zu einem erfindungsgemäßen Gastransportsystem aufweist.
2 zeigt eine alternative Anordnung, die eine Recyclingleitung umfasst, die eine Gasspülleitung für den automatischen Probengeber speist.
3 zeigt ein Vergleichsbeispiel für Gaseinsparungen durch das erfindungsgemäße Gastransportsystem; (A) herkömmliches Spülen über einen Analysenzeitraum von 850 Sekunden; (B) Spülen unter Verwendung einer Recyclingleitung, über einen Gesamtanalysenzeitraum von 600 Sekunden.
Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen
Nachstehend werden die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die Figuren. Diese Beispiele sollen ein gründlicheres Verständnis der Erfindung ermöglichen, ohne deren Geltungsbereich einzuschränken.
In der nachfolgenden Beschreibung werden Abfolgen von Schritten beschrieben. Der Fachmann wird erkennen, dass – außer wenn der Kontext dies erfordert – die Reihenfolge der Schritte nicht ausschlaggebend für die resultierende Konfiguration und deren Wirkung ist. Weiterhin wird es für den Fachmann ersichtlich sein, das unabhängig von der Reihenfolge der Schritte das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Zeitverzögerung zwischen den Schritten zwischen einigen oder allen der beschriebenen Schritte gegeben sein kann.
Es sollte sich verstehen, dass die Erfindung für die Regelung des Gasverbrauchs in analytischen Systemen gilt, die ein hohes Volumen an Trägergas und/oder einen kontinuierlichen Gasstrom erfordern. Dementsprechend kann die Erfindung in verschiedenen analytischen Systemen nützlich sein. Weiterhin wird das erfindungsgemäße System und Verfahren in den nachstehenden Ausführungsformen mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Elementaranalysators veranschaulicht, aber es sollte sich verstehen, dass die Erfindung ebenso für andere analytische Systeme zur Gasanalyse gilt, die aus einer Regelung des Gasverbrauchs Nutzen ziehen würden. Dementsprechend sind daher das Gas, das analysiert wird, und/oder das Trägergas in dem System variierbar.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Elementaranalysesystem gezeigt, das einen Reaktor 5, z. B. einen Verbrennungsreaktor, zur Umwandlung von zu analysierenden Proben in Probengase (Analytgase) wie z. B. N₂, CO₂ und SO₂, umfasst. Der Reaktor verfügt über einen Einlass 20 und einen Auslass 22. Trägergas, in diesem Beispiel Heliumgas, fließt in den Reaktor durch eine Trägergasleitung 21, und Probengas fließt aus den Reaktor durch eine Gasauslassleitung 23. Der Gasstrom in den Reaktor wird durch einen Mengendurchflussregler (MFC) 3 aufrechterhalten, der mit Gas aus einem mit Heliumgas gefüllten Volumen 2 unter einem konstanten Druck, normalerweise ungefähr 200–300 kPa, gespeist wird. Eine Heliumgasversorgung 1 speist Gas in das Volumen 2. Proben werden von einem automatischen Probengeber 4 (oder einer anderen Probenzufuhrvorrichtung) in den Reaktor in einem Strom aus Heliumgas eingebracht. Nach der Probeneinbringung wird die Probe in Analytgas umgewandelt, das durch den Gasauslass 22 in die Gasauslassleitung 23 in einen Strom aus Heliumgas austritt. Während der Analyse ist der Gasstrom im System typischerweise auf ungefähr 100 ml/min. eingestellt.
An der Gasauslassleitung befindet sich eine erste Gasleitungsabzweigung 6, die den größten Teil (typischerweise im Bereich 75–95 Vol.-% oder 75–90 Vol.-%) des Gasstroms hin zu einer Recyclinggasleitung 24 leitet, während ein kleiner Teil des Probengases zur Trennsäule 12 und zum Wärmeleitfähigkeitsdetektor 13 geleitet wird. Ein Umschaltventil 15 ist an der Recyclinggasleitung zur Steuerung des Gasstroms durch die Recyclingleitung angeordnet. Falls das Umschaltventil offen für das Fließen des Gases durch die Recyclingleitung ist, wird der größte Teil des Gasstroms in der Gasleitungsabzweigung 6 in die Recyclingleitung fließen. Falls die Recyclingleitung durch eine andere Stellung des Umschaltventils, die das Fließen durch die Recyclingleitung verhindert, geschlossen ist, wird das gesamte Gas aus dem Reaktor hin zur Trennsäule 12 fließen. Eine chemische Falle 11 ist prozessaufwärts von der Trennsäule vorgesehen, um zu verhindern, dass H₂O in die Säule eintritt. Während der Probenaufgabe ist Umschaltventil 15 offen für das Fließen von Gas durch die Recyclingleitung. Während dieses Prozesses wird jedoch Gas in der Recyclinggasleitung durch eine offene Entlüftungsöffnung 8 an der Recyclingleitung, die durch ein Umschaltventil 14 reguliert wird, an die Atmosphäre entlüftet. Diese Entlüftung an die Atmosphäre ist erwünscht, so dass Proben- oder Analytgas nicht wieder über die Recyclingleitung 24 in den Reaktor eintritt, wo es die während der Verbrennung der nachfolgenden Proben produzierten Gase verunreinigen würde. Das Umschaltventil 14 kann von einem Regler (nicht gezeigt) gesteuert werden, der vorzugsweise zeitgesteuert oder in Reaktion auf ein vom analytischen Teil des Systems (z. B. einem Detektor) erzeugtes Signal gesteuert ist. Der Regler kann so konfiguriert sein, dass er Informationen über Systemparameter, wie z. B. die Konzentration und/oder das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Analytgasen am Detektor 13, empfängt.
Nach der Analytgaserzeugung, d. h. nachdem das gesamte Proben- und Analytgas durch Gasleitungsabzweigung 6 geströmt ist, was typischerweise ungefähr 3 Minuten dauert, kann durch den Reaktor strömendes Trägergas in Volumen 2 hinein recycelt werden. Das wird erreicht, indem die Stellung von Umschaltventil 14 geändert wird, das jetzt den Gasstrom durch die Recyclingleitung ermöglicht und die Entlüftungsöffnung 8 verschließt.
Gas wird aus der Recyclingleitung in das Volumen 2 durch einen Kompressor 10 zugeführt, der so geregelt ist, dass er einen Druck von 200–300 kPa im Volumen 2 herstellt. Optional kann eine Falle 9 prozessauwärts vom Kompressor, zwischen dem Kompressor 10 und dem Umschaltventil 14 vorhanden sein, um sämtliche Spuren von verunreinigenden Gasen, wie z. B. u. a. H₂O, SO2 und/oder CO₂, zu beseitigen. Optional kann auch ein Mengendurchflussregler 7 an der Recyclingleitung vorhanden sein, um die Stabilität des Gasstroms in der Recyclingleitung noch weiter zu erhöhen, und der vorzugsweise prozessaufwärts vom Umschaltventil 14, und prozessabwärts vom Splitventil 15 angeordnet ist. Das recycelte Trägergas, das in das Volumen 2 fließt, wird durch einen Gasstrom aus der Heliumgasversorgung 1 ergänzt. Der Gasstrom im System kann z. B. auf 100 ml/min. eingestellt werden. Wenn es möglich wird, dass zum Beispiel 90% des Gases aus dem Reaktorauslass in die Recyclingleitung fließen, ist ein ergänzender Gasstrom von 10 ml/min. aus der Gasversorgung 1 nötig, um den Gasdruck im Volumen 2 aufrecht zu erhalten. Während des Recyclings beträgt der Gasstrom aus dem Volumen 2 100 ml/min., wobei 90% davon Gas ist, das durch die Gasrecyclingleitung 24 recycelt worden ist. Während des gesamten Analyseprozesses besteht daher eine kontinuierliche Gasdurchflussmenge von 10 ml/min. durch die chemische Falle 11, die Trennsäule 12 und zum Detektor 13, was wichtig ist, um stabile Analysebedingungen aufrecht zu erhalten.
In einer anderen Konfiguration des Systems ist die Gasrecyclingleitung 24 so konstruiert, dass 96,7% des Gasstroms in der Gasauslassleitung 23 in die Gasrecyclingleitung abgeleitet werden. Das heißt, dass, wenn der Reaktor 5 mit zum Beispiel 300 ml/min. Trägergas gespült wird, 290 ml/min. des Gases durch die Gasrecyclingleitung 24 in das Volumen 2 und von dort zurück zum Reaktor 5 recycelt werden, während der Gasstrom im analytischen Teil des Systems prozessabwärts bei 10 ml/min. gehalten wird, was 3,3% des Gasstroms entspricht, der aus dem Reaktor 5 kommt.
Ein Vorteil des Systems besteht darin, dass es große Mengen Gas während Standzeiträumen, d. h. wenn das System nicht für eine Analyse verwendet wird, einspart. Somit kann das Umschaltventil 15 unter Senkung der Gasdurchflussmenge auf eine Mindestdurchflussmenge von zum Beispiel 10 ml/min. so eingestellt werden, dass ein Gasstrom in die Recyclingleitung verhindert wird, so dass das gesamte Gasvolumen an der ersten Gasleitungsabzweigung in den analytischen Abschnitt des Geräts, d. h. Trennsäule, chemische Falle, Detektor und sämtliche offenen Schlitze, die an der Gasauslassleitung angeordnet sein können, fließt. Das heißt, dass das System auch mit einer sehr niedrigen Gasdurchflussrate aufrechterhalten werden kann.
In einer anderen Konfiguration des Systems ist eine optionale Bypass-Leitung 25 (gepunktete Linien) zwischen der Trennsäule 12 und dem Detektor 13 angeordnet. Die Bypass-Leitung ist mit der Gasauslassleitung an einem Gasstromsplitter 16 und mit der Recyclingleitung am Splitventil 15 verbunden. Dementsprechend hat das Splitventil 15 in dieser Ausführungsform eine Stellung, in der Gas durch die Gasrecyclingleitung, aber nicht durch die Bypass-Leitung fließt, und eine zweite Stellung, in der Gas durch die Bypass-Leitung, aber nicht in die Recyclingleitung von der ersten Gasleitungsabzweigung 6 fließt.
Das Splitventil 15 kann von einem Regler (nicht gezeigt) gesteuert werden, der vorzugsweise zeitgesteuert oder in Reaktion auf ein vom analytischen Teil des Systems (z. B. einem Detektor) erzeugtes Signal gesteuert ist. Der Regler kann so konfiguriert sein, dass er Informationen über Systemparameter, wie z. B. die Konzentration und/oder das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Analytgasen am Detektor 13, empfängt.
Die Bypass-Leitung ist nützlich, um die Vorkonzentrierung der Analytgasproben zu ermöglichen, die aus dem Reaktor 5 kommen. Somit wird während der Probenaufgabe Analytgas durch die Gasauslassleitung 23 zum Beispiel mit einer Durchflussmenge von 10 ml/min. bereitgestellt. Der Gasstrom in die Recyclingleitung 24 durch die erste Gasleitungsabzweigung 6 wird durch Umschaltventil 15 verhindert. Daher strömt der gesamte Gasstrom durch die Trennsäule 12 und die optionale chemische Falle 11. Das Umschaltventil 15 ist jedoch offen für den Gasstrom vom Gasstromsplitter 16 durch die Bypass-Leitung 25, von wo aus das Gas die Recyclingleitung erreicht und durch die offene Entlüftungsöffnung 8 an die Luft entlüftet wird. Indem ermöglicht wird, dass die Hälfte des Gasstroms in die Bypass-Leitung 25 fließt, kommt es am Detektor 13 zu einer Durchflussmenge von 5 ml/min. Um die gewünschten Analytgase zu konzentrieren, bleibt der Splitter 16 offen, bis das gewünschte Analytgas durch die erste Gasleitungsabzweigung 6 geströmt ist und bevor es aus der Trennsäule 12 austritt. Indem die Stellung des Umschaltventils 15 geändert wird, wird der Gasstrom durch die erste Gasleitungsabzweigung 6 in die Recyclingleitung 24 ermöglicht, und gleichzeitig wird der Gasstrom durch die Bypass-Leitung 25 verhindert. Die Recyclingleitung ist so konfiguriert, dass ebenfalls die Hälfte des eintretenden Gasstroms in die Recyclingleitung geleitet wird. Das führt zu einer niedrigerem Gasstrom von 5 ml/min. durch die Trennsäule 12, was zu einer effektiven zweifachen Erhöhung in der Konzentration des Analyten führt, wenn er aus der Trennsäule austritt. Während dieses Prozesses bleibt die Gasdurchflussmenge am Detektor 13 konstant bei 5 ml/min.
Da Schwefel normalerweise ein viel weniger häufiges Element als Kohlenstoff und Stickstoff in Analytproben (z. B. in typischen organischen, Umwelt-, biologischen Proben) ist, was bedeutet, dass viel weniger SO₂ im Vergleich zu N₂ und CO₂, erzeugt wird, kann es von Vorteil sein, SO₂ vor der Analyse zu konzentrieren. Da N₂ und CO₂ schneller als SO₂ durch typische Gaschromatographiesäulen migriert, kann es von Vorteil sein, zu ermöglichen, dass N₂ bis <sic> CO₂ durch die Säule und den Detektor strömen, während ein Teil des Gases durch den Splitter 16 und die Bypass-Leitung 25 abgespalten wird. Nachdem N₂ und CO₂ durch den Splitter 16 geströmt sind, kann der Gasstrom durch Einstellen der Position des Splitventils 15 so geändert werden, dass SO₂ an der Säule konzentriert wird. Damit wird eine erhöhte Sensibilität für SO₂ erreicht.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Systems ist in der schematischen Zeichnung von 2 dargestellt. Eine Gasspülleitung 17 wird von der Trägergaseinlassleitung 21 abgespaltet, um eine Gasspülung in den automatischen Probengeber 4 bereitzustellen. Der Gasstrom in der Gasspülleitung wird von einem Mengendurchflussregler 26 reguliert. Ein Umschaltventil 15 zur Steuerung des Gasstroms in die Gasrecyclingleitung ist an der Gasrecyclingleitung angeordnet. Die Recyclingleitung speist die Gasspülleitung 17, so dass recyceltes Gas innerhalb des Systems zum Spülen des automatischen Probengebers 4 verwendet wird. In einem typischen Betrieb ist eine große Spülung des automatischen Probengebers vor der Einspritzung erforderlich. Somit kann es typischerweise einen Trägergasstrom von 180 ml/min. in den Reaktor, gesteuert von einem Mengendurchflussregler 3, und einen Gesamtmengenbedarf an Gasstrom für die Spülung von zum Beispiel 200 ml/min. geben. An der ersten Gasleitungsabzweigung 6 wird ein großer Teil (90%) des Gases in der Gasauslassleitung 23 in die Gasrecyclingleitung durch das offene Umschaltventil 15 umgeleitet. Während dieses Modus werden ungefähr 162 ml/min. des Gases aus dem Reaktor 5 recycelt und für das Spülen des automatischen Probengebers 4 verwendet. Die zusätzlichen ungefähr 38 ml/min., die für das Spülen benötigt werden, werden von der Trägergasversorgung zur Verfügung gestellt und vom Mengendurchflussregler 26 reguliert. Während dieser Zeit beträgt der Gasstrom im analytischen Teil, der chemischen Falle 11, Trennsäule 12 und Detektor 13, 18 ml/min. oder 10% des Trägergasstroms in den Reaktor 5. Nach der Einspritzung der Probe in den Reaktor, typischerweise bis im Wesentlichen die gesamte Probe oder Analyt durch die Gasleitungsabzweigung 6 geströmt ist, wird das Umschaltventil 15 geschlossen. Gleichzeitig wird die Durchflussmenge in den Reaktor auf 18 m./min. (durch Einstellung des MFC 3) abgesenkt, so dass der Gasstrom durch den analytischen Teil des Systems konstant bleibt.
Optional kann ein Umschaltventil 18 zur Steuerung des Gasstroms durch die offene Entlüftungsöffnung 8 vorhanden sein. Durch Öffnen des Umschaltventils 18 wird Gas durch die offene Entlüftungsöffnung fließen und somit in die Atmosphäre entlüftet werden. Das kann nützlich sein, z. B. während der Probenaufgabe, um eine Überladung an der Trennsäule 12, zu verhindern, und somit Probenüberladungseffekte zu verhindern oder zu minimieren. Darüber hinaus wird es durch Abspalten eines Teils des Probengases, damit dieses durch die Recyclingleitung zur offenen Entlüftungsöffnung 8 fließt, zu einer reduzierten Beladung an der chemischen Falle 11, kommen, wodurch die Lebensdauer der chemischen Falle verlängert wird. Das Umschaltventil 18 kann durch einen Regler (nicht abgebildet) gesteuert werden, der vorzugsweise zeitgesteuert ist. Der Regler kann ebenfalls so konfiguriert werden, dass er Informationen über Systemparameter, wie z. B. die Konzentration und/oder das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Analytgasen am Detektor 13, empfängt. In dieser Ausführungsform, ähnlich wie in der Ausführungsform nach 1, kann ebenfalls eine Falle (nicht abgebildet) in der Recyclingleitung angeordnet sein, irgendwo zwischen den Abzweigstücken 6 und 17, zur Absorption von polaren Gasen wie CO2, SO2 und/oder H2O (z. B. eine Ascarit-Falle). Das bringt dieselben Vorteile wie in der Ausführungsform nach 1 einer weiteren Reduzierung der Memory-Effekte für jene Gase.
Wie zu erkennen ist, besteht ein Vorteil des Systems darin, dass durch das Recycling eines großen Teils des Gasstroms während des Spülmodus im Vergleich zu Systemen, die Gas nicht recyceln, ein großer Teil des Trägergases eingespart wird. Ein Beispiel für die durch das erfindungsgemäße System erbrachten Gaseinsparungen wird durch 3 dargestellt. Die Daten werden für einen herkömmlichen Elementaranalysator (einen beheizten Reaktor umfassend) erstellt, der mit einem automatischen Probengeber, einer Gaschromatographiesäule und einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor verbunden ist. Es ist eine Recyclingleitung vorgesehen, die Gas aus der Gasauslassleitung vom Analysator zur Spülleitung recyceln kann.
In (A) wird der Heliumverbrauch während einer herkömmlichen Funktionsweise eines Elementaranalysators gezeigt, d. h. es gibt kein Recycling. Es werden die Ergebnisse für eine Analyse von 559 g Sulfanilamid gezeigt, das zur Bildung von N₂, CO₂ und SO₂-Gas führt. Das System wird mit einem konstanten Trägergasstrom von 80 ml/min. versorgt, mit einem Gesamtverbrauch von 1133 ml über 850 Sekunden Analysezeit. Darüber hinaus wird der automatische Probengeber mit einem konstanten Strom von 200 ml/min. gespült, mit einen Gesamtverbrauch von 2833 ml. Insgesamt beläuft sich der Gasverbrauch über den Analysenzeitraum daher auf 3966 ml.
In Bezug auf (B) wird die Analyse von 422 g Sulfanilamid gezeigt. Es gibt einen anfänglichen Heliumgasstrom von 180 ml/min. in den Reaktor, von denen 135 ml/min. (75%) in die Spülleitung zum Spülen des automatischen Probengebers recycelt werden, und 45 ml/min. zum kontinuierlichen Spülen der Trennsäule und des Detektors verwendet werden. Durch Ergänzen des Stroms von 135 ml/min. aus der Recyclingleitung mit 65 ml/min. Helium aus dem Heliumtank wird eine Gesamtspüldurchflussmenge in den automatischen Probengeber von 200 ml/min. erzielt. Nach 150 Sekunden wird der Trägergasstrom auf 45 ml/min. gesenkt, und das Splitventil wird geschlossen, um das Recycling von Probengasen in den automatischen Probengeber zu verhindern. Der automatische Probengeber wird an diesem Punkt mit einem 65 ml/min. Gasstrom aus dem Heliumtank gespült, während der Rest des Systems kontinuierlich mit einem Heliumstrom von 45 ml/min. gespült wird. Der Gesamtgasverbrauch während des Analysenzeitraums von 600 Sekunden beträgt 1438 ml, oder ungefähr 36% des Gasverbrauchs beim herkömmlichen Betrieb. Ein weiterer Vorteil in diesem Beispiel ist die kürzere Analysezeit von 600 Sekunden, die dadurch erreicht wird, dass die Trennung an der Gaschromatographiesäule verbessert wird, indem die Temperatur für eine schnelle Eluierung von SO₂ aus der Säule erhöht wird.
Wie es sich basierend auf der vorstehenden Beschreibung der Erfindung und einiger ihrer Ausführungsformen verstehen sollte, bietet die Erfindung deutliche Vorteile gegenüber in der Technik bekannten Gassystemen. Zu einigen dieser Vorteilen zählen:

– Senkung des Trägergasverbrauchs, zum Beispiel Helium, in analytischen Systemen wie z. B. Elementaranalysatoren, basierend auf dem Aufteilen des Gasstroms, um das Recycling eines großen Teil des Heliumgases im System zu ermöglichen.
– Niedrigere Betriebskosten bei analytischen Systemen aufgrund des geringeren Trägergasverbrauchs. Der Verbrauch von Helium in Elementaranalysatoren kann durch das erfindungsgemäße System um mehr als 50% gesenkt werden.
– Ein vereinfachtes Gasstromsystem, im Vergleich zu alternativen Trägergassystemen, die Hardwareänderungen umfassen, einschließlich der Verwendung von verschiedenen Detektoren und Mengendurchflussreglern, die mit der Verwendung von alternativen Trägergastypen wie z. B. Argon einhergehen.
– Verringerte Fließbedingungen im System während des Standby-Modus ohne das Risiko einer Unterversorgung irgendwelcher Abschnitte des Systems.
– Verlängerte Lebensdauer der chemischen Fallen prozessabwärts vom Recycling-Split, aufgrund der erheblich verringerten Gasbeladung in der chemischen Falle.

Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind die Singularformen von Begriffen so auszulegen, dass sie auch die Pluralform und umgekehrt umfassen, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt. So ist zu beachten, dass die Singularformen „ein”, „eine” und „der/die/das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen sind die Begriffe „umfassen”, „einschließlich”, „aufweisend” und „enthalten” und ihre Varianten so zu verstehen, dass sie bedeuten „einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein”, und andere Komponenten nicht ausschließen sollen.
Es versteht sich, dass an den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung Änderungen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Geltungsbereich der Erfindung fallen die jedoch immer noch in den Geltungsbereich der Erfindung fallen <sic>. In der Spezifikation offengelegte Merkmale können, sofern nicht anders angegeben ist, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offengelegte Merkmal ein Beispiel einer generischen Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Die Verwendung von beispielhafter Sprache, wie z. B. „beispielsweise”, „wie z. B.”, „zum Beispiel” und dergleichen, soll lediglich der besseren Veranschaulichung der Erfindung dienen und stellt keine Einschränkung in Bezug auf den Geltungsbereich der Erfindung dar, sofern dies nicht beansprucht wird. Alle in der Spezifikation beschriebenen Schritte können in jeder beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes nahelegt.
Alle in der Spezifikation offengelegten Merkmale und/oder Schritte können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen mindestens einige der Merkmale und/oder Schritte sich gegenseitig ausschließen. Insbesondere gelten die bevorzugten Merkmale der Erfindung für alle Aspekte der Erfindung und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 98/36815 [0007]
US 6293995 [0008]
US 8308854 [0009]
US 7928369 [0034]
WO 2007/112876 [0034, 0034]

Claims

Gastransportsystem für einen kontinuierlich gespülten chemischen Reaktor, umfassend: – mindestens einen chemischen Reaktor, der mindestens einen Einlass zum Einbringen mindestens einer Probe und mindestens eines Trägergases in den chemischen Reaktor, sowie mindestens einen Gasauslass zur Abgabe von Analytgas und Trägergas aus dem chemischen Reaktor aufweist, – mindestens eine Probeneinbringungseinheit zum Zuführen der Probe in den chemischen Reaktor; – mindestens eine mit dem Einlass des chemischen Reaktors fluidgekoppelte Trägergasleitung zum Einbringen von Trägergas aus einer Trägergasquelle in den chemischen Reaktor, – mindestens eine Gasauslassleitung vom Gasauslass des chemischen Reaktors, und – mindestens eine Gasrecyclingleitung, die mit dem Gasauslass und/oder der Gasauslassleitung durch eine erste Gasleitungsabzweigung verbunden ist, die zwischen dem chemischen Reaktor und einer prozessabwärts angeordneten Detektionseinheit an der Gasauslassleitung angeordnet ist, und die mit der Probeneinbringungseinheit und/oder dem Einlass und/oder der Trägergaseinlassleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung verbunden ist, wobei das Gastransportsystem dafür ausgelegt ist, das Recycling von mindestens einem Teil des aus dem Auslass des chemischen Reaktors kommenden Gases zurück zum chemischen Reaktor über eine Gasrecyclingleitung zu ermöglichen.
Gastransportsystem nach Anspruch 1, wobei die Gasrecyclingleitung mit der Gasauslassleitung oder dem Gasauslass an einer ersten Gasleitungsabzweigung, zwischen dem chemischen Reaktor und der Detektionseinheit, und mit der Trägergasleitung an einer zweiten Gasleitungsabzweigung verbunden ist.
Gastransportsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägergasleitung mindestens einen in die Leitung integrierten Gasspeicher umfasst, mit dem die Gasrecyclingleitung verbunden ist.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Einlass mindestens einen Trägergaseinlass und mindestens einen Probeneinlass umfasst.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der chemische Reaktor aus einem Verbrennungsreaktor, einem Reduktionsreaktor und einer Pyrolysekammer ausgewählt wird.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Probeneinbringungseinheit eine Probeneinbringungsvorrichtung und eine Gasspülleitung, die dazu ausgelegt ist, für einen Gasstrom in die Probeneinbringungsvorrichtung zu sorgen, umfasst.
Gastransportsystem nach Anspruch 6, wobei die Gasrecyclingleitung mit der Gasspülleitung verbunden ist, was das Recycling von mindestens einem Teil des Gases, das aus dem Reaktor austritt, als Spülgas zum Spülen der Probeneinbringungsvorrichtung ermöglicht.
Gastransportsystem nach Anspruch 6 oder 7, das eine oder mehrere Durchflussregelungseinheiten zur Steuerung des Gasstroms, der in die Gasspülleitung gespeist wird, umfasst.
Gastransportsystem nach Anspruch 8, wobei die genannte eine oder mehrere Durchflussregelungseinheit einen ersten Mengendurchflussregler zur Steuerung des Trägergasstroms in die Trägergasleitung, und einen zweiten Mengendurchflussregler zur Steuerung des Gasstroms in die Gasspülleitung umfasst.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ein an der Gasrecyclingleitung oder der ersten Gasleitungsabzweigung angeordnetes Ventil zur Steuerung des Gasstroms in die Gasrecyclingleitung umfasst.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das weiterhin mindestens eine an der Gasrecyclingleitung angeordnete chemische Falle umfasst.
Gastransportsystem nach Anspruch 11, wobei die Gasrecyclingleitung ein Recycling-Splitventil prozessaufwärts von der chemischen Falle umfasst, wobei das Splitventil über eine erste Stellung verfügt, in der Gas durch die Gasrecyclingleitung fließen kann, und über eine zweite Stellung, in der Gas am Fließen durch die Gasrecyclingleitung gehindert wird.
Gastransportsystem nach Anspruch 11, das weiterhin eine offene Entlüftungsöffnung umfasst, die fluidisch mit dem Recycling-Splitventil verbunden ist, und wobei das Recycling-Splitventil Gas durch die offene Entlüftungsöffnung in der zweiten Stellung freisetzt.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das einen an der Gasrecyclingleitung angeordneten Durchflussregler umfasst.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasrecyclingleitung so konfiguriert ist, dass während des Recyclings im Bereich von ungefähr 1–50 Vol.-% Gas aus dem Reaktorgasauslass weiter durch die Gasauslassleitung geleitet wird und im Bereich von 50–99 Vol.-% Gas aus dem Reaktorauslass zur Gasrecyclingleitung geleitet wird, und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 5–25 Vol.-% Gas aus dem Reaktorgasauslass weiter durch die Gasauslassleitung geleitet wird, und im Bereich von 95–75 Vol.-% Gas aus dem Reaktorauslass zur Gasrecyclingleitung geleitet wird.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasrecyclingleitung so konfiguriert ist, dass, wenn der gesamte Gasstrom vom Reaktorauslass im Bereich von ungefähr 80 bis ungefähr 1000 ml/min. und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 300 ml/min. liegt, ein Gasstrom im Bereich von ungefähr 5–35 ml/min. und vorzugsweise im Bereich von 10–20 ml/min. durch die genannte erste Gasleitungsabzweigung weiter durch die Gasauslassleitung während des Recyclings fließt.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das einen an der Gasrecyclingleitung angeordneten Kompressor umfasst, um den Druck des durch die Gasrecyclingleitung zur Trägergasleitung und/oder Probeneinbringungseinheit geströmten Gases zu erhöhen.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das Teil eines kontinuierlich gespülten Elementaranalysators ist, wobei der Elementaranalysator eine Trenneinheit umfasst, die mit der Gasauslassleitung prozessabwärts der genannten ersten Gasleitungsabzweigung und einem Detektor prozessabwärts der genannten Trenneinheit verbunden ist, wobei der genannte Detektor aus der Gruppe, die aus einem Massenspektrometer, einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor und einem optischen Spektrometer besteht, ausgewählt wird.
Gastransportsystem nach Anspruch 18, wobei die genannte Trenneinheit eine Chromatographiesäule ist.
Gastransportsystem nach irgendeinem <sic> Anspruch 19, das einen Gasstromsplitter prozessabwärts von der Trenneinheit umfasst, der einen aus der Trenneinheit austretenden Gasflussstrom in einen Gasstrom, der in die Bypass-Leitung fließt, die fluidisch mit der Gasrecyclingleitung verbunden ist, und einen Gasstrom, der in den Detektor fließt, aufteilt.
Gastransportsystem nach Anspruch 20, die ein Ventil zur Steuerung des Gasstroms in die Bypass-Leitung umfasst, wobei das genannte Ventil ein Umschaltventil ist, das die genannte Bypass-Leitung mit der Gasrecyclingleitung verbindet, wobei das Umschaltventil über mindestens zwei Stellungen verfügt, von denen eine erste Stellung das Fließen von der ersten Gasstromabzweigung durch die Recyclingleitung ermöglicht und das Fließen von Gas von der Bypass-Leitung zur Recyclingleitung verhindert, und eine zweite Stellung, die das Fließen von der ersten Gasleitungsabzweigung zur Recyclingleitung verhindert und das Fließen von der Bypass-Leitung zur Recyclingleitung ermöglicht.
Gastransportsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das weiterhin einen Regler zur Steuerung der Ventilstellung von mindestens einem der Ventile umfasst, wobei der Regler dazu ausgelegt ist, eine Eingabe über mindestens einen Systemparameter zu empfangen, die aus der Gaskonzentration im Detektor, Vorhandensein und/oder Nichtvorhandensein eines Gases im Detektor und Zeit ausgewählt wurde, und wobei der Regler die Stellung von mindestens einem der Ventile basierend auf dem mindestens einen Systemparameter einstellen kann.
Gastransportsystem nach Anspruch 22, wobei der dazu Regler konfiguriert ist, die Ventilstellung von mindestens einem der Ventile zu steuern, so dass in einer ersten Stellung Gas so geleitet wird, dass es durch die Recyclingleitung hin zur Trägergasleitung und/oder der Probeneinbringungseinheit fließt und so dass in einer zweiten Stellung Gas am Fließen durch die Recyclingleitung gehindert wird.
Verfahren zur Regelung des Gasverbrauchs in einem ständig gespülten Elementaranalysator, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (i) Einströmen von Trägergas durch mindestens eine Trägergaseinlassleitung in mindestens einen chemischen Reaktor, (ii) Einbringen mindestens einer Probe aus mindestens einer Probeneinbringungseinheit in den chemischen Reaktor, (iii) Leiten von Gas aus mindestens einem Gasauslass am chemischen Reaktor durch mindestens eine Gasauslassleitung, (iv) Aufteilen des Gasstroms an einer ersten Gasstromabzweigung im Gasauslass oder in der Gasauslassleitung, zwischen dem chemischen Reaktor und einer prozessabwärts angeordneten Detektionseinheit, zur Leitung eines Teils des Gasstroms zu mindestens einer Gasrecyclingleitung, die zu der Trägergasleitung und/oder der Probeneinbringungseinheit und/oder dem chemischen Behälter führt, und eines übrigen Teils des Gases weiter durch die Gasauslassleitung zur Detektionseinheit.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Detektionseinheit mindestens eine Trenneinheit und mindestens einen Detektor umfasst, wobei das Verfahren das Leiten des Gasstroms umfasst, der durch die Gasauslassleitung weiter durch die Trenneinheit zur Trennung der Analytspezies und hin zum Detektor fließt.
Verfahren nach Anspruch 24, das das Leiten mindestens eines Teils des aus dem chemischen Reaktor durch den Gasauslass austretenden Gasstroms zur Gasrecyclingleitung und durch die Gasrecyclingleitung zu mindestens einer Gasspülleitung, die Teil der Probeneinbringungseinheit ist, umfasst, um die Probeneinbringungseinheit zu spülen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, das weiterhin für einen ersten Zeitraum nach der Einbringung der Probe in den chemischen Reaktor einen Schritt zum Senken oder Verhindern des Gasstroms in der Gasrecyclingleitung hin zu der Trägergasleitung und/oder der Probeneinbringungseinheit und/oder dem chemischen Reaktor umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem mindestens ein Teil des durch die Trenneinheit fließenden Gases durch mindestens eine an mindestens einem Gasflusssplitter prozessabwärts von der genannten Trenneinheit angebrachte Bypass-Leitung fließen kann, und der Gasstrom von der genannten Bypass-Leitung zur Gasrecyclingleitung geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 28, das weiterhin einen Schritt umfasst, in dem das Fließen durch die genannte Gasrecyclingleitung von der ersten Gasleitungsabzweigung verhindert wird und das gesamte aus dem Gasauslass des chemischen Reaktor austretende Gas durch die Gasauslassleitung hin zur Detektionseinheit geleitet wird, wobei der Gasstrom durch mindestens eine an der Gasauslassleitung angebrachte Trenneinheit strömt, und in dem ermöglicht wird, dass mindestens ein Teil des Gases durch die Trenneinheit fließt, um durch die Bypass-Leitung zu fließen.
Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, das weiterhin das Entlüften, nicht das Recycling, des gelenkten Gasstroms von der Gas-Bypass-Leitung umfasst, bis im Wesentlichen die gesamte Probe aus dem Gasstrom verschwunden ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei nach einem Zeitraum, in dem der Gasanteil durch die Bypass-Leitung geflossen ist, der Gasstrom durch die Bypass-Leitung verhindert wird und der Gasstrom durch die genannte Gasrecyclingleitung von der ersten Gasleitungsabzweigung ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei das Verfahren unter Anwendung des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 durchgeführt wird.