CS214151B1 - Tlumič rázů kapalin pro chromatografií - Google Patents

Description

Vynález se týká tlumiče, který po zařazení mezi zdroj pulzního toku kapaliny a hydraulioký odpor tlumí velikost rázů toku kapaliny. Zařízení pracuje jako hydraulický akumulátor, ktdrý ve spojení s hydraulickým odporem, v případě kapalinové chromatografie s chromatografickou kolonou, tvoří tlumicí hydraulický RC-yČlen,

Pro přesnost vvsíedků chromátografických analýz je nutné, aby do chromatografické koloný byla přiváděna kapalina uklidněné - bez tlakových rázů; ty dopravě kapalin se však používá čerpadel, která vytlačují kapalinu s pulsy, které se před kolonou musí tlumit. Pfcoto bývají kapalinové chromatografy vybaveny tlumičem rázů kapaliny dopravované ke koloně. .

Tlumič rázů kapalin bývá zapojen mezi výstup čerpadla a vstup chromatografické kolony. Podstatnou částí tlumiče je tlakový převodník, což bývá membránová krabice rozdělená membránou horní - primární průtočnou komoru a na dolní - sekundární komoru. Prýmární hydraulický okruh tlumiče sestává ze spojovací trubky mezi čerpadlem a jednou stranou primární průtočné komory, a ze spojovací trubky mezi druhou stranou primární průtočné komory a chromatografickou kolonou. Pokud se v tlómiči používá monitoru tlaku, bývá zabudován v primárním hydraulickém okruhu. Sekundární hydraulický okruh obsahuje neprůtočnou sekundární komoru tlakového převodníku spojenou s akumulátorem tlaku a s uzavíracími a škrtícími prvky. Aby se mohl měnit tlak v sekundárním hydraulickém okruhu, který ovládá proudovou charakteristiku primárního hydraulického okruhu, obsahuje tlumič složité regulační zařízení, které musí obsahovat tlaková čidla na primárním a sekundárním hydraulickém okruhu spojená s diferenciálním elektronickým zesilovačem, kterým se ovládá servomotor, který řídí manostat pro ovládání regulačních prvků.

Tato složitá regulační část je nutná proto, peněvadž neprůtočná sekundární komora není hydraulicky přímo spojená s primárním okruhem. Jsou tedy dosavadní tlumiče rázů kapalin vybaveny komplikovaným a tím i poruchovým, především však drahým zařízením.

Sekundární hydraulické okruhy musí obsahovat hydraulické akumulátory, jejichž kapacit? je C dV/dP, kde V a P jsou objem a tlak akumulované kapaliny, Některé akumulátory jsou tvořeny průtočnými nebo neprůtočnými komorami s pružnými stěnami, jako jsou Bourdonova pera, spe ciální vlnovce, akumulátory se stěnami z vrstvených plochých per. Požadovaná odolnost akumulátorů vůči tlakům do 30 MPa nedává možnost dosáhnout dostatečnou kapacitu při zachování přiměřených hmotností a rozměrů.

Plynové hydraulické akumulátory obsahují v jedné nádobě obě tekutiny neoddělené. Obtíže při dělení kapaliny od komprimovaného plynu při změně tlaku kapaliny brání aplikaci tohoto typu akumulátoru v kapalinové chromatografii, ačkoliv mají jinak vhodné vlastnosti.

Uvedené nevýhody odst»aňuje tlumič rázů kapalin pro chromatografii, který obsahuje primární hydraulický okruh, v němž je primární průtočná komor? tlakového převodníku zapojena mezi čerpadlo a kolonu chromatografu, který obsahuje sekundární hydraulický okruh, v němž je sekundární komora tlakového převodníku spojena s akumulátorem a blokem uzavíracích a omezovačích prvků, a který obsahuje dále monitor tlaku. Podstata vynálezu spočívá v tom, že primární a sekundární hydraulický okruh je propojen jednosměrným ventilem, jehož vstup je umístěn před nebo na primární průtočnou komoru a sekundární hydraulický okruh je opatřen monitorem tlaku. Monitor tlaku může být také umístěn na akumulátoru vytvořeném nádobou s vloženým pružným členem, přičemž jeden z_tfikto_vzniklých oddělených prostorů je průtočný a spojený s kapalinou sekundárního hydraulického okruhu. Je-li pružný dutý člen průtočný, má na jednom konci spojovací trubky ve tvaru spirály. V alternativním řešení může být sekundární komora na jedné stra ně spojena s výstupem jednosměrného ventilu a na opačné straně se vstupem akumulátoru.

Výhody tlumiče rázů kapalin vyplývají zásadně již z hydraulického propojení primárního a sekundárního hydraulického okruhu. Kromě toho se k propojení použilo velmi jednoduchého ale spolehlivého jednosměrného ventilu, jehož cena je jen zlomkem dosavadního zařízení na snímání tlaků s regulačním zařízením v obou hydraulických okruzích.

Akumulátor se dvěma oddělenými medii, v jedné komoře, odstraňuje závady dosavadních smíšených akumulátorů a umožňuje použiti plynového hydraulického akumulátoru v chromatografii.

Nová souhrnná koncepce tlumiče dává možnost teoreticky libovolně zvýšit- hodnotu kapacity akumulátoru a tím i účinnost tlumení rázů toku kapaliny bez vzrůstu efektivního vnitřního objemu systému tlumiče, a hodí se obzvláště pro tlumení pulzace levných jednočinných plunžrových čerpadel s konstantní frekvencí a proměnnou výškou zdvihu plunžru. Konstrukční a výrobní náročnost předloženého řešení je hodnotově nejméně o řád nižší než rozdíl hodnotových náročností recipročního a jednočinného čerpadla při zachování analogických kvalitativních paramentrů s výjimkou doby náběhu hydraulického systému tlumiče.

Tlumič rázů kapalin pro chromatografii podle tohoto vynálezu je znázorněnýma přiložených třech výkresech, na nichž obr. 1 znázorňuje celkové schematické zapojení tlumiče s průtočnou sekundární komorou tlakového převodníku. Obr. 2 představuje jedno z možných provedení akumulátoru a obr. 3 znázorňuje tlumič s neprůtočnou sekundární komorou tlakového převodníku.

Tlúmič rázů kapalin pro chromatografii představuje hydraulický systém, který je zapojen mezi výstup pulsního čerpadla 1 a vstup hydraulické zátěže, kterou je v tomto případě kolona kapalinového chromatografu 8 s výstupem 2· Důležitou součástí tlumiče je tlakový převodník 2, což je membránové krabice, která svou membránou 2 rozděluje tlumič na primární a sekundární hydraulický okruh. Oba hydraulické okruhy jsou propojeny jednosměrným ventilem £.

Primární hydraulický okruh obsahuje primární průtočnou komoru 4, což je membránou J5 oddělená horní část tlakového převodníku 2. Tato primární průtočná komora 4 je na jedné straně snojena s čerpadlem 1 a na druhé straně s kolonou chromatografu 8.

Sekundární hydraulický okruh obsahuje sekundární komoru, 2· která je podle obr. 1 průtočná, a proto Je na jedné straně napojena na akumulátor 11 a blok uzavíracích a omezovačích prvků 12. který konči výstupem 2 do atmosféry. Sekundární komora 2 je dále na protilehlé straně napojena na Jednosměrný ventil £.

Jednosměrný ventil £ spojuje podle obr. 1 výstup z primární průtočné komory 4 s jednou stranou sekundární komory £ a umožňuje propouštění jen z primárního do sekundárního hydrau*

1ického okruhu. Tímto propojením se sekundární komora J stává průtočnou. Jestliže nebude třeba přívodní systém ke chromatografické koloně 8 proplachovat, postačí neprňtočná sekundární komora J podle obr. 3. V tom případě ústí sekundární hydraulický okruh do středu sekundární komory JS a jednosměrný ventil £ je soojen s tímto výstupním vedením. Pro snížení mrtvých objemů v primárním hydraulickém okruhu je vstupní objem Jednosměrného ventilu £ nulový, případně Je proveden kapilární trubičkou, sloužící jako oddělovací člen s nízkým axiálním difúzním tokem. Vstup jednosměrného ventilu £ může být v primárním okruhu zapojen v libovolném pořadí: buá za primární průtočnou komorou 4, jak je znázorněno na obr. 1, nebo před touto komorou 4.

V druhém případě je pak nutno v sekundární komoře 2· má-li být tato průtočná, přemístit výstup k akumulátoru 11 na opačnou stranu.

Tlumicí efekt tlumiče je určen velikostí kapacity akumulátoru 11. Nejjednodušším řešením akumulátoru 11 je průtočná nebo neprůtočná nádoba 13. Její akumulační kapacita C je rovna hodnotě výrazu V^.kde je objem kapaliny v nádobě 13 a oC koeficient stlačitelnosti akumulačního media, jímž je nádoba 13 naplněna, při daném tlaku. Nejvýhodnější je, jestliže se akumulační kapacita stlačitelného media 14 rovná alespoň akumulační kapacitě dané stlačitelností vody. Snížení efektivní hodnoty objemu nádoby 13 se dosáhne vložením pružného dutého členu 15 do uzavřené nádoby 13. Podle obr. 2 je pružný dutý člen 15 průtočný, a proto je potrubí na jednom konci tohoto pružného členu 15 tvarováno do spirály 16 spojené s blokem uzavíracích a omezovačích prvků 12. Spirála slouží k vyrovnávání délkových změn pružného dutého členu 15. V tomto případě protéká pružným členem 15 kapaliny sekundárního hydraulického okruhu a v neprůtočné nádobě 13 je stlačitelná kapalina. Uvedený pružný dutý člen 15 má schopnost zvětšit svůj objem o hodnotu V_c dle vztahu

Pmax avJc.dP, o

kde ^pmax Je nejvyšší dovolený tlak v systému. Pružný dutý Sien 15 průtočný zabraňuje smíšení stlačitelného media 14 s mediem sekundárního hydraulického okruhu.

Popsaný akumulátor 11 může být proveden také opačně. V tom případě je nádoba 13 průtočná, poněvadž ji protéká kapalina sekundárního hydraulického okruhu. Pružný dutý člen 15 je neprůtočný a obsahuje stlačitelné medium 14.

Stlačitelným mediem 14 může být kapaliny nebo kapalina a plyn. Objem plynu V& při otevřeném, tj. průchozím bloku uzavíracích a omezovačích prvků 12, je řádově roven několika setinám objemu nádoby 13 případně pružného členu 15 při plnicím tlaku P_g. Hodnota výsledného zvlnění tlaku v sekundárním hydraulickém okruhu je pak, při zanedbání hydraulických odporů a tuhostí pružných členů sestavy tlumiče, pro všechny hodnoty odporu kolony chromatografu 8 a pro všechny rychlosti průtoku čerpané kapaliny nejvýše rovna hodnotě výrazu

ΔP/P * 0/(8.P V.V-.oG)¹⁷², g 1 kde Q Je nejvyšší objem očekávaného proudového rázu kapaliny například 0,1 cm , g a V plni6 6 cí tlak a objem plynu například 0,2 MPa a 10 cm , objem kapaliny v nádobě 13 případně v pružném členu 15. například 500 cm^ a její koeficient stlačitelnosti například 8jl0^?lMPá2^ pro petrolej. Dosažitelná hodnota zbytkového zvlnění tlaku, v daném příkladě P/P - 0,04, je dostatečně malá i pro nejvyšší nároky na stabilitu základní linie vysoce citlivých optických detektorů pro kapalinovou chromatografií.

Monitor tlaku 17 lze v zásadě připojit do libovolného místy hydrauliokého systému tlumiče. V případě řešení hydraulické akumulační kapacity dle posledně uvedené varianty, je monitor tlaku 17 s výhodou připojen ke stlačitelnému mediu 14, což vede k dalšímu snížení objemu hydraulického systému tlumiče, přicházejícího do styku s čerpanou kapalinou, a umožňuje použití méně nákladného řešení monitoru tlaku 17.

Sestava bloku uzavíracích a omezovačích hydraulických prvků 12 je volena podle účelu p použití kapalinového chromatografu. Pro izokratickou eluční chromatografií, tj. při stálém složeni a rychlosti průtoku čerpané kapaliny, postačí na tomto) místě uzavírací kohout. Po pře stavení ovládacích prvků čerpadla, které působí snížení průtoku čerpané kapaliny, je nutno snížení tlaku v sekundárním hydraulickém okruhu těsně pod očekávaný pracovní tlak vypuštěním části kapaliny kohoutem. Cas nutný k tomuto úkonu všetně doby na ustálení systému je řádově § minut. Stejné uspořádání lze použít i pro recyklační chromatografií, pro chromatografií s gradientem tvořeným vzrůstající velikostí průtoku čerpané kapaliny a pro chromatografií s gra dientem tvořeným změnou složení čerpané kapaliny s rostoucí viskozitou.

V případě, kdy viskozita čerpané kapaliny v průběhu chromatografické analýzy klesá, klesá tlak v primárním hydraulickém okruhu a zvlněni tlaku se zvyšuje o hodnotu středních tlaků mezi sekundárním a primárním hydraulickým okruhem. V extrémně nepříznivém případě sníženi tlaku v koloně chromatografu 8 z 20 MPa na 10 MPa za 30 minut, je pro uvedený příklad požadovaná rychlost snížení objemu kapaliny v sekundárním hydraulickém okruhu asi 0,15 cm^.min^_\, Za podmínek přicházejících v úvahu v analytické praxi vyhoví hodnoty nejméně o řád nižší.

Nejjednodušším řešením bloku uzavíracích a omezovačích prvků 12 pro gradientovou chromatografii Je použití jemného mlkrometrlckého ventilu s výhodou opatřeného stupnicí pro dosaže5 ní dotré reprodukovatelnosti. Vyšší operativnosti tlumiče je dosaženo, jestliže se za mikrometrický ventil zařadí uzavírací kohout. Tyto dva prvky se mohou případně paralelně doplnit dalším kohoutem. Je tím umožněn mžikový přechod z izokratického na gradientový provoz kapalinového chromatografu a na prpplach sekundárního hydraulického okruhu.

Činnost tlumiče lze rozdělit na dvě fáze, a to na výtlačnou a saci část pracovního cyklu kapalinového čerpadla 1,. Je-li po ukončení sací části cyklu čerpadla 1 tlak v primárním hydraulickém okruhu nižší než tlak v sekundárním hydraulickém okruhu, uvede tlakový pulz ve výtlačné části oyklu čerpadla ,1 membránu 3 tlakového převodníku 2 do polohy odpovídající dosaženému tlakovému spádu mezi primární a sekundární komorou 4 a 3 nejvýše rovnému otevíracímu tlaku jednosměrného ventilu 7. Trvá-li výtlačná část cyklu čerpadla 1 i po dosažení otevíracího tlaku jednosměrného ventilu 7, protéká čerpaná kapalina tímto ventilem £ z primárního hydraulického okruhu. Během výtlačné části cyklu pulsního čerpadla £ je čerpaná kapalina akumulována v primární průtočné komoře 4 a jestliže není dosaženo ustáleného stavu při uzavřeném bloku uzavíracích a omezovačích prvků 12 - akumuluje se ještě v akumulátoru 11.

Během sací části cyklu čerpadla 1. vychyluje tlak akumulovaný v akumulátoru 11 membránu 3, snižuje objem primární průtočné komory 4 a tím dodává tok kapaliny do kolony chromatografu 8. V ustáleném stavu, při konstantním středním průtoku čerpané kapaliny, je průtok jednosměrným ventilem 7 nulový a v průběhu sací části cyklu čerpadla £ klesá tlak v sekundárním hydraulickém okruhu o hodnotuδΡ. Zvlnění tlaku v primárním hydraulickém okruhu je rovno hodnotě &P zvýšené o rozdíl tlaků odoovídajícich dvěma krajním pracovním stavům membrány 3· Otevírací tlak jednosměrného ventilu 7 a tuhost membrány 3 jsou proto voleny menší než odpovídá nejmenšímu požadovanému zvlnění tlaku v primárním hydraulickém okruhu.

Průtok čerpané kapaliny v hydraulickém systému tlumiče je možný výlučně jednosměrně od čerpadla ]. do kolony chromatografu 8 a do sekundárního hydraulického okruhu. Tím je zaručeno, že nedochází k míšení kapaliny ze sekundárního hydraulického okruhu do primárního hydraulického okruhu a k ovlivňování složení kapaliny na vstupu do kolony chromatografu 8.

Po vypnutí čerpadla například pro účel dávkování vzorku určitým typem dávkovaciho zařízení, je na jednosměřném ventilu 7 a membráně 3 tlakový spád rovný původnímu pracovnímu tla ku. Je proto nutné, aby jednosměrný ventil 7 a tlakový převodník 2 byly odolné vůči Celému rozsahu pracovních tlaků čerpadla To je zaručeno opěrou membrány 3 ve tvaru kulového vrchlíku.

Objem primární průtočné komory 4 a sekundární komory 3 js roven nebo o málo větší než nejvyšší očekávaný objem rázu toku kapaliny, pro obvyklá čerpadla používaná v analytických chromatografech řádově o 0,1 cm^.

Pro minimalizováni mrtvých objemů v primárním hydraulickém okruhu používá se vždy primární komora 4 průtočná, Při záměně některých čerpaných kapalin, např. vodných roztoků solí nepolárními organickými rozpouštědly, by mohlo dojít k vyloučení pevných látek a k zanesení až ucnání hydraulického systému. V takovém případě je výhodné, aby i sekundární hydraulický okruh byl průtočný. Otevření bloku uzavíracích a omezovačích prvků 12 při zapnutém čerpadle £ umožňuje pronlach celého hydraulického systému tlumiče. V případě, kdy k vyloučení pevných látek nemůže dojít, například při záměně mísitelných čerpaných kapalin, není nutné provádět proplach sekundárního hydraulického okruhu, což znamená úsporu rozpouštědel a času operátora

V tom případě postačí neprůtoČná. sekundární komora 5.

Doba náběhu nutná k ustálení hydraulického systému tlumiče při přechodu z nulového na pracovní tlak všéch hydraulických prvků tlumiče je kratší než ú jednoduchého tlumicíhé RC-členu, protože objem kapaliny akumulovaný v hydraulickém akumulátoru 11 je oddělen od p primárního hydraulického okruhu a nemůže se během sací části oyklu čerpadla 1 snížit více než o hodnotu odpovídající omezené pohyblivosti membrány 3, tlakového převodníku 2. Doba náběhu při použití hydraulického akumulátoru 11 dle uvedeného příkladu, je nejvýše rovna 20 minut. Stabilizace kolony chromatografu 8 po více než několikahodinovém stáni nebo po přechodu na jiný aluent trvá nejméně stejnou dobu. Postupné zvyšování tlakového spádu na koloně chromatografu 8, která nebyla po určitou dobu používána, přispívá k prodloužení životnosti kolony chromatografu 8. Je-¹i čerpadlo 1 po dosažení ustáleného stavu tlumiče zastaveno a blok uzavíracích a omezovačích prvků 12 uzavřen, je náběh tlaku v primárním hydraulickém okruhu po onětovném zapnutí čerpadla 1, prakticky okamžitý.

Tlumič rázů kapaliny dává možnost využití levných jednočinných plunžrových Čerpadel pro kapalinovou chromatografií.

Claims (4)

1. Tlumič rázů kapalin pro chromatografií, obsahující primární hydraulický okruh, v němž je primární průtočná komora tlakového převodníku zapojena mezi čerpadlo a kolonu chromatografu. a obsahující sekundární hydraulický okruh, v němž je sekundární komora tlakového převodníku spojena s akumulátorem a blokem uzavíracích a omezovačích prvků, a obsahující dále monitor tlaku, vyznačený tím, že primární a sekundární hydraulický okruh je propojen jednosměrným ventilem (7), jehož vstup je umístěn před nebo za primární průtočnou komorou (4) a sekundární hydraulický okruh je opatřen monitorem tlaku (17).

2. Tlumič rázů kapalin pro chromatografií podle bodu 1 vyznačený tím, že monitor tlaku (17) je umístěn na akumulátoru (11) vytvořeném nádobou (13) s vloženým dutým pružným členem (15), přičemž jeden z takto vzniklých oddělených prostorů je průtočný a spojený s kapalinou sekundárního hydraulického okruhu.

3. Tlumič rázů kapalin pro chromatografií podle bodu 2 vyznačený tím, že průtočný pružný dutý člen (15) má na jednom konci spojovací trubku ve tvaru spirály (16).

4. Tlumič rázů kapalin pro chromatografii podle bodu 1 vyznačený tím, že jednosměrný ventil (7) je spojen s jednou stranou sekundární komory (5), jejíž opačná strana je spojena se vstupem akumulátoru (ll).