DE102014220565B4

DE102014220565B4 - Phasendetektion in Mehrphasen-Fluiden

Info

Publication number: DE102014220565B4
Application number: DE102014220565.4A
Authority: DE
Inventors: Ryan Hill; Joshua A. Shreve; Robert Dumas; Sylvain Cormier; Edwin Denecke; Kenneth R. Plant; Kurt D. Joudrey
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: GB201417862D0; US9441996B2; GB2519861A; DE102014220565A1; GB2519861B; US20150101419A1

Abstract

Vorrichtung zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Mehrphasen-Fluidsystem, umfassend: einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert; eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor; ein Gehäuse, das die Position des Kanals und der Schaltung fixiert, wobei das Gehäuse eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor umfasst, wobei die erste Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern, wobei die zweite Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern, und wobei die Schaltung den Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad misst und dabei die Phase des Fluids bestimmt und ferner eine Steuereinrichtung in Kommunikation mit dem Fluidphasendetektor, wobei die Steuereinrichtung basierend auf der von dem Fluidphasendetektor detektierten Fluidphase mindestens eine Variable, die den physikalischen Zustand der Fluidströmung beeinflusst, modulieren kann, und wobei die erste und zweite Öffnung einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Phasendetektion in Mehrphasen-Fluiden, bei denen mindestens zwei Fluidphasen in dem Fluid vorhanden sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Besonderen auf Phasendetektionsvorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen der Phase(n) (z. B. überkritisch, flüssig und/oder gasförmig) eines Fluids in einem Mehrphasen-Fluidsystem, wie einer auf Kohlendioxid basierenden Trennung oder anderen Chromatographiesystemen.
Hintergrund
Sowohl auf Kohlendioxid basierende Chromatographie als auch einige Formen von überkritischer Fluidchromatographie (SFC) verwenden Kohlendioxid als mobile Phase. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, das Kohlendioxid während einer Trennung kondensiert zu halten (z. B. flüssig, in oder in nahezu überkritischem Zustand). Zum Aufrechterhalten des gewünschten Zustands wird das Kohlendioxid normalerweise unter erhöhten Bedingungen (z. B. erhöhtem Druck) gehalten. Die Phase des Kohlendioxids kann sich in solchen Systemen von überkritisch oder flüssig in gasförmig ändern, wenn die erhöhten Bedingungen nicht aufrechterhalten werden.
Eine Zustandsänderung kann zum Beispiel in einem System auftreten, das zur Aufnahme von Kohlendioxid aus einem Behälter entwickelt wurde, und/oder in einem System, das adiabatischer Erwärmung oder einer anderen Wärmeübertragung unterzogen wird. Wenn der Kohlendioxidgehalt des Behälters gering ist, kann der Behälter keinen angemessenen erhöhten Druck aufbringen, um das Kohlendioxid im Behälter im gewünschten Zustand zu halten oder an das System zu liefern. Gleichermaßen kann die adiabatische Erwärmung von Kohlendioxid beim Pumpen oder beim Transport des unter Druck gesetzten Fluids in dem System zu Phasenänderungen führen. Zum Beispiel kann überkritisches/flüssiges Kohlendioxid als Folge der Übertragung von Wärme von einem Pumpenkopf an die mobile Kohlendioxidphase einen Phasenübergang in einen Gas- oder Dampfzustand durchmachen.
Phasenänderungen während einer chromatographischen und/oder präparativen chromatographischen Trennung können zu Betriebsfehlern und/oder unerwünschten Ergebnissen wie Nicht-Reproduzierbarkeit, fehlgeschlagener Trennung, Peak-Verzerrung und störenden verrauschten Basisliniensignalen führen.
DE 11 2005 000331 T5 offenbart einen Flüssigkeitschromatographie-Probeninjektor, der es erlaubt, eine optimale Beförderungsrate eines Fluids mittels der Messung des flüssigen bzw. gasförmigen Fluidzustands einzustellen. DE 603 09 476 T2 betrifft eine optische Anordnung mit einem zwischen einer Lichtquelle und mehreren Detektoren angeordneten Probengefäß, wobei die Lichtquelle einen Strahl von kollimiertem Licht erzeugt, der durch das Probengefäß hindurchtritt.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Phasendetektionssysteme, die den Zustand eines Fluids in einem Chromatographie- und/oder Trennsystem, zum Beispiel kondensiertes Kohlendioxid in einem auf Kohlendioxid basierenden Chromatographiesystem (d. h. einem Chromatographiesystem, das, zumindest teilweise, Kohlendioxid als mobile Phase verwendet), im Prozess on-line überwachen können. In verschiedenen Aspekten und Ausführungsformen können die Phasendetektionssysteme verwendet werden, um die Phase, z. B. überkritischer, flüssiger oder gasförmiger Zustand, einer mobilen Phase zu detektieren und zu bestimmen.
Eine Änderung im Zustand einer flüssigen oder überkritischen mobilen Phase in einen gasförmigen Zustand innerhalb eines Systems während eines Chromatographie- oder Trennprozesses kann Betriebsfehler verursachen oder sich sogar schädlich auswirken. Diese Fehler lassen häufig nicht ohne Weiteres auf das Vorhandensein von Gas in einer mobilen Phase (z. B. Kohlendioxidblasen) schließen. Eine kontinuierliche oder on-line-Überwachung des an das Chromatographiesystem (d. h. an eine vorbestimmte Position innerhalb des Systems) gelieferten und darin aufrechterhaltenen Zustands der mobilen Phase wäre daher nützlich. Ein Phasendetektionssystem, das den Zustand der mobilen Phase (z. B. Kohlendioxid) überwachen und bestimmen kann, kann es einem Anwender ermöglichen, das Vorhandensein von Gas in der mobilen Phase, die Fehlerquelle (z. B. ein fast leerer Behälter, adiabatische Erwärmung oder eine andere Wärmequelle) leicht und einfach zu identifizieren und, in einigen Ausführungsformen, das Problem zu korrigieren.
Lecksensoren zur Verwendung mit Chromatographiesystemen sind bekannt. Zum Beispiel wird eine Vorrichtung zum Detektieren einer Bedingung in einem Fluidsystem im US-Patent Nr. 7 596 988 B2 mit dem Titel „High Performance Liquid Chromatography Sample Introduction Optimized with Bubble Detection“ beschrieben. Einige darin beschriebene Ausführungsformen verwenden einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, die ausreichend empfindlich sind, um Flüssigkeit entweder im gasförmigen oder im flüssigen Zustand zu detektieren.
Solche Lecksensoren sind jedoch nicht auf die on-line-Überwachung der Lieferung und Aufrechterhaltung der kondensierten (z. B. flüssigen) Phase des Kohlendioxids in einem Hochdruck-Chromatographiesystem anwendbar. Die Sensoren sind möglicherweise, wenn außerhalb ihrer gedachten Anwendungen eingesetzt, fragil, temporär und nicht ausreichend empfindlich, um variable oder häufige Phasenänderungen in SFC- oder auf CO₂ basierenden Chromatographiesystemen zu bestimmen. Auch sind sie nicht ausgelegt oder unmittelbar dafür geeignet, für eine integrierte, on-line- und kontinuierliche Verwendung unter SFC-Bedingungen oder für auf CO₂ basierende chromatographische Bedingungen verwendet zu werden.
In einem Aspekt beziehen sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine Vorrichtung zum Detektieren der Phase eines Fluids gemäß den Ansprüchen, wobei die Vorrichtung einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert, eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor, und ein Gehäuse umfasst, das die relative Position des Kanals und der Schaltung fixiert. Das Gehäuse umfasst eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor. Die erste Öffnung ist in Größe und Form dazu ausgelegt, optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern. Die zweite Öffnung ist in Größe und Form dazu ausgelegt, optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern. Die Schaltung misst den Brechungsindex eines Fluids im Fluidflusspfad und bestimmt dadurch die Phase des Fluids. Die erste und zweite Öffnung sind einander gegenüberliegend angeordnet.
In einem anderen Aspekt beziehen sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf ein Trennsystem gemäß den Ansprüchen, das eine Fluidströmungsquelle, eine Trennvorrichtung in Fluidkommunikation mit der Fluidströmungsquelle, und eine Phasendetektionsvorrichtung zum Detektieren der Phase des Fluids in mindestens einem Bereich des Trennsystems umfasst. Die Phasendetektionsvorrichtung weist einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert, eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor, und ein Gehäuse auf, das die relative Position des Kanals und der Schaltung fixiert. Das Gehäuse umfasst eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor. Die erste Öffnung ist in Größe und Form dazu ausgelegt, optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern. Die zweite Öffnung ist in Größe und Form dazu ausgelegt, optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern. Die Schaltung misst den Brechungsindex eines Fluids im Fluidflusspfad und bestimmt dadurch die Phase des Fluids. Die erste und zweite Öffnung sind einander gegenüberliegend angeordnet.
In einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Trennsystem gemäß den Ansprüchen. Das Verfahren umfasst das Strömen eines Fluids durch einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert. Der Kanal wird in einer Position, bezogen auf eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor, durch ein Gehäuse fixiert, das eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung definiert, wobei die erste und zweite Öffnung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das Verfahren umfasst auch das Lenken der optischen Strahlung von der optischen Strahlungsquelle durch die erste Öffnung auf den Fluidflusspfad, und das Lenken der optischen Strahlung vom Fluidflusspfad durch die zweite Öffnung auf den Photodetektor. Das Verfahren umfasst auch das Messen des Brechungsindex eines Fluids im Fluidflusspfad und bestimmt dadurch die Phase des Fluids.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung die eine Kenngröße (z. B. Druck), die den physikalischen Zustand des Fluids (z. B. auf einen flüssigen Zustand vorspannen) beeinflusst, basierend auf der detektierten Fluidphase modulieren kann. Das Gehäuse kann die Position des Kanals und der Schaltung flexibel fixieren und die Rotation des Kanals verhindern, um Schaden am Detektor zu verhindern. Der Kanal kann im Wesentlichen für die optische Strahlung durchlässig sein und z. B. Quarz umfassen. Gleichermaßen kann das Gehäuse im Wesentlichen für die optische Strahlung undurchlässig sein. Die Lichtquelle und der Photodetektor können eine Infrarotdiode bzw. ein Phototransistor sein. Die Lichtquellenöffnung kann dazu konfiguriert sein, zu verhindern, dass Strahlung, die nicht auf die Mitte des Fluidflusspfads fällt, den Kanal erreicht. Die Photodetektoröffnung kann dazu konfiguriert sein, zu verhindern, dass Strahlung, die nicht durch die Mitte des Fluidflusspfads durchtritt, den Photodetektor erreicht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen bestimmt der Detektor die Phasenänderung zwischen einem ersten Zustand (z. B. einem Gas, einem Gas-Flüssig-Gemisch, einer Flüssigkeit oder eines überkritischen Fluids) und einem zweiten Zustand (z. B. einem Gas, einem Gas-Flüssig-Gemisch, einer Flüssigkeit oder eines überkritischen Fluids), der sich von dem ersten Zustand (einem Gas im ersten Zustand, eines Fluids im zweiten Zustand) unterscheidet. In bestimmten Ausführungsformen stellt der Detektor eine Signaländerung von über 1 V bereit, wenn eine Zustandsänderung (z. B. Änderung von Gas in Gas-Flüssig-Gemisch) auftritt.
Trennvorrichtungen zur Verwendung mit dem hierin beschriebenen Detektor können jede Trennvorrichtung gemäß den Ansprüchen umfassen, die eine mobile Phase verwendet, die eine Phasenänderung (z. B. von einer Flüssigkeit in ein Gas) erfahren kann,
darunter auf Kohlendioxid basierende Chromatographiesysteme und auf Kohlendioxid basierende Extraktionssysteme. In einigen Ausführungsformen kann die Trennvorrichtung bei oder bei nahezu überkritischen Bedingungen betrieben werden. In einigen Ausführungsformen kann der Phasendetektor entweder der Trennvorrichtung vorgelagert oder nachgelagert angeordnet werden.
Die mobile Phase kann, zumindest teilweise, Kohlendioxid umfassen. Die mobile Phasekannein Fluid sein, das unter der Gesamtheit möglicher Betriebsbedingungen für die Chromatographie- oder Extraktionsvorrichtung, eine Phasenänderung zwischen zwei Zuständen oder einen Übergang von einem in einen anderen Zustand aufweist.
Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum Beispiel stellen einige Ausführungsformen die Verwendung eines kleinen Verbindungsstücks und entsprechender Anschlussstücke zum Minimieren der Unterbrechung des Fluidflusses dar. Bestimmte Ausführungsformen umfassen eine vorteilhafte Integration einer Phasendetektorvorrichtung, was eine oder mehrere der folgenden Fähigkeiten ermöglicht: die Fähigkeit, ein Fluidsystem ständig zu überwachen, die Fähigkeit, bei hohen Drücken zu arbeiten, z. B. jenen, die für ein auf CO₂ basierendes Chromatographiesystem gelten, und, in einigen Ausführungsformen, eine Antirotationsauslegung, die den Detektor stabilisiert und selbst geringe Torsionsbelastungen reduziert. Ein weiterer, mit einigen Ausführungsformen einhergehender Vorteil umfasst die Verwendung optimierter Elektronik für verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Kombination mit den beiliegenden Zeichnungen verständlicher, in denen:

1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Anordnung der Detektorbaugruppe ist.
2 eine schematische Ansicht eines Abschnitts der Detektorbaugruppe von 1 ist.
3 eine schematische Querschnittsansicht der Detektorbaugruppe von 1 ist.
4 eine schematische Einzelteildarstellung der Detektorbaugruppe von 1 ist.
5 ein Querschnitt eines optischen Strahlengangs bei einer beispielhaften Anordnung des Detektors ist.
6 ein optischer Strahlengang bei einer beispielhaften Anordnung des Detektors ist.
7 ein Schaltbild für eine beispielhafte Anordnung des Detektors ist.
8 ein Blasendetektionssignalvergleich mithilfe einer beispielhaften Anordnung des Detektors ist.
9 eine „Behälter-Trockenlauf“-Simulation mithilfe einer beispielhaften Anordnung des Detektors ist.
10 im Allgemeinen ein Verfahren zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Trennsystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Phasendetektionssystem gemäß den Ansprüchen, das auf unter Druck gesetzte Mehrphasen-Fluidsysteme, wie Chromatographie-, Trenn- oder Kühlsysteme, anwendbar ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf
das anspruchsgemäße Verfahren zu ihrer Verwen
dung. Das Detektionssystem kann den thermodynamischen Zustand eines Fluids in einem Trenn- oder Chromatographiesystem ohne Unterbrechung des Flusspfads identifizieren. Infolgedessen kann der thermodynamische Zustand des Fluids in dem Flusspfad (z. B. Kohlendioxid, Kohlendioxid plus Modifikator, Zusatzstoff und/oder Probe) on-line und während der gesamten Verwendung des Mehrphasen-Fluidsystems festgestellt werden. Außerdem kann in einigen Fällen die Anpassung an Betriebsbedingungen derart erfolgen, dass der thermodynamische Zustand der mobilen Phase (z. B. um das System weiterhin unter den gewünschten Parametern zu betreiben) berücksichtigt wird.
Der Begriff „Phase“ bezieht sich, wie hierin verwendet, auf den thermodynamischen Zustand des Fluids, z. B. flüssig, gasförmig oder überkritisch. Ein Fluid in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung kann mehr als eine Phase enthalten, zum Beispiel kann das Fluid eine flüssige Phase und eine Gasphase (d. h. eine „Gas-Flüssig-Mischphase“) umfassen.
Der Begriff „Mehrphasen-Fluidsystem“ bezieht sich, wie hierin verwendet, auf ein System mit einem Fluid, das innerhalb des Systems von einer Flüssigkeit in ein Gas übergehen kann. Mehrphasen-Fluidsysteme können Trennsysteme, Chromatographiesysteme (z. B. SFC, auf CO₂ basierende Chromatographie) und Kühlsysteme umfassen.
Das Phasendetektionssystem der vorliegenden Erfindung hat mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Einige dieser Vorteile umfassen die Verwendung von Standard-Anschlussstücken, die den Fluidfluss nicht stören. Die Standard-Anschlussstücke, z. B. V-Element-Anschlussstücke, können an beiden Enden der Detektorbaugruppe verwendet werden. Diese Anschlussstücke können effektiv als eine Verbindung wirken und Unterbrechungen des Fluidflusses reduzieren. Infolgedessen kann das Phasendetektionssystem im Betrieb des angeschlossenen Mehrphasen-Fluidsystems (z. B. während der Trennung, während der Extraktion) verwendet werden, um den Zustand der mobilen Phase im System zu detektieren und eventuell zu modifizieren (z. B. korrekte Systemeinstellungen anzuwenden, um den gewünschten Phasenzustand von CO₂ während einer Trennung zu erhalten).
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte Integration innerhalb eines Systems, die wiederum neue Anwendungen des Phasendetektionssystems ermöglicht. Zum Beispiel
bietet die Erfindung ein Gehäuse, das das Detektionssystem stabil mit dem Mehrphasen-Fluidsystem verbindet. Das Gehäuse sorgt für eine sichere und einfache Platzierung (Integration) des Detektionssystems in einen beliebigen Abschnitt des Mehrphasen-Fluidsystems. Des Weiteren dient das Gehäuse als Filter, um Licht durch das Fluid hindurchzuführen und in eine Lichtdetektionsvorrichtung zu lenken. Infolge dieser verbesserten Integration kann das Detektionssystem über einen Durchlauf verwendet werden, um zu detektieren und zu bestimmen, ob und/oder wann eine Phasenänderung auftritt. Diese Phasendetektionsinformationen können in einigen Ausführungsformen zur Aktualisierung der Betriebsbedingungen verwendet werden, um die Phasenänderung zu korrigieren oder zu verhindern.
Das Detektionssystem ist entwickelt, um eine für die intensive Verwendung bei hohen Drücken und/oder Temperaturen ausgelegte Dichtung zu integrieren. Eine für die intensive Verwendung bei hohen Drücken und/oder Temperaturen ausgelegte Dichtung ist eine Dichtung, die im Betrieb eines Systems bei hohen Drücken oder/und hohen Temperaturen ordnungsgemäß funktionieren (z. B. eine Dichtung aufrechterhalten) kann. Die mit intensiver Verwendung in Zusammenhang stehende Zeit kann die Zeit umfassen, die bzw. bis zu der eine normale Dichtung unter normalen Bedingungen ordnungsgemäß funktionieren würde. Die Dichtungskonstruktion kann ausgelegt sein für die Verwendung bei Drücken von bis zu und über 200 psi (13,8 bar), 400 psi (27,6 bar), 600 psi (41,4 bar), 800 psi (55,2 bar), 1.000 psi (68,9 bar), 1.200 psi (82,7), 1.400 psi (96,5), 1.600 psi (110 bar), 1.800 psi (124 bar), 2.000 psi (138 bar), 2.500 psi (172 bar), 3.000 psi (207 bar), 3.500 psi (241 bar), 4.000 psi (276 bar), 4.500 psi (310 bar) und 5.000 psi (345 bar), wodurch möglich wird, unter Druck gesetzte Flüssigkeiten oder gasförmiges Kohlendioxid zu beobachten. Diese Werte können auch einen Bereich von Druckwerten, z. B. zwischen etwa 1.600 psi (110 bar) und etwa 2.500 psi (172 bar), definieren. Die Dichtungskonstruktion kann ausgelegt sein für die Verwendung bei Temperaturen von bis zu und über 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C, 100 °C, 120 °C, 140 °C, 160 °C, 180 °C und 200 °C. Diese Werte können auch einen Bereich von Temperaturwerten, z. B. zwischen etwa 80 °C und etwa 200 °C, definieren.
Das Detektionssystem ist ebenfalls dazu entwickelt, die Rotation, die mit dem Fluidkanal des Detektors verknüpft ist, z. B. einer Quarzröhre, wie in den illustrativen Beispielen dargestellt (wobei andere Röhrenmaterialien, zum Beispiel Saphir oder Mineralkristallglas, möglich sind), zu minimieren oder zu eliminieren. Störende oder unerwünschte Bewegung oder Rotation des Detektionssystems kann Torsionsbelastungen auf den Kanal ausüben, was dazu führen kann, dass das Material bricht. Anti-Rotationsmerkmale (z. B. asymmetrische Konfigurationen) des Detektionssystems können eine axiale Belastung der Röhre gewährleisten.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine optimierte elektrische Schaltung verwendet, die eine eindeutige Signaländerung von mehr als einem (1) Volt liefern kann, wenn sich die Phase von gasförmig in flüssig (oder überkritisch oder eine Mischphase) ändert. In einigen Ausführungsformen wurden in der Schaltung eingesetzte Widerstände dazu ausgewählt, ein optimales Signal in Reaktion auf die Detektion von flüssigem CO₂ bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen wurden in der Schaltung eingesetzte Widerstände dazu ausgewählt, ein optimales Signal in Reaktion auf die Detektion von gasförmigem CO₂ bereitzustellen.
Die 1-5 stellen eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die sich auf eine Vorrichtung (10) zum Detektieren der Phase eines Fluids bezieht. Die Vorrichtung (10) umfasst einen Kanal (12), der einen Fluidflusspfad (14) definiert, eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle (16) und einem Photodetektor (18), und ein Gehäuse (20), das die relative Position des Kanals (12) und der Schaltung fixiert. Das Gehäuse (20) weist eine erste Öffnung (22) neben der optischen Strahlungsquelle (16) und eine zweite Öffnung (24) neben dem Photodetektor (18) auf, wobei die erste Öffnung (22) in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung (26) von der optischen Strahlungsquelle (16) zum Fluidflusspfad (14) zu filtern, wobei die zweite Öffnung (24) in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung (28) vom Fluidflusspfad (14) zum Photodetektor (18) zu filtern. Die Schaltung der Vorrichtung (10) misst den Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad (14) und bestimmt dadurch die Phase des Fluids.
Die Fluidsysteme, bei denen das Phasendetektionssystem angewendet werden kann, können im Wesentlichen jedes geschlossene System umfassen, das ein Fluid unter kontrolliertem Druck und/oder kontrollierter Temperatur verwendet. Das Fluid kann eine einzelne Komponente umfassen, wie flüssiges Kohlendioxid in einem Chromatographiesystem, oder kann ein Mischkomponentensystem umfassen, wie Kohlendioxid/Methanol in einem Chromatographiesystem. Beispiele für Fluide, die mit dem Phasendetektionssystem verwendet werden können, umfassen Kohlendioxid, Kohlendioxid/Methanol, Kohlendioxid/Ethanol und Freon. Des Weiteren kann das Fluid jedes Lösungsmittel (d. h. jedes einzelne Fluid oder jedes Gemisch aus zwei oder mehreren Fluiden) sein, das eine Phasenänderung von flüssig zu gasförmig bei oder bei nahezu den besonderen Betriebsbedingungen des Fluidsystems erfahren kann.
Geschlossene Systeme, die ein Fluid unter erhöhten Bedingungen, z. B. kontrolliertem Druck und/oder kontrollierter Temperatur, enthalten, können für Änderungen in den Fluidbedingungen anfällig sein, wobei die Flüssigkeit Phasen ändern kann, z. B. von flüssig zu gasförmig. Die Drücke des geschlossenen, das Fluid enthaltenden Systems können von etwa 25 psi (1,72 bar) bis etwa 5.000 psi (345 bar) reichen. Noch bevorzugter von etwa 100 psi bis etwa 3.000 psi (207 bar). In einigen Ausführungsformen beträgt der Druck des Fluids maximal 200 psi (13,8 bar), 400 psi (27,6 bar), 600 psi (41,4 bar), 800 psi (55,2 bar), 1.000 psi (68,9 bar), 1.200 psi (82,7), 1.400 psi (96,5), 1.600 psi (110 bar), 1.800 psi (124 bar), 2.000 psi (138 bar), 2.500 psi (172 bar), 3.000 psi (207 bar), 3.500 psi (241 bar), 4.000 psi (276 bar), 4.500 psi (310 bar) und 5.000 psi (345 bar). Diese Werte können auch einen Bereich von Druckwerten, z. B. zwischen etwa 1.000 psi (68,9 bar) und etwa 2.000 psi (138 bar), definieren. In einigen auf Kohlendioxid basierenden Chromatographiesystemen können die Drücke des Fluids von etwa 100 Psi bis etwa 3.000 Psi reichen. In einigen Ausführungsformen beträgt der Druck maximal 2.000 Psi. Die Betriebstemperaturen in der auf Kohlendioxid basierenden Chromatographie sind gleich oder größer als 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C, 100 °C, 120 °C, 140 °C, 160 °C, 180 °C und 200 °C. Diese Werte können auch einen Bereich von Temperaturwerten, z. B. von etwa 80 °C bis etwa 200 °C, definieren. In einigen Ausführungen kann die Temperatur von etwa 5 °C bis etwa 50 °C oder von etwa 15 °C bis etwa 38 °C reichen.
Der Kanal (12), der einen Fluidflusspfad (14) definiert, kann jedes Rohr oder jede Röhre sein, das bzw. die das unter kontrolliertem Druck oder kontrollierter Temperatur stehende Fluid von einem Ort zu einem anderen fördert oder transportiert. Vorzugsweise ist oder kann der Kanal (12) im Wesentlichen für die optische Strahlung durchlässig gestaltet sein. Der Kanal (12) kann jede Vorrichtung sein, die einen Fluidflusspfad (14), oder Durchlass, definiert und aus einem Material hergestellt ist, das optische Strahlung durchlässt und mit einem Trenn- oder Chromatographiesystem kompatibel ist, wie einem auf Kohlendioxid basierenden Chromatographiesystem, wie einem beliebigen Chromatographiesystem, das zur Verwendung mit einer CO₂ enthaltenden mobilen Phase entwickelt und bei Waters Technologies Corporation, Milford, MA erhältlich ist. Vorzugsweise wird der Kanal (12) aus Quarz hergestellt. Allerdings können auch andere optisch transparente Materialien verwendet werden, z. B. optisch transparentes Glas, Acrylglas (z. B. Lucite) oder transparente Formen von Korundum. Der Kanal (12) kann einen Innendurchmesser (ID) aufweisen, der zum Transportieren von Fluiden in dem jeweiligen Fluidsystem geeignet ist. Vorzugsweise sollte der Innendurchmesser des Kanals dem Innendurchmesser des Rohres ähnlich sein, das das Fluid im System und zum Kanal transportiert. Eine Diskrepanz der Innendurchmesser von Kanal und Rohr kann zu einer Druckänderung im Kanal führen, die für das Fluid in dem System nicht charakteristisch ist. Wenn zum Beispiel ein SFC-System, das Kohlendioxid als mobile Phase verwendet, zum Transport von flüssigem Kohlendioxid ein Rohr mit einem ID von 0,03 Zoll (0,762 mm) verwendet, und das Detektionssystem einen Kanal mit einem ID von 0,01 Zoll (0,254 mm) verwendet, dann kann der kleinere Innendurchmesser des Kanals bewirken, dass das Kohlendioxid einen lokalen Druckanstieg im Kanal erfährt, der für das System nicht charakteristisch ist, und das System kann eine im System vorliegende Phasenänderung nicht detektieren. Gleichermaßen kann, wenn zum Beispiel ein SFC-System zum Transport von flüssigem Kohlendioxid ein Rohr mit einem ID von 0,007 Zoll (0,178 mm) verwendet, und das Detektionssystem einen Kanal mit einem ID von 0,02 Zoll (0,508 mm) verwendet, der größere Innendurchmesser des Kanals bewirken, dass das Kohlendioxid einen lokalen Druckabfall im Kanal erfährt, der für das System nicht charakteristisch ist, und das System detektiert eine Phasenänderung, die im System nicht besteht. In einigen Ausführungsformen beträgt die Differenz der Innendurchmesser von Kanal und Rohrleitung weniger als etwa 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 % oder 1 %. Diese Werte können auch einen Bereich von Differenzen, z. B. zwischen etwa 2 % und etwa 5 %, definieren.
Die Schaltung umfasst eine optische Strahlungsquelle (16) und einen Photodetektor (18). Die 5 und 7 zeigen beispielhafte Ausführungsformen der Schaltung. Die optische Strahlungsquelle (16) kann eine beliebige lichtemittierende Vorrichtung sein. Beispiele für optische Strahlungsquellen umfassen Leuchtdioden, UV/VIS-Lampen und Laser. Vorzugsweise ist die Quelle eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED). Auch kann der Photodetektor (18) eine beliebige photonendetektierende Vorrichtung sein, die Photonen oder Licht in ein elektrisches Signal, entweder Strom oder Spannung, umwandeln kann. Beispiele für Photodetektoren umfassen Phototransistoren und Photodioden. Vorzugsweise ist der Photodetektor eine Photodiode.
Die Schaltung ist in der Lage, eine Signaländerung zu liefern, wenn die Phase des Fluids zwischen einer gasförmigen, flüssigen, überkritischen oder nahezu überkritischen oder einer Mischphase wechselt. Wenn sich die Phase des Fluids ändert (sich z. B. Gasblasen in einem Fluid bilden), ändert sich auch der Brechungsindex des an der Schaltung vorbei strömenden Fluids (z. B. aufgrund des Vorhandenseins von Gasblasen im Fluidflussstrom). Die Änderung im Brechungsindex ändert das Beugungsbild oder den Winkel des durch die Strömungszelle und die Schaltung hindurchgehenden Lichts. Diese Änderungen in der Lichtintensität werden von dem Photodetektor aufgezeichnet. In einer Ausführungsform kann die Schaltung eine IR-LED als optische Strahlungsquelle und einen Phototransistor als Photodetektor umfassen. Die Phasenänderung verändert den IR-Durchsatz und löst eine Schwelle aus. Ein Schwellenwert kann bei einem beliebigen Wert zwischen 100 % flüssig und 100 % gasförmig angesetzt werden. In einigen Ausführungsformen ist er mittig zwischen einem Wert für 100 % flüssig und dem Wert für 100 % gasförmig angesetzt. Im Allgemeinen werden die IR-Durchsatzmessungen/-werte experimentell bestimmt und die Art des als mobiles Phasenfluid verwendeten Lösungsmittels korrelieren. Die Schaltung kann in der Lage sein, eine Signaländerung über 1 V zu liefern, wenn sich die Phase des Fluids ändert, zum Beispiel von gasförmig zu flüssig. In einigen Ausführungsformen sind die Widerstände in der Schaltung dazu ausgewählt, die besten Signal-Rausch-Eigenschaften aufzuweisen, die den Gas- und Flüssigkeitsmessungen entsprechen, ohne dabei den Skalenendwert des Analog-digital-Wandlers zu übersteigen. Optimiert kann die Schaltung durch Anzeige einer Signaländerung von oder größer als 1 V einen eindeutigen Hinweis auf eine Phasenänderung bereitstellen. Im Allgemeinen ist die Schaltung fähig, den Brechungsindex eines Fluids im Fluidflusspfad (14) zu messen, und bestimmt dadurch die Phase des Fluids (d. h. gasförmig, flüssig, überkritisch oder nahezu überkritisch oder eine Kombination davon).
Zum Beispiel überwacht die Schaltung das Fluid und liefert ein Signal, wenn das Fluid den Kanal durchströmt. Wenn das Fluid zu 100 % flüssig ist, z. B. zu 100 % flüssiges Kohlendioxid, wird das Signal mit 100 % Transmittanz verknüpft oder darauf kalibriert. Bei einer Änderung der Fluidphase von 100 % flüssig in ein Flüssig/Gas-Gemisch liegt das Signal unter 100 % Transmittanz. Das Konzept kann analog auf Überkritisch/Flüssig- und Überkritisch/GasGemische angewendet werden. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass ein Betriebsverfahren das Vorhandensein der Gasblasen in dem Überkritisch/GasGemisch umfasst und bewirkt, dass das Licht gestreut wird und weniger Licht den Detektor erreicht. Der Verlust von Transmittanz beim Detektor kann eine Phasenänderung oder das Vorhandensein von Mehrphasen/Mischphasen anzeigen.
Ein beispielhaftes Schaltbild für die Schaltung ist in 7 dargestellt. Die Widerstandswerte für die Widerstände (72, 74 und 76) sind dazu ausgewählt, den Ausgabebereich des Signals zu optimieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. In der in 7 dargestellten Ausführungsform ist ein Widerstand von etwa 260 Ohm für den Widerstand (72) bereitgestellt, ein Widerstand von etwa 4990 Ohm für den Widerstand (74) und etwa 0 Ohm sind für den Widerstand (76) ausgewählt (z. B. ist an dieser Position kein Widerstand bereitgestellt). In einer anderen Ausführungsform ist ein Widerstand von etwa 681 Ohm für den Widerstand (72) bereitgestellt, etwa 332 Ohm für den Widerstand (74) und etwa 221 Ohm für den Widerstand (76).
In einer Ausführungsform fixiert das Gehäuse (20) die relative Position des Kanals (12) und der Schaltung (z. B. die Quelle (16) und den Detektor (18)) und definiert den Fluidflusspfad (14). Wie in 1 dargestellt, verläuft bei zusammengesetzter Vorrichtung (10) der Fluidflusspfad (14) durch das Gehäuse (20), indem er durch eine Anschlussstückhalterung (36) in einen Kanal eintritt und in die vom Inneren des Gehäuses (20) definierte Richtung fließt. Innerhalb des Gehäuses erstreckt sich der Fluidflusspfad (14), wie in den 2 und 3 dargestellt, entlang der Linie A-A von der Anschlussstückhalterung (36) bis zum Kanal (12) und durch ein standardmäßiges V-förmiges Anschlussstück (44) aus dem Detektor (18) heraus. Da sowohl die Anschlussstückhalterung (36) als auch das V-förmige Anschlussstück (44) Standard-Anschlussstücke sind, die typischerweise nicht wesentlich zum Totvolumen eines Systems beitragen, kann der Detektor (18) an jeder gewünschten Position entlang des Fluidpfads platziert werden.
Das Gehäuse (20) umfasst eine erste Öffnung (22) und eine zweite Öffnung (24), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie in den 4 und 5 dargestellt, und in der Größe dazu ausgelegt sind, die optische Strahlungsquelle (16) bzw. einen Photodetektor (18) aufzunehmen. Vorzugsweise ist das Gehäuse im Wesentlichen für die optische Strahlung undurchlässig. Die erste Öffnung (22) befindet sich neben der optischen Strahlungsquelle (16) und eine zweite Öffnung (24) neben dem Photodetektor (18). Wie in 5 dargestellt, ist die erste Öffnung (22) in Größe und Form dazu ausgelegt, die optische Strahlung (26) von der optischen Strahlungsquelle (16) zum Fluidflusspfad (14) zu filtern. Im Allgemeinen ist die Größe der ersten Öffnung (22) dazu optimiert, zu verhindern, dass Streulicht (z. B. nicht einfallendes Licht) in den Fluidflusspfad (14) eintritt, bzw. Streulicht zu minimieren. Streulicht bedeutet eine konstante Verschiebung und beeinträchtigt einen Signalbetriebsbereich. Infolgedessen ist die erste Öffnung in der Größe dazu ausgelegt, das Streulicht zu minimieren, sodass die Verschiebung geringer ist.
Mit Bezug auf die 5 und 6 kann die erste Öffnung (22) dazu konfiguriert sein, zu verhindern, dass optische Strahlung, die nicht auf die Mitte des Fluidflusspfads (14) fällt, den Kanal erreicht (12). Gleichermaßen kann die zweite Öffnung (24) dazu konfiguriert sein, zu verhindern, dass optische Strahlung, die nicht durch die Mitte des Fluidflusspfads (14) durchtritt, den Photodetektor erreicht. In einigen Ausführungsformen können Form und Materialart so ausgewählt werden, dass eine Lichtkonzentrationswirkung auf das Fluid in dem Flusspfad angewendet wird. So kann zum Beispiel die Konzentrations- oder Fokussierwirkung durch die relativen Brechungsindizes an Materialschnittstellen optimiert werden. Durch die Auswahl geeigneter Materialien und der Form des Kanals (12) lassen sich die relativen Brechungsindizes derart anpassen, dass die Lichtkonzentrationswirkung in der Mitte des Fluidflusspfads (14) erreicht wird. In einer Ausführungsform sind Material und Form des Kanals (12) eine Quarz-Röhre.
Wie in 5 dargestellt, ist die zweite Öffnung (24) in Größe und Form dazu ausgelegt, die optische Strahlung (28) vom Fluidflusspfad (14) zum Photodetektor (18) zu filtern. Die Größe der zweiten Öffnung (24) kann größer, gleich oder geringer sein als die Größe der ersten Öffnung (22), je nach Optimierung des dynamischen Bereiches der Schaltung. Typischerweise werden die Größen der Öffnungen derart ausgewählt, dass genug Licht durch die zweite Öffnung (24) durchtritt, um ein lesbares Signal im Detektor (18) zu erzeugen. Obwohl es wünschenswert ist, dass die zweite Öffnung (24) groß genug ist, um so viel durch den Fluidpfad (14) wanderndes Licht wie möglich einzufangen, ist es gleichzeitig wünschenswert, dass die zweite Öffnung (24) klein genug ist, um Licht, das um den Fluidpfad herum wandert, soweit wie möglich zu blockieren. Wenn der Detektor (18) störendes Licht empfängt, das nicht durch das Fluid hindurchtritt, wird eine Verschiebung erzeugt und dadurch der dynamische Bereich des Detektors begrenzt. Die Form der ersten und zweiten Öffnung (22 und 24) kann unabhängig jede beliebige Form sein, die den Lichtdurchtritt ermöglicht. Die erste und die zweite Öffnung können dieselbe Form haben oder sich voneinander unterscheiden. In einer Ausführungsform ist die Form beider Öffnungen (22 und 24) kreisförmig.
Mit Bezug auf die in den 1, 3 und 4 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen ist ein Kabel (30) mit der Schaltung verbunden, um die optische Strahlungsquelle (16) mit Strom zu versorgen und das Signal, das vom Photodetektor (18), der sich an Armen (31) befindet, erzeugt wurde, zu transportieren. Die optische Strahlungsquelle (16) und der Photodetektor (18) sind einander gegenüber positioniert und voneinander getrennt, um auf die gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses zu passen, das den Kanal (12) und den Fluidflusspfad (14) einschließt. Das Kabel wird von einem Haltebügel (32) und einer Schraube (34) in Position gehalten. Diese halten die optische Strahlungsquelle (16) und den Photodetektor (18) in Position und verhindern eine Bewegung, die das Detektionssystem beeinträchtigen kann. In einigen Ausführungsformen werden Gummiauflagen zwischen Arme (31) und Haltebügel (32) gelegt, um für eine sichere und flexible Verbindung zu sorgen.
Eine Anschlussstückhalterung (36) wird verwendet, um den Detektor (18) bei minimalem zusätzlichem Volumen mit einem fluidischen System zu verbinden. In den 1-4 ist die Anschlussstückhalterung (36) eine V-förmige Anschlussstückhalterung, die einem System wenig Volumen hinzufügt. Des Weiteren weist die Anschlussstückhalterung (36) ein anpassbares Komprimierungsmerkmal auf, um dafür zu sorgen, dass die Komponenten (z. B. der Kanal (12)) im Gehäuse (20) gehalten werden. Die Phasendetektorvorrichtung (10) kann direkt oder indirekt zwischen des Fluidströmungsquelle und der Trennvorrichtung integriert werden. Die Verwendung dieser Anschlussstücke an jedem Ende des Kanals (12) kann die Unterbrechung des Fluidströmung minimieren. Des Weiteren kann durch Integrieren der Phasendetektionsvorrichtung (10) in ein System mit einer Strömungsquelle und einer Trennvorrichtung der Phasendetektor während einer chromatographischen Trennung on-line betrieben werden. Das heißt, das Fluid braucht nicht separat getrennt oder gesammelt zu werden. Die Phasendetektionsvorrichtung (10) überwacht aktiv das in der Trennung zu verwendende Fluid.
Ein Antirotationsschlüssel (38) wird verwendet, um die Rotation des Kanals (12) während der Phasendetektion zu unterbinden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Antirotationsschlüssel (38) eine asymmetrisch geformte Komponente (z. B. ein Oval), die, wenn die Komponenten innerhalb des Gehäuses (20) durch die Platzierung der Anschlussstückhalterung (36) gehalten werden, die Rotation des Kanals (12) begrenzt oder verhindert. Obwohl die Ausführungsformen den Schlüssel (38) als Oval darstellen, sind auch andere asymmetrische Konfigurationen möglich. Das Gehäuse (20) ist dazu angepasst, den Antirotationsschlüssel (38) in einer oder eventuell mehreren Ausrichtungen aufzunehmen. Allerdings verhindert die Positionierung des Antirotationsschlüssels (38) im Gehäuse (20), insbesondere nach dem Zurückhalten durch die Anschlussstückhalterung (36), die Rotation des Kanals und verhindert dadurch Schäden am Kanal.
Die in den 3 und 4 dargestellte Ausführungsform weist eine Kanaldichtung (40) auf. Die Kanaldichtung (40) wird verwendet, um den Kanal (12) dem Gehäuse (20) gegenüber abzudichten. In einigen Ausführungen ist die Dichtung aus PEEK, PTFE (z. B. Teflon®) oder FFKM (Kalrez®) gebildet. In bestimmten Ausführungsformen hat die Dichtung eine Dicke von 0,013 cm (0,005 Zoll). Die Dichtung (40) kann dicker oder dünner sein, je nach Anwendung und/oder Ausführung. Die Phasendetektorvorrichtung (10) kann zwischen der Fluidströmungsquelle und der Trennvorrichtung integriert werden. In bestimmten Ausführungsformen ermöglicht die Verwendung einer Dichtung (40) und von Anschlussstücken (36) die Verwendung des Kanals und des Phasendetektionssystems bis zu einem Betriebsdruck von mindestens etwa 2.000 psi (138 bar).
In einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein überkritisches (oder nahezu überkritisches oder flüssiges) Phasentrennsystem, das eine Fluidströmungsquelle, eine Trennvorrichtung in Fluidkommunikation mit der Fluidströmungsquelle und eine Phasendetektionsvorrichtung zum Detektieren der Phase des Fluids in mindestens einem Bereich des Trennsystems umfasst, wobei die Phasendetektionsvorrichtung einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert,
eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor, und ein Gehäuse, das die Position des Kanals und der Schaltung fixiert, umfasst, wobei das Gehäuse eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor umfasst, wobei die erste Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern, wobei die zweite Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern, und wobei die Schaltung den Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad misst und dadurch die Phase des Fluids bestimmt. Die erste und zweite Öffnung sind einander gegenüberliegend angeordnet.
Das überkritische (oder nahezu überkritische oder flüssige) Phasentrennsystem kann jedes Trenn- oder chromatographische Phasensystem umfassen, in dem eine Änderung in der Fluidphase auftreten kann. Zum Beispiel kann ein auf Fluid basierendes Trennsystem ein auf Kohlendioxid basierendes Chromatographiesystem oder ein auf Kohlendioxid basierendes Extraktionssystem umfassen, die beide dazu entwickelt wurden, zumindest teilweise im überkritischen oder nahezu überkritischen Bereich von CO₂ betrieben zu werden. Die Fluidströmungsquelle kann jede Fluidquelle umfassen, die Fluid für ein Trenn- oder Chromatographiesystem bereitstellen kann. Fluidströmungsquellen können Fluidzylinder oder -behälter oder eine Zuleitung von einer kontinuierlichen Quelle, z. B. einer Hausversorgungszuleitung, umfassen. In einer Ausführungsform ist das auf Fluid basierende Trennsystem ein auf Kohlendioxid basierendes Chromatographiesystem, das eine Fluidströmungsquelle mit einem Behälter mit einem Zweistufenregulierer umfasst. Das Trennsystem kann eine Pumpe oder ein Pumpsystem umfassen, das das Fluid als mobile Phase liefert, um eine auf Kohlendioxid basierende chromatographische Trennung zu bewirken.
Die Phasendetektionsvorrichtung zum Detektieren der Phase des Fluids in mindestens einem Bereich des Trennsystems kann das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Phasendetektionssystem umfassen. Die Phasendetektionsvorrichtung kann jeder beliebigen Pumpe oder jedem beliebigen Pumpsystem, die bzw. das mit der Trennvorrichtung verknüpft ist, vorgelagert oder nachgelagert sein. Zusätzlich kann die Phasendetektionsvorrichtung der Trennvorrichtung vorgelagert angeordnet sein. Alternativ kann die Phasendetektionsvorrichtung der Trennvorrichtung nachgelagert angeordnet sein. Einige Ausführungsformen stellen die Verwendung von Mehrphasen-Detektionssystemen dar, die sich an mehreren Stellen in einem System befinden
(z. B. ein erstes, einer Trennvorrichtung vorgelagert angeordnetes Phasendetektionssystem und ein zweites, einer Trennvorrichtung nachgelagert angeordnetes Phasendetektorsystem).
Die Phasendetektionsvorrichtung kann auch eine Steuereinrichtung in Kommunikation mit dem Fluidphasendetektor umfassen. Die Steuereinrichtung kann in der Lage sein, basierend auf der von dem Fluidphasendetektor detektierten Fluidphase mindestens eine Variable, die den physikalischen Zustand der Fluidströmung beeinflusst, zu modulieren. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung in der Lage sein, mindestens einen Parameter zu modulieren, um die Fluidströmung in den flüssigen Zustand zu bringen, wenn der Fluidphasendetektor eine gasförmige oder Gas-Flüssig-Mischphase in der Fluidströmung detektiert. Die Steuereinrichtung kann eine Servosteuerung sein, die bei Empfang der Informationen einer Phasenänderung eine mechanische und/oder elektrische Änderung in dem System auslöst, um eine Variable anzusprechen. Die Variablen, die moduliert werden können, um den physikalischen Zustand der Fluidströmung zu beeinflussen, umfassen Druck und/oder Temperatur. Wenn zum Beispiel die Phasendetektionsvorrichtung eine Phasenänderung in dem Fluid detektiert, kann die Steuereinrichtung den Druck des Fluidsystems erhöhen, um das Fluid aus einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand zu bringen. Zum Beispiel kann der von einem Pumpsystem oder einem Drucksystem aufgebrachte Druck erhöht werden. In anderen Ausführungsformen kann ein oder können mehrere Regulierer innerhalb des Systems von der Steuereinrichtung moduliert werden, um den Druck zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann auch ein auf das System aufgebrachter Gegendruck modifiziert werden, um die Detektion einer Phasenänderung oder Nahezu-Phasenänderung durch die Steuereinrichtung anzusprechen. Des Weiteren kann die Temperatur des Systems in Reaktion auf die Detektion einer Phasenänderung oder Nahezu-Phasenänderung durch bekannte Temperatursteuermechanismen in Kommunikation mit der Steuereinrichtung modifiziert werden. Die analoge Vorrichtung und das analoge Verfahren können gleichermaßen auf überkritische Fluide angewendet werden.
Das Gehäuse der Phasendetektionsvorrichtung kann in der Lage sein, die relative Position des Kanals und der Schaltung flexibel zu fixieren. Durch flexibles Fixieren dieser Komponenten kann Schaden an der Schaltung verhindert und dabei die relative Position des Kanals und der Schaltung beibehalten werden. Zum Beispiel können „harte“ oder starre Fassungen (z. B. Metallfassungen), um die Schaltungskomponenten (16 und 18) an dem Fluidkanal (12) zu befestigen bzw. daran auszurichten, zu Schäden an den zerbrechlichen und empfindlichen Optiken von 16 und 1 8 führen. Insbesondere kann es zu Verkratzen der Komponenten (16 und 18) kommen, wenn keine Flexibilität zwischen der Montagevorrichtung und dem den Kanal (12) umschließenden Gehäuse (20) besteht. Jedoch sind zum Aufrechterhalten der Ausrichtung Arme (31) aus Kunststoff, Elastomerwerkstoff oder anderem derartig flexiblen Material gebildet, um ein flexibles Fixieren von Kanal und Schaltung zu ermöglichen.
In einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren (10) zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Trennsystem, wobei das Verfahren umfasst: Das Strömenlassen eines Fluids durch einen Kanal, der einen Fluidflusspfad (1010) definiert, wobei der Kanal in einer Position, bezogen auf eine Schaltung, die eine optische Strahlungsquelle und einen Photodetektor umfasst, durch ein Gehäuse fixiert ist, das eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung definiert, welche jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind; Lenken der optischen Strahlung von der optischen
Strahlungsquelle durch die erste Öffnung auf den Fluidflusspfad (1020); Lenken der optischen Strahlung vom Fluidflusspfad durch die zweite Öffnung auf den Photodetektor (1030); und Messen des Brechungsindex eines Fluids im Fluidflusspfad (1040), und dadurch Bestimmen der Phase des Fluids. Das Verfahren kann nach dem Bestimmen, dass die Phase des Fluids überkritisch (1050) ist, ferner das Durchführen einer flüssigen/überkritischen Phasenchromatographie oder - trennung an einer Probe in dem Fluid umfassen. Alternativ kann das Verfahren nach dem Bestimmen, dass die Phase des Fluids flüssig ist, ferner das Durchführen einer Flüssigphasenchromatographie oder -trennung auf einer Probe in dem Fluid umfassen.
BEISPIELE
Beispiel 1 - Blasendetektionssignalvergleich
Zum Darstellen der Reaktion des Detektors auf eine Änderung in einer Phase wurde ein Blasendetektionssignalvergleichstest durchgeführt. Insbesondere wurden die Testlösungsmittel mit einem bekannten Brechungsindex durch den in 1 dargestellten Detektor geleitet, um eine Kontrastsignaldetektion durch die Schaltung des Detektors zu bestimmen. Des Weiteren wurden die gleichen Testlösungsmittel durch einen Leckdetektor vom in US-Patent Nr. 7 596 988 B2 beschriebenen Typ geleitet. Wie in 8 dargestellt, ist der Kontrast im Detektionssignal im Detektor vom Typ der vorliegenden Erfindung (d. h. mit SFC bezeichnet und mit Kurvennummer (110) angegeben) viel größer als beim Leckdetektor von US-Patent 7 596 988 B2 (d. h. mit VDD bezeichnet und mit Kurvennummer (120) angegeben). Beide Signale wurden mit den hierin beschriebenen Mechanismen erhalten. Die Kontrastdifferenz geht teilweise auf die Schaltung zurück. Die mit VDD bezeichnete Kurve verwendet die Standardschaltung von VDD, während die SFC-Linie für maximalen Kontrast eine optimierte Schaltung verwendet. Als Folge des vom Detektor der vorliegenden Erfindung bereitgestellten größeren Signalkontrastes können feinere Unterscheidungen zwischen den Phasenänderungen detektiert werden, und es kann entsprechend darauf reagiert werden. Somit kann der Detektor der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Änderungen in einem variablen Mehrphasen-Fluidsystem, wie einem auf CO₂ basierenden Chromatographie- oder Extraktionssystem, zu überwachen und anzupassen.
Beispiel 2 - „Trockenlauf“-Simulation
Zum Darstellen der Detektion einer Phasenänderung durch den in 1 dargestellten Detektor wurde ein „Trockenlauf“-Simulationstest mit einem CO₂-Behälter durchgeführt. In diesem Test, dessen Ergebnisse in 9 dargestellt sind, wurde ein Behälter mit CO₂, der zum Liefern des CO₂ in einer flüssigen Phase konfiguriert war, an einer Pumpe angebracht. Zwischen dem Behälter und der Pumpe wurde der Detektor von 1 positioniert. 9 zeigt die Ergebnisse von zwei aufgezeichneten Signalen. Das erste Signal, Signal (210), stammt von der Phasendetektionsvorrichtung (10) von 1. Das zweite Signal, Signal (220), wurde von der Pumpe genommen und ist eine interne Messung der Komprimierbarkeit eines durch die Pumpe geleiteten Lösungsmittels (z. B. vom Behälter geliefertes CO₂). Der Test wird durchgeführt, indem zunächst dem System (Behälter, Detektor und Pumpe) ermöglicht wird, mit offenem Behälter zu laufen, um flüssiges CO₂ zu liefern. Der Behälter wird dann nach etwa 600 Sekunden geschlossen. Kurz danach ist bekannt, dass das Lösungsmittel (CO₂), sowohl in einer flüssigen Phase als auch in einer Gasphase vorliegt. Der Detektor (10), der die Mischphase erkennt, lieferte ein unbeständiges Signal, siehe Abschnitt (212). Die Pumpe kann das CO₂ komprimieren und liefern, solange das Lösungsmittel flüssig ist. Das Signal (220) zeigt, dass die Pumpe normal funktioniert, das heißt, die Pumpe im Abschnitt (222) ein Lösungsmittel liefern kann. In Abschnitt (224) müht sich die Pumpe mit der Lieferung, da die Mischphase stark gasförmig wird. Danach hört die Pumpe in Abschnitt (226) auf, richtig zu arbeiten, da der Pumpe das flüssige CO2 ausgegangen ist. Dieser Test zeigt, dass der Detektor (10) erkennen kann, dass der Phasenübergang durch das wie dargestellt folgende Nichtfunktionieren der Pumpe auftritt, die dem Detektor nachgeordnet ist.

Claims

Vorrichtung zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Mehrphasen-Fluidsystem, umfassend: einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert; eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor; ein Gehäuse, das die Position des Kanals und der Schaltung fixiert, wobei das Gehäuse eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor umfasst, wobei die erste Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern, wobei die zweite Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern, und wobei die Schaltung den Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad misst und dabei die Phase des Fluids bestimmt und ferner eine Steuereinrichtung in Kommunikation mit dem Fluidphasendetektor, wobei die Steuereinrichtung basierend auf der von dem Fluidphasendetektor detektierten Fluidphase mindestens eine Variable, die den physikalischen Zustand der Fluidströmung beeinflusst, modulieren kann, und wobei die erste und zweite Öffnung einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung mindestens eine den physikalischen Zustand der Fluidströmung beeinflussenden Variable moduliert, um den Fluidstrom in den flüssigen Zustand zu bringen, wenn der Fluidphasendetektor eine gasförmige oder Gas-Flüssig-Mischphase in der Fluidströmung detektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse die relative Position des Kanals und der Schaltung fixiert und dadurch Schaden an der Schaltung verhindert, und gleichzeitig die relative Position des Kanals und der Schaltung aufrechterhält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltung eine Signaländerung liefert, wenn sich die Phase des Fluids von einer gasförmigen in eine flüssige oder eine Gas-Flüssig-Mischphase ändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gehäuse die Rotation des Kanals verhindert und dadurch Schaden am Kanal verhindert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kanal für die optische Strahlung durchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluid CO₂ umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Strahlungsquelle eine IR-Diode und der Photodetektor eine Photodiode umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Öffnung dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass optische Strahlung, die nicht auf die Mitte des Fluidflusspfads fällt, den Kanal erreicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Öffnung dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass optische Strahlung, die nicht durch die Mitte des Fluidflusspfads tritt, den Photodetektor erreicht.
Trennsystem, umfassend: eine Fluidströmungsquelle, eine Trennvorrichtung in Fluidkommunikation mit der Fluidströmungsquelle, und eine Phasendetektionsvorrichtung zum Detektieren der Phase des Fluids in mindestens einem Bereich des Trennsystems, wobei die Phasendetektionsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert, eine Schaltung mit einer optischen Strahlungsquelle und einem Photodetektor, und ein Gehäuse, das die Position des Kanals und der Schaltung fixiert, wobei das Gehäuse eine erste Öffnung neben der optischen Strahlungsquelle und eine zweite Öffnung neben dem Photodetektor umfasst, wobei die erste Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung von der optischen Strahlungsquelle zum Fluidflusspfad zu filtern, wobei die zweite Öffnung in Größe und Form dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung vom Fluidflusspfad zum Photodetektor zu filtern, wobei die Schaltung den Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad misst und dadurch die Phase des Fluids bestimmt, und wobei die erste und zweite Öffnung einander gegenüberliegend angeordnet sind.
System nach Anspruch 11, wobei die Phasendetektionsvorrichtung der Trennvorrichtung vorgelagert angeordnet ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Phasendetektionsvorrichtung der Trennvorrichtung nachgelagert angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Trennvorrichtung überkritische Fluidchromatographie oder überkritische Phasenextraktion umfasst.
Verfahren zum Detektieren der Phase eines Fluids in einem Trennsystem, Folgendes umfassend: Strömenlassen eines Fluids durch einen Kanal, der einen Fluidflusspfad definiert, wobei der Kanal in einer Position bezogen auf eine Schaltung, die eine optische Strahlungsquelle und einen Photodetektor umfasst, durch ein Gehäuse fixiert ist, das eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung definiert; Lenken der optischen Strahlung von der optischen Strahlungsquelle durch die erste Öffnung auf den Fluidflusspfad; Lenken der optischen Strahlung vom Fluidflusspfad durch die zweite Öffnung auf den Photodetektor; Messen des Brechungsindex eines Fluids in dem Fluidflusspfad und dadurch Bestimmen der Phase des Fluids; und Modulieren von mindestens einer den physikalischen Zustand der Fluidströmung beeinflussenden Variable, um die Fluidströmung in den flüssigen Zustand zu bringen, wenn der Fluidphasendetektor eine gasförmige oder Gas-Flüssig-Mischphase in der Fluidströmung detektiert, wobei die erste und zweite Öffnung des Gehäuses einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Fluid CO₂ umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend das Durchführen einer überkritischen Phasenchromatographie oder -trennung an einer Probe.