DE2426898A1

DE2426898A1 - Separator zur trennung von gasen unterschiedlichen molekulargewichtes, insbesondere fuer die teilweise abtrennung des traegergases vom analysengas bei der gaschromatographie

Info

Publication number: DE2426898A1
Application number: DE19742426898
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Flueckiger
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1973-06-27
Filing date: 1974-06-04
Publication date: 1975-01-09
Also published as: CH566164A5; SE7408348L; NL7313269A; GB1461661A; FR2237671A1; US3912470A

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH/ Heinricii-Hartz-Str.fi, D 6 Frankfurt/M

Separator zur Trennung von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes, insbesondere für die teilweise Abtrennung des Trägergases vom Analysengas bei der Gaschromatographie.

Die Erfindung betrifft einen Separator zur Trennung von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes, insbesondere zur teilweisen Abtrennung des Trägergases vom Analysengas in der Gaschromatographie.

Derartige Separatoren sind beschrieben worden in

1. DBP 1 052 955

2. Deutsche Offenlegungsschrift 1 919 460

3. Schwedisches Patent 221 621

4. USP 3 633 027

5. Brit. Patentschrift 1 O65 131

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-it"

Separatoren ermöglichen eine mehr oder weniger starke Anreicherung des Analysengases gegenüber einem Trägergas. Dabei lässt man das zu trennende Gasgemisch aus einer meist düsenartigen Oeffnung in einen Unterdruckraum eintreten und teilt den expandierenden Strahl durch eine in seinem Strömungsweg angeordnete Blende in einen Mantelteil und einen durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kernteil auf. Aufgrund des unterschiedlichen Molekulargewichtes werden hiebei die schwereren Komponenten im Verhältnis zu den leichteren im Kernteil des Strahls angereichert und dieser wird als Nutzgasstrom durch die Auslassöffnung weggeführt. Eine Anreicherung ist nützlich, um im nachgeschalteten Detektor ein günstigeres Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Das Trägergas verursacht nämlich einen Rauschuntergrund, wodurch die Nachweisempfindlichkeit des gaschromatographisehen Verfahrens beschränkt wird.

Es ist bekannt, an eine gaschromatographisehe Trennanordnung ein Massenspektrometer anzuschliessen, um das Massenspektrum der einzlenen aus der Trennsäule austretenden Komponenten des Analysengases untersuchen zu können. Hiebei kann das im Ueberschuss vorhandene Trägergas auch dadurch stören, dass es den Druck in der Ionisationskammer des Massenspektrometer unter Umständen unzulässig erhöht.

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Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn im Analysengas einzelne Komponenten in wesentlich grösserer Menge als andere Komponenten enthalten sind, was häufig für das Lösungsmittel der untersuchten Probe zutrifft. Derartige im Ueberschuss vorhandene Komponenten bewirken nämlich eine beschleunigte Verschmutzung des Analysensystems. Man kann in der Verbindungsleitung zwischen der gaschromatographisehen Trennsäule und dem Detektor z.B. dem Massenspektrometer zwar ein Absperrventil vorsehen, das nur für den Durchgang der interessierenden Komponenten geöffnet wird. Diese Massnahme hat aber den Nachteil, dass ein solches Ventil ein zusätzliches Totvolumen zur Folge hat, was zeitlich verbreitete Detektorsignale ergibt. Ausserdem können sich Messfehler ergeben, wenn die Baumaterialien des Ventils gegenüber den zu untersuchenden Komponenten unterschiedliche Adsorption aufweisen oder katalytisch wirksam sind.

Bei einer bekannten Anordnung ist zwischen der.gaschromatographi sehen Trennsäule und dem Massenspektrometer ein ein- oder zweistufiger Strahlseparator eingeschaltet, in dessen Trennraum ein bewegliches Absperrelement in Form einer vor die Auslassöffnung schiebbaren, dünnen Platte vorgesehen ist. Damit kann die Auslassöffnung wahlweise geöffnet und geschlossen werden.

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Da der Separator beim Betrieb manchmal bis auf etwa 400 C erhitzt werden muss und bei Unterdruck betrieben werden muss, ist eine entsprechende Bewegungsdurchführung erforderlich. Dies bedingt aber eine verhältnismässig aufwendige Konstruktion.

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber einen Separator der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine Steuerung des Nutzgasstromes ohne die Verwendung eines mechanischen Absperrelementes im Separatorraum erreicht wird.

Der erfindungsgemässe Separator zur Trennung von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes, insbesondere für die teilweise Abtrennung des Trägergases vom Analysengas bei der Gaschromatographie, welche eine evakuierbare Kammer mit einer Einlassöffnung für die Gase, eine der Einlassöffnung gegenüberstehende Auslassöffnung mit einer Einrichtung zur Steuerung des durch die Auslassöffnung abgeführten Nutzgasstromes und einen Anschluss für eine Pumpe zur Wegförderung des restlichen Gases aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Einlassöffnung für ein Hilfsgas zur Erzeugung eines Hilfsgasstrahls in der Kammer vorgesehen und bezüglich der erstgenannten Einlassöffnung so angeordnet ist, dass die von den beiden Einlassöffnungen in der evakuierten Kammer erzeugten Gasstrahlen sich schneiden.

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Mit einer derartigen Ausbildung des Separators ist es möglich, durch Zuführung eines Hilfsgases den Analysengasstrom von der Auslassöffnung mehr oder weniger abzulenken, wobei die Grosse der Ablenkung durch pas-sende Einstellung des Hilfsgasstromes beeinflusst.werden kann. Zu dieser Einstellung kann ein Ventil, vorzugsweise ein Nadelventil verwendet werden, das in der Hilfsgaszuleitung ausserhalb des Separators angeordnet ist.

Nachfolgend werde ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. In Figur 1 werden folgende Bezugszeichen verwendet:

1 Separator;

2 GasChromatograph;

3 Massenspektrometer;

k Vorratsbehälter für ein Trägergas z.B. Helium, welches gleichzeitig als Hilfsgas verwendet werden kann;

5 Trägergaszuleitung zur gaschromatographisehen Trennsäule;

6 Trennsäule;

7 Hilfsgaszuleitung zum Separator;

8 Ventil;

9 Ionisationskammer des Massenspektrometer;

10 daran angeschlossene Vakuumpumpe;

11 heizbares Verbindungsteil zur Aufnahme des Separators;

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t -

12 Separatorgehäuse;

13 Einlassdüse;

14 Nutzstrom- Auslassöffnung;

15 Nutzstromableitung zum Massenspektrometer;

16 Hilfsgaseinlassöffnung;

17 Evakuierungsleitung für den Separator;

18 Vakuumpumpe;

19 Injektor;

20 Oeffnung der Einlassdüse.

Das Gemisch aus Trägergas z.B. Helium und dem Analysengas gelangt nach Durchgang durch die Trennsäule 6 und Auftrennung in die einzelnen Komponenten (Peaks) über die Düse I3 in den während des Betriebes laufend mittels der Pumpe l8 evakuierten Innenraum des Separators. Der eintretende Gasstrahl expandiert, wobei,wie bekannt, der Kernteil durch die Auslassöffnung l4 der Verbindungsleitung 15 zur Ionenquelle des Massenspektrometer gelangt, wogegen das Gas des Mantelteiles durch die-Leitung 17 laufend weggeführt wird. Je nach den im besonderen Fall vorliegenden Betriebsbedingungen kann dabei ein grösserer Anteil (bis zu 90 %) des Trägergases abgetrennt werden und man erhält im Nutzgasstrom eine relative Anreicherung des Analysengases gegenüber dem Trägergas.

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Insoweit entspricht die beschriebene Anordnung dem bekannten Stand der Technik. Neu ist jedoch die Hilfsgaszuführung 7, die durch die Wand 12 hindurchgeführt ist und mit einer Einlassöffnung ΐβ in den Separator einmündet. Die Hilfsgaszuleitung 7 ist über ein Ventil 8 an eine Hilfsgasquelle angeschlossen; im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Trägergas gleichzeitig auch als Hilfsgas verwendet. Die Einlassöffnung l6 für das Hilfsgas ist im Verhältnis zur Einlassdüse 13 und der Auslassöffnung >l4 so angeordnet, dass die Achse des von ihr erzeugten Hilfsgasstrahles die Achse des von der Düse 13 erzeugten Gasstrahles vorzugsweise unter einem rechten Winkel schneidet. Eine Ablenkung dieses Strahles ist aber auch mit anderen Schnittwinkeln möglich.

Die passende Stärke des ablenkenden Gasstromes wird am einfachsten in einem Vorversuch bestimmt. Das Ein- und Ausschalten desselben kann von Hand erfolgen oder mit Hilfe einer automatischen Einrichtung, die in Abhängigkeit von den Retentionszeiten jeder Komponente gesteuert* wird.

Man hat es also in der Hand, mit der erfindungsgemässen Einrichtung den in den Detektor gelangenden Anteil der einzelnen gaschromatographisch getrennten Komponenten zu steuern und braucht hiefür kein mechanisches Absperrelement im Analysengasstrom vorzusehen. Das Ventil 8 zur Steuerung des Ab-

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lenkgasströmes ist dabei ausserhalb der Heizzone angeordnet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Zustrom zum Massenspektrometer nicht völlig unterbrochen wird sondern auf einen passenden Wert gedrosselt werden kann, sodass man für jede einzelne Komponente des Analysengases eine in gewünschtem Masse verringerte aber reproduzierbare Nachweisempfindlichkeit einstellen kann.

Wie dLe Figur la) noch zeigt, kann die Hilfsgaszuleitung in mehrere (im vorliegenden Beispiel 2) Zweige aufgeteilt sein. In jedem Zweig kann dann ein eigenes Ventil vorgesehen werden, wobei der Leitwert der einzelnen Ventile so bemessen ist, dass das voll geöffnete Ventil gerade den passenden Hilfsgasstrom ergibt, um eine bestimmte gaschromatographische Komponente auf einen vorgewählten Wert abzuschwächen. Die gleichzeitige Anordnung mehrerer solcher Ventile bietet den Vorteil, dass im Zuge der Analyse rasch der jeweüs passende Hilfsgasstrom eingeschaltet werden kann, wogegen die genaue Einstellung eines Nadelventils mehr Aufmerksamkeit und damit Arbeitszeit erfordert.

Wie Versuche ergeben haben, kann mit der erfindungsgemässen Einrichtung eine hinreichend genau reproduzierbare Einstellung des Nutzgasstromes zwischen seinem vollen Wert einerseits und einem auf den zehntausendsten Teil (oder sogar mehr) abgeschwäch-

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ten Teil andererseits erreicht werden. Mit diesem weiten Bereich der Einstellbarkeit kann man sich jedem Bedarfsfall anpassen. Mit einem im Separator angeordneten Verschlusskörper dagegen wäre dies nur mit einer präzisionsmechanischen Verstelleinrichtung möglich.

Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist, kann der erfindungsgemässe Separator ausser in der Gaschromatographie natürlich auch für andere Anwendungen, bei denen eine Anreicherung einzelner Komponenten eines Gasgemisches erreicht werden soll, Verwendung finden. Strahlseparatoren werden z.B. auch zur Isotopentrennung und zur allgemeinen vorangehenden Anreicherung interessierender Komponenten in sonstigen analy- ' tischen Messanordnungen benutzt; hierbei könnte der erfindungsgemässe Strahlseparator vorteilhaft angewendet werden, wenn es auf die Möglichkeit der Einstellung des Nutzgasstromes ankommt.

Ein anderer Anwendungsfall liegt vor, wenn bei einer Produktionsänlage, die interessierende Komponente aus einem Gemisch auf gaschromatographischen Wege abgetrennt wird und in einen Sammelbehälter geleitet werden, wogegen Komponenten mit anderen Retentionszeiten vom Sammelbehälter ferngehalten werden sollen.

Unter Gasen im Sinne dieser Beschreibung sind auch Dämpfe zu verstehen.

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Claims

1Λ - PATENTANS PRUECHE

1. Separator zur Trennung von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes, insbesondere für die teilweise Abtrennung des Trägergases vom Analysengas bei der Gaschromatographie, welche eine evalcuierbare Kammer mit einer Einlassöffnung für die Gase, eine der Einlassöffnung gegenüberstehende Auslassöffnung mit einer Einrichtung zur Steuerung des durch die Auslassöffnung abgeführten Nutzgasströmes und einen Anschluss für eine Pumpe zur Wegförderung des restlichen Gases aufweist, dadurch gekennzei ohne t, dass wenigstens eine weitere Einlassöffnung für ein Hilfsgas zur Erzeugung eines HilfsgasStrahls in der Kammer vorgesehen und bezüglich der erstgenannten Einlassöffnung so angeordnet ist, dass die von den beiden Einlassöffnungen in der evakuierten Kammer erzeugten Gasstrahlen sich schneiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hilfsgaszuleitung ein Ventil mit einstellbarem Gasleitwert angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die Hilfsgaszuleitung in mehrere Zweige

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aufgespalten ist und in jedem Zweig ein Ventil vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, . dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gaschromatographisehen Anordnung die Hilfsgaszuleitung an den Trägergas-Vorratsbehälter angeschlossen ist.

PR 7318 d

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