FR3130986A1 - Système d’analyse de fluide par chromatographie - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un système d’analyse d’un liquide ou d’un gaz par chromatographie, comprenant : - une première enceinte thermiquement isolée comprenant une entrée pour un échantillon liquide ou gazeux à analyser, un injecteur adapté pour injecter ledit échantillon dans un courant de gaz vecteur et une sortie pour une portion de l’échantillon entraîné par ledit courant de gaz vecteur, - une deuxième enceinte découplée thermiquement de la première enceinte renfermant au moins une colonne de chromatographie capillaire comprenant une première extrémité adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur, et - une troisième enceinte, découplée thermiquement de la première enceinte et de la deuxième enceinte, renfermant un détecteur comprenant une entrée adaptée pour être connectée fluidiquement avec une seconde extrémité de la colonne de chromatographie opposée à la première extrémité, ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte un châssis sur lequel chacune des première, deuxième et troisième enceintes peut être agencée ou retirée indépendamment des autres enceintes. Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Système d’analyse de fluide par chromatographie

La présente invention concerne un système d’analyse de fluide par chromatographie, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel système.

Etat de la technique

Une chaîne de mesure pour une analyse de liquide par chromatographie en phase gazeuse comprend un injecteur, au moins une colonne de séparation, et au moins un détecteur. Elle comporte également des éléments assurant l’interface entre lesdits composants.

Récemment, des systèmes d’analyse compacts ont été développés, pouvant être transportés ou aisément être intégrés à des installations d’analyse de gaz existantes. Cela tient en particulier au développement de détecteurs gazeux très compacts, par exemple les détecteurs TCD (acronyme du terme anglo-saxon « Thermal Conductivity Detector », désignant un détecteur à conductibilité thermique) et les détecteurs du type NEMS (acronyme pour le terme anglo-saxon « Nano ElectroMechanical System », désignant un nano-système électromécanique). De tels systèmes d’analyse sont présentés par exemple dans les documents FR3078164 et FR3078165.

Un système d’analyse de chromatographie en phase gazeuse est confronté à différentes contraintes techniques.

Pour rendre un chromatographe en phase gazeuse transportable, il est nécessaire de concevoir un agencement compact et économe en énergie.

Par ailleurs, les composants électriques utilisés, notamment la carte électronique de contrôle du système, doivent être opérationnels dans toute la gamme de température de fonctionnement, qui peut être très étendue.

D’autre part, les spécificités techniques des différents éléments du système, notamment de la colonne de chromatographie, peuvent varier significativement en fonction des applications.

Or, l’injecteur, la colonne de chromatographie et le détecteur fonctionnent souvent à des températures différentes.

Le document FR3078165 décrit un découplage thermique d’une colonne de chromatographie et d’un détecteur, mais ne considère pas les besoins thermiques de l’injecteur, des liaisons fluidiques et des composants électroniques.

Des améliorations sont également attendues en termes d’assemblage de la chaîne de mesure.

Un but de l’invention est de concevoir un système d’analyse de fluide par chromatographie qui puisse être personnalisé aisément en fonction des applications.

Un autre but de l’invention, éventuellement combiné au précédent, est de concevoir un système d’analyse par chromatographie en phase gazeuse qui puisse être assemblé aisément et avec une compacité maximale.

Un autre but de l’invention, éventuellement combiné à l’un et/ou l’autre des deux buts précédents, est de concevoir un système d’analyse par chromatographie en phase gazeuse dont la gestion thermique est optimisée de sorte à minimiser la consommation énergétique.

L’invention propose un système d’analyse d’un liquide ou d’un gaz par chromatographie, comprenant :

• une première enceinte thermiquement isolée comprenant une entrée pour un échantillon liquide ou gazeux à analyser, un injecteur adapté pour injecter ledit échantillon dans un courant de gaz vecteur et une sortie pour une portion de l’échantillon entraîné par ledit courant de gaz vecteur,
• une deuxième enceinte découplée thermiquement de la première enceinte renfermant au moins une colonne de chromatographie capillaire comprenant une première extrémité adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur, et
• une troisième enceinte, découplée thermiquement de la première enceinte et de la deuxième enceinte, renfermant un détecteur comprenant une entrée adaptée pour être connectée fluidiquement avec une seconde extrémité de la colonne de chromatographie opposée à la première extrémité,

ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte un châssis sur lequel chacune des première, deuxième et troisième enceintes peut être agencée ou retirée indépendamment des autres enceintes.

Le montage modulaire des trois enceintes sur le châssis permet la fabrication d’un système générique et sa personnalisation à la fin de la procédure d’assemblage, notamment en ce qui concerne les besoins très variables en termes de colonnes. Il facilite également la maintenance et les interventions après-vente.

Avantageusement, la deuxième enceinte est adaptée pour contenir au moins deux colonnes de chromatographie capillaires superposées. De préférence, la deuxième enceinte comprend un capot amovible indépendamment des première et troisième enceintes, le capot étant agencé de sorte à permettre un remplacement ou un ajout d’une colonne de chromatographie.

Dans certains modes de réalisation, la première enceinte contient un premier élément chauffant adapté pour chauffer l’injecteur de liquide à une température inférieure ou égale à 300°C.

Dans d’autres modes de réalisation, la première enceinte contient un premier élément chauffant adapté pour chauffer l’injecteur de gaz une température inférieure ou égale à 150°C.

De préférence, la deuxième enceinte comprend un second élément chauffant adapté pour chauffer chaque colonne de chromatographie à une température comprise entre 20° et 300°C. De préférence, la troisième enceinte comprend un troisième élément chauffant adapté pour chauffer le détecteur à une température comprise entre 20° et 220°C. Le troisième élément chauffant est apte à chauffer le détecteur par une rampe de température adaptée pour désorber des résidus de fluide d’une analyse précédente, et la troisième enceinte comporte en outre un système de refroidissement de régénération agencé pour refroidir le détecteur de sorte à rétablir la sensibilité du détecteur pour démarrer une nouvelle analyse de chromatographie. Avantageusement, le système de refroidissement de régénération comprend un ventilateur.

De manière avantageuse, le système comprend en outre un premier caloduc s’étendant entre la première enceinte et la deuxième enceinte de sorte à conduire de la chaleur de la première enceinte vers la jonction entre l’injecteur et ladite au moins une colonne de chromatographie. De préférence, le premier caloduc comprend une rainure adaptée pour contenir une portion de la première extrémité de la colonne. Avantageusement, le premier caloduc comprend en outre un capteur de température.

Dans certains modes de réalisation, le système comprend en outre un deuxième caloduc s’étendant entre la première ou la deuxième enceinte et la troisième enceinte de sorte à conduire de la chaleur de la première ou deuxième enceinte vers la jonction entre la colonne de chromatographie et le détecteur.

Dans certains modes de réalisation, le système comprend en outre une carte électronique adaptée pour être connectée électriquement à un composant de la première enceinte, de la deuxième enceinte et/ou de la troisième enceinte, ladite carte électronique étant agencée de sorte à pouvoir être attachée ou retirée du châssis indépendamment desdites première, deuxième et troisième enceintes. Avantageusement, le châssis comprend au moins un connecteur électrique adapté pour être en contact électrique avec un contact solidaire de la carte électronique lorsque ladite carte électronique est attachée au châssis.

De préférence, le système comprend au moins une source froide agencée de sorte à pouvoir être attachée ou retirée du châssis indépendamment desdites première, deuxième et troisième enceintes. De manière avantageuse, la source froide comprend un ventilateur, un compresseur et/ou un flux de gaz comprimé.

Avantageusement, le châssis comprend un premier élément de support et le piètement du système d’analyse se présente comme un premier trépied formé par l’élément de support et deux points d’appui agencés chacun sur le châssis ou sur une enceinte.

De préférence, le châssis comprend en outre un élément de support de maintenance, et un piètement de maintenance du système d’analyse se présente comme un trépied formé par l’élément de support de maintenance et deux points d’appui de maintenance agencés chacun sur le châssis ou sur une enceinte.

Dans certains modes de réalisation, le système comprend en outre un régulateur de pression et au moins deux vannes agencés pour placer le système dans l’une quelconque des positions suivantes :

• une position d’opération dans laquelle un flux de fluide est créé de la première enceinte vers la deuxième enceinte et de la deuxième enceinte vers la troisième enceinte,
• une position d’arrêt dans lequel aucun flux est présent dans le système, et
• une position de nettoyage dans laquelle le sens du flux de fluide est inversé par rapport à la position d’opération.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

La est une vue en perspective d’un système d’analyse d’un liquide par chromatographie selon l’invention

La est une vue éclatée du système de la .

La est une autre vue en perspective du système de la , comprenant en outre un système de refroidissement supplémentaire pour régénération flash.

La est une vue éclatée d’un autre mode de réalisation d’un système d’analyse par chromatographie.

La est une vue éclatée d’un autre mode de réalisation comprenant deux colonnes de chromatographie.

La est une vue en perspective d’un mode de réalisation comprenant un caloduc entre la première enceinte et la deuxième enceinte.

La est une vue latérale d’un mode de réalisation comprenant un caloduc entre la première enceinte et la deuxième enceinte.

La est une vue en perspective du caloduc.

La est une vue en perspective du connecteur adapté pour fixer le caloduc à la première enceinte.

La est une vue en perspective du conducteur thermique.

La est une vue en perspective des tubes rigides entre la troisième enceinte et le manifold principal.

La est une vue en perspective des éléments de fixation pour le tube rigide de la .

La est un schéma fluidique d’un système d’analyse selon l’invention en position d’opération.

La est un schéma fluidique d’un système d’analyse selon l’invention en position de nettoyage par flux inversé.

Description détaillée de modes de réalisation

Les figures 1-4 illustrent un système d’analyse 1 d’un liquide ou d’un gaz par chromatographie selon l’invention.

Le système d’analyse 1 comprend une première enceinte 10 thermiquement isolée, comprenant une entrée pour un échantillon fluide à analyser. Ledit échantillon peut être introduit sous forme d’un gaz ou sous forme d’un liquide.

La première enceinte 10 comprend en outre un injecteur 11. Dans le cas d’un échantillon liquide, ledit injecteur 11 est adapté pour vaporiser ledit échantillon liquide. Dans le cas d’un échantillon gazeux, l’injecteur 11 est apte à chauffer ledit échantillon gazeux à une température adaptée. Typiquement, la température de l’injecteur 11 est inférieure ou égale à 150°C pour chauffer un échantillon gazeux. Dans les deux cas (échantillon liquide ou gazeux), l’échantillon sort de l’injecteur 11 vaporisé à une température adaptée pour effectuer une analyse de chromatographie en phase gazeuse. L’injecteur 11 est en outre configuré pour introduire l’échantillon vaporisé ou gazeux dans un flux de gaz vecteur.

La première enceinte 10 peut comprendre en outre une sortie pour une portion de l’échantillon vaporisé ou gazeux entrainé par le gaz vecteur (dans le cas d’un injecteur de type ‘split/splitless’ utilisé en mode split par exemple).

Le système d’analyse 1 comporte en outre une deuxième enceinte 20 découplée thermiquement de la première enceinte 10. La deuxième enceinte 20 renferme au moins une colonne 21, 22 de chromatographie capillaire. Une colonne de chromatographie se présente sous forme d’un capillaire en silice fondue d’un diamètre intérieur submillimétrique. Chaque colonne présente sur sa surface intérieure une phase stationnaire adaptée pour permettre une adsorption sélective des espèces chimiques à séparer. De manière avantageuse, chaque colonne est enroulée sur un support qui peut comporter un élément chauffant et/ou un capteur de température pour réaliser une régulation de température.

Dans certains modes de réalisation, ladite deuxième enceinte 20 renferme une seule colonne 21, 22 de chromatographie, une extrémité de ladite colonne 21, 22 étant adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur 11. Dans d’autres modes de réalisation, la deuxième enceinte 20 renferme une première colonne 21, dite pré-colonne, et une seconde colonne 22, dite colonne d’analyse. Dans ce cas, l’injecteur 11 comporte typiquement plusieurs entrées/sorties ou ports, de manière que les deux colonnes 21, 22 soient connectées à l’injecteur 11. Un tel injecteur dit multiport injecte par un premier port auquel est connecté l’entrée de la pré-colonne 21, un premier flux de gaz comportant l’échantillon vaporisé dans la pré-colonne 21. Le gaz à la sortie de la pré-colonne revient dans l’injecteur 11 par un second port. Ce flux de gaz ressort de l’injecteur 11 par un troisième port et est injecté dans la colonne d’analyse 22.

De manière alternative, une première extrémité de la pré-colonne 21, comprenant un orifice d’entrée, est adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur 11, et une deuxième extrémité de la pré-colonne 21, comprenant un orifice de sortie, est connectée fluidiquement à une première extrémité de la colonne 22 d’analyse.

Dans d’autres modes de réalisation, la deuxième enceinte 20 peut renfermer plusieurs colonnes 21, 22 interconnectées en série, une première extrémité d’une première colonne 21 étant adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur 11. Dans ce cas, les colonnes 22 suivantes sont adaptées pour être connectées fluidiquement en série les unes aux autres, l’entrée de chacune d’elle étant connectée à la sortie de la précédente.

De manière alternative (non illustrée), la deuxième enceinte 20 peut comporter deux ou plusieurs colonnes agencées en parallèle, une colonne faisant partie d’une voie de mesure et une autre colonne faisant partie d’une voie de référence, afin notamment de réaliser une mesure dite « différentielle » permettant de s’affranchir de perturbations exogènes dans l’analyse de l’échantillon.

Quand la deuxième enceinte 20 renferme plusieurs colonnes 21, 22, lesdites colonnes 21, 22 sont avantageusement superposées à l’intérieur de l’enceinte 20. Les colonnes 21, 22 peuvent présenter des phases stationnaires identiques ou différentes, selon la nature des espèces chimiques à séparer.

Il peut s’avérer utile de changer une ou plusieurs colonnes 21, 22 en fonction de l’échantillon liquide ou gazeux à analyser, et/ou de modifier le nombre de colonnes, par exemple pour ajouter une pré-colonne 21 pour certaines analyses. A cet effet, la deuxième enceinte 20 peut comprendre un capot amovible permettant le remplacement d’une colonne 21, 22 ou l’ajout d’une ou plusieurs colonnes supplémentaires. Ce capot peut être retiré de la deuxième enceinte 20, indépendamment des autres éléments du système d’analyse 1. Par ailleurs, les dimensions de la deuxième enceinte 20, notamment la hauteur de ladite enceinte 20 lorsque les colonnes sont destinées à être superposées, sont choisies pour permettre de recevoir le nombre maximal de colonnes envisagé.

Le système d’analyse 1 comporte en outre une troisième enceinte 30 découplée thermiquement de la première enceinte 10 et la deuxième enceinte 20. La troisième enceinte 30 renferme un détecteur 31 qui peut être un détecteur TCD ou un détecteur du type NEMS tel que décrit par exemple dans les documents FR3078164 et FR3078165, ou tout autre détecteur adapté pour analyse d’un gaz ou un liquide par chromatographie. Le détecteur 31 comprend une entrée adaptée pour être connectée fluidiquement avec une seconde extrémité de la colonne 21, 22 de chromatographie, ou, dans le cas de plusieurs colonnes 21, 22 successives, à la seconde extrémité de la dernière colonne 22.

Par découplée thermiquement, on entend que chaque enceinte 10, 20, 30 comporte un dispositif de chauffage distinct, et qu’un système de contrôle thermique est configuré pour piloter séparément les températures dans les différentes enceintes 10, 20, 30 selon des profils de température en fonction du temps différents. Chaque enceinte 10, 20, 30 peut comporter un capteur de température. La température de chaque zone peut être constante, ou suivre une évolution dynamique pendant l’analyse, par exemple une rampe de température.

Les enceintes 10, 20, 30 comprennent de préférence un corps qui permet le découplage thermique de chaque enceinte 10, 20, 30 respective. Avantageusement, chaque enceinte 10, 20, 30 comprend un capot amovible ou un couvercle pouvant être ouvert par exemple par l’intermédiaire d’une charnière, permettant d’accéder au contenu de chaque enceinte 10, 20, 30.

Le système d’analyse 1 comporte en outre un châssis 40 sur lequel chacune des première, deuxième et troisième enceintes 10, 20, 30 peut être agencée ou retirée indépendamment des autres enceintes 10, 20, 30 et d’autres composants du système d’analyse 1. Les enceintes 10, 20, 30 peuvent être fixées dans ledit châssis 40 par clipsage, par des systèmes de rails, par des vis ou tout autre système de fixation réversible. Le châssis 40 assure un bon maintien mécanique de chaque enceinte 10, 20, 30 par rapport à l’environnement, aux autres enceintes 10, 20, 30 respectives, et à d’autres éléments facultatifs qui seront présentés par la suite et qui peuvent être maintenus dans le même châssis 40.

L’encombrement du châssis 40 comprenant les enceintes 10, 20, 30 est particulièrement compact et permet l’intégration du système d’analyse de fluide par chromatographie dans un boîtier transportable à la main par un opérateur. La compacité du système permet en particulier de transporter ledit système à l’endroit où l’échantillon à analyser est prélevé, évitant ainsi le transport des échantillons vers un laboratoire, ce qui présente toujours un coût et un temps d’attente supplémentaire.

Avantageusement, les dimensions du système d’analyse de fluide par chromatographie sont inférieures ou égales à 258 mm de longueur, 103 mm de largeur et 71 mm de hauteur.

De manière avantageuse, le système d’analyse comprend en outre un répartiteur principal 50 qui peut être connecté et retiré du châssis indépendamment des enceintes 10, 20, 30. Le répartiteur 50 est en liaison fluidique avec la première enceinte 10. Ledit répartiteur principal 50 est configuré pour conduire un gaz vecteur dans la première enceinte 10 à partir d’une source de gaz vecteur, et pour récupérer des résidus gazeux et liquides de la première enceinte 10 après une analyse de chromatographie.

Gestion thermique des enceintes

Quand le fluide à analyser est un liquide, l’injecteur 11 vaporise l’échantillon liquide qui est ensuite entrainé par un gaz vecteur. Un injecteur pour un échantillon liquide est typiquement chauffé à une température d’environ 300°C, la température dépendant de la nature de ses composants et de leur point d’ébullition. Quand le fluide à analyser est sous forme gazeuse, l’injecteur est utilisé pour injecter une quantité bien contrôlée d’échantillon par le biais de sa température, son volume et sa pression dans un flux de gaz vecteur, sans étape de vaporisation. De préférence, le dispositif de chauffage de la première enceinte 10 est une cartouche chauffante ou un dispositif de chauffage par induction.

Concernant la température de la colonne 21, 22, deux types d’analyses sont typiquement mises en œuvre en fonction de la nature de l’échantillon à analyser : une analyse isotherme pendant laquelle la colonne 21, 22 est maintenue à température constante, et une analyse utilisant une programmation de température par rampes linéaires, consistant à élever progressivement et par paliers la température de la colonne 21, 22. Cette dernière méthode est particulièrement adaptée à des échantillons complexes, composés d’un mélange de substances présentant un écart important des points d’ébullition. Ainsi, chaque colonne 21, 22 de chromatographie est typiquement chauffée à des températures comprises entre 20°C et 300°C. De préférence, le dispositif de chauffage de la deuxième enceinte 20 est un fil chauffant adapté pour chauffer chaque colonne 21, 22 par effet Joule.

Le détecteur 31, en particulier du type NEMS, nécessite une température d’opération finement contrôlée pour optimiser sa limite de détection comme il est décrit dans le brevet FR3078165. En effet, dans la mesure où les phénomènes d’adsorption et par là le signal du détecteur diminuent avec l’augmentation de la température, on cherche généralement à maintenir le détecteur 31 à une température suffisamment basse. Il existe également une température minimale en-deçà de laquelle on ne doit pas aller afin que la désorption des composés reste totale et rapide. La troisième enceinte 30 comprend un élément apte à chauffer à une température comprise entre 20°C et 220°C. Ces valeurs peuvent être différents pour d’autres types de détecteur. De préférence, le dispositif de chauffage de la troisième enceinte 30 est un fil chauffant adapté pour chauffer le détecteur 31 par effet Joule. Cependant, l’invention n'est pas limitée à ces modes particuliers de réalisation, on peut avoir d’autres dispositifs de chauffage pour chacune des trois enceintes 10, 20, 30 du système d’analyse 1.

Le système d’analyse 1 peut en outre comprendre les caractéristiques facultatives énoncées ci-dessous, prises isolément ou combinées entre elles chaque fois que cela est techniquement possible.

Régénération flash

Dans le cas d’un détecteur de type NEMS, la troisième enceinte 30 peut être chauffée de manière rapide afin de désorber des résidus de fluide de l’analyse précédente et ainsi nettoyer le détecteur 31 pour une nouvelle analyse de chromatographie. Avantageusement, on ajoute un système de refroidissement supplémentaire à la troisième enceinte 30 afin de refroidir le détecteur 31 de manière rapide, de sorte à rétablir la sensibilité du détecteur 31 pour démarrer une analyse de chromatographie. Un tel système de refroidissement, par exemple, en référence aux figures 6 et 7, un ventilateur 75, peut être ajouté au système d’analyse 1 de manière facultative et sans impact sur les autres composants.

Un cycle de régénération flash comprend un chauffage rapide du détecteur 31 à une température d’environ 220°C et puis un refroidissement rapide afin de régénérer la sensibilité du détecteur 31. Typiquement, un tel cycle comprend une montée en température de 70°C à 220°C et une descente en température de 220°C à 70°C pendant une durée totale d’environ 5 minutes.

Caloduc

Des points froids peuvent apparaitre en particulier aux interfaces qui se situent aux extrémités des colonnes 21, 22 à la jonction avec l’injecteur 11 d’une part et/ou avec le détecteur 31 d’autre part. De tels points froids sont néfastes pour la qualité de l’analyse chromatographique et peuvent parfois engendrer la condensation de l’échantillon, en particulier lorsque celui-ci comprend des composants lourds.

Entre la sortie de la première enceinte 10 et l’entrée dans la deuxième enceinte 20, la première extrémité de la colonne 21 est agencée à l’extérieur des deux enceintes 10, 20 sur une longueur de plusieurs dizaines de mm, par exemple de l’ordre de 70 mm. Si cet espace entre les enceintes 10, 20, 30 n’est pas thermalisé, le gaz qui qui traverse cette section de la colonne 21 refroidit en fonction de la température extérieure à laquelle est soumise la colonne 21 en s’éloignant de la première enceinte 10. En particulier des molécules lourdes peuvent alors se condenser avant d’être entraînées à l’intérieur de la deuxième enceinte 20 et rester bloquées dans l’extrémité de la colonne 21.

Dans certains modes de réalisation, comme illustré dans les figures 6 et 7, le système d’analyse 1 comprend un premier caloduc 61 permettant de la première colonne 21 entre la première et la deuxième enceinte 20. La illustre un tel caloduc 61 en détail.

De préférence, le caloduc 61 est formé d’un matériau léger et bon conducteur thermique, par exemple de l’aluminium, et est conçu pour présenter une faible inertie thermique. Typiquement, après le chauffage de l’injecteur 11 dans la première enceinte 10, un temps d’échauffement supplémentaire d’environ 10 minutes est nécessaire pour chauffer le caloduc jusqu’à une température stable. De manière avantageuse, la première enceinte 10 et l’injecteur 11 sont maintenus à température constante pendant plusieurs cycles d’analyse successifs. Ainsi, une fois la phase de démarrage achevée, la mise à température du caloduc ne pénalise pas le fonctionnement du système.

En référence à la , le caloduc 61 comporte une plaque de contact 65 en contact thermique avec la première enceinte 10, et un conducteur thermique 67 qui s’étend entre la plaque de contact 65 et la deuxième enceinte 20. La plaque de contact 65 peut être fixée sur la première enceinte 10 par des vis. L’extrémité de la colonne 21 qui vient en liaison fluidique avec l’injecteur 11 est agencée en contact ou à proximité du conducteur thermique 67, de sorte à permettre un transfert thermique du conducteur thermique 67 à la colonne 21. De préférence, le conducteur thermique comprend une rainure 68 dans laquelle la première extrémité de la colonne 21 est insérée. Le caloduc 61 assure ainsi un chauffage de la colonne 21 de chromatographie par conduction thermique, sur tout le parcours de ladite colonne entre la première enceinte 10 et la deuxième enceinte 20.

Selon un mode de réalisation illustré sur la , la plaque de contact 65 comprend une ouverture 64 configurée pour former un passage pour la première extrémité de la colonne 21. L’ouverture 64 permet de monter le caloduc 61 après avoir établi la liaison fluidique entre l’injecteur 11 et la première extrémité de la colonne 21, par exemple en fin de ligne de production. On monte d’abord la plaque de contact 65 sur la première enceinte 10, en passant la première extrémité de la colonne 21 par l’ouverture 64. On place ensuite le conducteur thermique 67 entre la plaque de contact 65 et la deuxième enceinte 20, en assurant un bon contact thermique entre la première extrémité de la colonne 21 et le conducteur thermique 67. Dans le cas où le caloduc comprend une rainure 68, comme par exemple illustré dans la , la première extrémité de la colonne 21 est insérée dans ladite rainure. On fixe ensuite le conducteur thermique 67 sur la plaque de contact 65 et sur la deuxième enceinte, en assurant un bon contact thermique entre la plaque de contact 65, le conducteur thermique 67 et la deuxième enceinte 20.

La géométrie du conducteur thermique 67, d’une rainure 68 facultative et de l’ouverture 64 prend en compte le rayon de courbure de la colonne 21 et ne présente pas d’arêtes vives pouvant endommager la colonne 21 lors du montage.

Avantageusement, le caloduc 61 comprend en outre un capteur 66 de température, apte à déterminer la température du gaz à l’entrée de la colonne 21, 22 pour évaluer si la température à laquelle le caloduc pourra maintenir le gaz est suffisante pour démarrer l’analyse. En effet, la température mesurée par le capteur 66 au niveau du caloduc est inférieure à la température au niveau de l’injecteur 11 à l’intérieur de la première enceinte 10. Dans le cas où la température mesurée est insuffisante, on pourra attendre un laps de temps supplémentaire pour que le caloduc monte encore en température et/ou augmenter la température de l’injecteur 11. La mesure du capteur 66 permet également de déterminer si la température du gaz entrant dans la colonne 21, 22 est supérieure à la température de condensation des substances d’intérêt dans l’échantillon à analyser. En ajustant la température du gaz juste au-dessus de la température de condensation, on peut optimiser la consommation d’énergie du système d’analyse.

L’ajout d’un caloduc 61 au système permet de thermaliser les premiers 65 mm de la colonne en sortie d’injecteur 11. Par exemple, à température ambiante, et pour une température d’injecteur de 300°C, le point le plus froid avant l’entrée de la colonne 21 est à une température de 200°C sans caloduc, et une température de 250°C avec le caloduc. Avec un système sans caloduc, on peut analyser des molécules d’hydrocarbures jusqu’à une taille de C22 au maximum. En ajoutant le caloduc, on peut analyser des hydrocarbures jusqu’à une taille au moins de C32.

Dans certains modes de réalisation, le système d’analyse 1 peut comprendre un deuxième caloduc s’étendant entre la première ou la deuxième enceinte 10, 20 et la troisième enceinte 30 afin d’éviter des points froids au niveau de la deuxième extrémité de la colonne 22 liée au détecteur 31. La conception de ce deuxième caloduc est basée sur les mêmes principes que le premier caloduc.

Refroidissement

Afin de refroidir le système d’analyse 1 après une analyse de chromatographie, ledit système d’analyse 1 comprend avantageusement au moins une source froide 90. De préférence, la source froide 90 est, en référence aux figures 4 et 5, agencée de sorte à pouvoir être attachée ou retirée du châssis 40 indépendamment desdites première, deuxième et troisième enceintes 10, 20, 30. Dans certains modes de réalisation, la source froide peut également être utilisée pour créer un courant d’air faible pendant le chauffage et ainsi éviter la stagnation d’air chaud à proximité des parois.

Le système d’analyse 1 comprend en outre au moins un conduit de gaz froid agencé entre la source froide 90 et au moins une enceinte 10, 20, 30, de sorte à faire circuler un courant de gaz froid dans au moins une enceinte 10, 20, 30, en mettant de préférence en contact au moins une partie de l’injecteur 11, de la colonne 21, 22, et/ou du détecteur 31, avec le gaz froid.

Typiquement, la source froide 90 comprend un ventilateur, un compresseur et/ou une source de gaz comprimé.

Dans certains modes de réalisation, le système d’analyse 1 comprend plusieurs sources froides 90 qui peuvent être du même type ou différents.

Carte électronique

Le système d’analyse 1 comporte en outre une carte électronique 80 adaptée pour piloter une analyse de chromatographie. Ladite carte électronique 80 est connectée électriquement à au moins un composant électronique de la première enceinte 10, de la deuxième enceinte 20 et/ou de la troisième enceinte 30. De préférence, ladite carte électronique est connecté à au moins un capteur de température et au moins un élément chauffant. La carte électronique 80 peut être utilisé pour piloter un ou plusieurs dispositifs de chauffage et/ou de refroidissement, recevoir des données du détecteur 31 et envoyer des données à un ordinateur extérieur au système d’analyse 1, ou recevoir des données d’un tel ordinateur.

Ladite carte électronique 80 est de préférence attachée ou retirée du châssis 40 indépendamment des première, deuxième et troisième enceintes 10, 20, 30.

Dans certains modes de réalisation, au moins un connecteur électrique adapté pour être en contact électrique avec la carte électronique 80 est intégré dans le châssis 40. Un tel connecteur est en contact solidaire de la carte électronique 80 lorsque ladite carte électronique 80 est attachée au châssis 40. On évite ainsi la présence de câbles supplémentaires entre la troisième enceinte 30 et le châssis 40 et/ou la carte électronique 80 dans le système d’analyse 1. En particulier, un tel connecteur permet de déplacer temporairement la troisième enceinte 30 sans nécessiter un surplus de câble de la longueur d’un tel déplacement, ce qui est encombrant et fragilise la connexion électrique. Par exemple, on peut déconnecter la troisième enceinte 30 et la déplacer pour effectuer une opération de maintenance sur le détecteur 31 et/ou pour connecter une colonne 21, 22 sur le détecteur. Une fois l’opération de maintenance et/ou la connexion de colonne accomplis, on rétablit la connexion électrique de la troisième enceinte via le connecteur.

Système de nettoyage par flux inversé

Il est possible d’effectuer un nettoyage du système d’analyse 1 par injection d’un gaz sous pression dans le sens opposé au flux du gaz vecteur et de l’échantillon pendant une analyse de chromatographie. Dans ce cas, le système d’analyse 1 comprend un répartiteur principal 50, en liaison fluidique avec la première enceinte 10. De préférence, deux tubes 70 permettent d’établir une connexion fluidique entre la troisième enceinte 30 et le répartiteur principal 50 ( ). Les tubes 70 sont suffisamment rigides pour éviter une déformation lors des variations de pression pouvant se produire pendant le fonctionnement et le nettoyage du système d’analyse 1 qui peuvent atteindre des valeurs d’environ 3 bar ou plus. Dans certains modes de réalisation, un seul tube 70 peut être utilisé pour établir une connexion fluidique dans les deux sens respectifs au lieu d’utiliser deux tubes 70 afin de faciliter le montage du système de nettoyage par flux inversé.

Dans ce cas, le système d’analyse 1 est en liaison fluidique avec un régulateur de pression 77 et au moins deux vannes 73, 74 agencés à l’extérieur du châssis pour permettre de placer le système d’analyse 1 dans une position d’opération, une position d’arrêt ou une position de nettoyage.

La illustre le schéma fluidique dans la position d’opération pour un mode de réalisation. Les vannes 73, 74 sont réglées de sorte que le flux du gaz vecteur entraînant l’échantillon vaporisé ou gazeux circule de la première enceinte 10 vers la colonne 22 et de la colonne 22 vers la troisième enceinte 30. Le cas échéant, le flux du gaz circule en parallèle dans une colonne de référence 23. Le flux du gaz est indiqué par des flèches dans la . Le flux de retour est effectué en passant par les tubes 70, indiquées en pointillées. Dans cette position, on effectue les analyses par chromatographie.

Dans la position d’arrêt, le régulateur 77 agencé en amont des vannes est typiquement fermé et aucun flux ne circule dans le système. Cette position est maintenue quand le système d’analyse 1 n’est pas en utilisation.

La illustre le schéma fluidique dans la position de nettoyage. Les vannes 73, 74 sont réglées de sorte à inverser le flux du gaz vecteur par rapport à la position d’opération. Ainsi, le gaz traverse les tubes 70 et passe ensuite par la troisième enceinte 30. A la sortie de la troisième enceinte, le flux du gaz circule dans la colonne d’analyse 22 et, le cas échéant, dans la colonne de référence 23, de la sortie de la colonne vers l’entrée de la colonne. Ce flux de nettoyage est indiqué par les lignes en pointillées. Le flux permet de nettoyer les colonnes 22, 23 en faisant circuler un flux du gaz vecteur dans le sens opposé par rapport à l’analyse et de désorber les composants absorbés dans les colonnes 22, 23, en particulier les composants lourds qui sont souvent adsorbés sur les surfaces à proximité de l’entrée des colonne 22, 23.

En référence à la , le montage des tubes 70 sur les enceintes 10, 20, 30 et le châssis 40 peut être effectué depuis l’extérieur à la force des doigts par l’opérateur. Les tubes 70 peuvent être clipsés dans un canal comprenant des éléments de fixation 71 permettant de maintenir les tubes 70 entre une sortie de la troisième enceinte 30 et une entrée du répartiteur principal 50. De manière illustrative et non limitative, de tels éléments de fixation 71 peuvent comprendre deux rangées de dents en plastique comme illustrés sur la , entre lesquels les tubes 70 peuvent être clipsés.

Le canal peut être agencé dans le châssis 40 ou dans la deuxième enceinte 20. Les tubes 70 peuvent être retirés ou changés sans outillage, par exemple si un remplacement est nécessaire en raison d’une fuite de gaz.

Trépied

En référence aux figures 1-7, le châssis 40 peut comporter des éléments de support 41, 42 afin de maintenir le système d’analyse 1 dans une position stable pendant l’analyse, l’assemblage et/ou le nettoyage.

Avantageusement, le châssis 40 comprend un premier élément de support 41 afin de maintenir le système d’analyse 1 dans une position stable par l’intermédiaire dudit élément de support 41 et deux points d’appui 43. Les points d’appui 43 peuvent être agencés soit sur le châssis 40, soit sur une autre partie du système d’analyse 1, par exemple sur une enceinte 10, 20, 30. Les figures 2 et 3 montrent un empiètement dans lequel les deux points d’appui 43 sont agencés sur le châssis 40. Les deux points d’appui 43 et l’élément de support 41 forment donc un trépied apte à supporter le système d’analyse 1 de manière parfaitement stabilisée et fiable dans une position d’opération.

De préférence, un deuxième élément de support 42 permet de former un deuxième trépied avec deux autres points d’appui 44 sur une face opposée du système d’analyse 1. Un tel piètement peut par exemple être utilisé lors du montage et/ou de la maintenance du système d’analyse 1, en particulier pour insérer et connecter des éléments agencés dans la partie inférieure du châssis 40. En référence aux figures 5 et 6, le système d’analyse 1 peut reposer sur un deuxième trépied formé par le support 42 et les points d’appui 44 dans une position de maintenance afin de monter des éléments tels que le répartiteur principal 50, la carte électronique 80, la source froide 90.

De manière avantageuse, dans la position de maintenance le système d’analyse 1 est inversé dans un sens dessus-dessous par rapport à la position d’opération.

Utilisation du système d’analyse

Lors de l’assemblage du système d’analyse 1 de chromatographie, on commence par la mise à disposition du châssis 40. Les première, deuxième et troisième enceintes 10, 20, 30 et les éléments facultatifs décrits ci-dessus peuvent être insérés, retirés et échangés dans un ordre quelconque et indépendamment l’un de l’autre.

Le châssis 40 est en position d’opération pour l’installation des éléments qui sont agencées dans la partie supérieure du châssis 40. De manière avantageuse, on utilise un piètement formé par un élément de support 41 et deux points d’appui 43 ( ). Le système d’analyse 1 peut être placé dans une position de maintenance pour installer des éléments dans la partie inférieure du châssis 40, comme typiquement le répartiteur principal 50, la carte électronique 80 et la source froide 90. De manière avantageuse, dans la position de maintenance on utilise un piètement formé par un élément de support 42 et deux points d’appui 44. Préférablement, dans la position de maintenance le système d’analyse 1 est inversé dans un sens dessus-dessous par rapport à la position d’opération.

De préférence, la première enceinte 10 est agencé dans le châssis 40 avant l’installation de la ou les colonnes 21, 22 de chromatographie. La première extrémité de la colonne 21 à connecter sur l’injecteur 11 est ensuite relié avec la première enceinte 10 et insérée par la suite dans la deuxième enceinte 20. Des colonnes 22 successives peuvent être agencés dans d’autres étapes ultérieures du montage.

Après l’installation de la dernière colonne successive, on peut installer un caloduc 61 entre la première enceinte 10 et la deuxième enceinte 20 et/ou fixer un caloduc entre la deuxième enceinte 20 et la troisième enceinte 30. On connecte l’orifice de sortie de la dernière colonne ou, le cas échéant, des colonnes reliées en parallèle, à un détecteur 31 respectif. On peut ensuite fermer, le cas échéant, le capot de la deuxième enceinte 20.

Après le montage du système d’analyse 1, on place le système d’analyse 1 dans une position d’opération stable. De manière avantageuse, on utilise un piètement formé par un élément de support 41 et deux points d’appui 43. Si le système d’analyse 1 est fluidiquement connecté à des vannes pour un nettoyage par flux inversé, on règle les vannes pour placer le système d’analyse 1 dans une position d’analyse. On peut ensuite commencer une analyse par chromatographie en phase gazeuse.

On chauffe d’abord la première enceinte 10 et l’injecteur 11 à une température adaptée pour injecter l’échantillon à analyser et introduit le fluide à analyser dans l’injecteur 11 dans la première enceinte 10. Dans le cas d’un échantillon liquide, on vaporise ledit liquide dans l’injecteur 11. Pendant la vaporisation d’un échantillon liquide, la température de l’injecteur 11 est de préférence inférieure ou égale à 300°C. Dans le cas d’un échantillon gazeux, l’injecteur 11 est avantageusement chauffé à une température inférieure ou égale à 150°C. On injecte ensuite l’échantillon vaporisé ou gazeux dans la première colonne 21, par l’intermédiaire d’un flux de gaz vecteur qui entraine ledit échantillon, et on démarre l’analyse. Quand le système d’analyse 1 comprend un caloduc 61 entre la première enceinte 10 et la deuxième enceinte 20, la première extrémité de la colonne est chauffée par ledit caloduc 61 lors du chauffage de la première enceinte 10 et de l’injecteur 11.

Ladite analyse peut être effectuée à une température constante des colonnes dans la deuxième enceinte 20, ou, de manière alternative, en utilisant une rampe de température, consistant à élever progressivement et/ou par paliers la température de chaque colonne 21, 22. De manière avantageuse, le système comprend un ou plusieurs capteurs de température une carte électronique 80 configuré pour piloter la température dans chaque enceinte 10, 20, 30. De manière alternative, la carte électronique 80 est configurée pour gérer la température d’une ou deux enceintes 10, 20, 30.

A la sortie de la colonne 21, ou les colonnes interconnectées 21, 22, les espèces contenues dans ledit échantillon, qui ont été séparées par la colonne 21 ou les colonnes interconnectées 21, 22, sont transférées successivement au détecteur 31, ledit détecteur 31 étant configuré pour déterminer, à partir d’une interaction physique et/ou chimique avec chaque espèce, la nature de ladite espèce. Les résultats obtenus par le détecteur 31 peuvent être envoyés à un ordinateur externe par l’intermédiaire de la carte électronique 80.

A la fin de l’analyse de chromatographie, la source froide 90 est utilisée pour refroidir le système d’analyse 1 à une température ambiante permettant d’effectuer une éventuelle maintenance du système 1 d’analyse et préparer une nouvelle analyse de chromatographie. Si une analyse ultérieure est à effectuer, il est avantageux de conserver la première enceinte 10 et l’injecteur 11 à une température élevée et de refroidir uniquement la deuxième enceinte 20 comportant les colonnes 21, 22 et la troisième enceinte 30 renfermant le détecteur 31 par la source froide 90.

On peut ensuite déclencher un ou plusieurs cycles optionnels de régénération flash pour effectuer un nettoyage du détecteur 31 en chauffant le détecteur par le dispositif de chauffage de la troisième enceinte 30, et en refroidissant le système d’analyse 1 par le dispositif de refroidissement supplémentaire, par exemple le ventilateur 75.

On peut également effectuer un nettoyage optionnel du système d’analyse 1 par flux inversé. A cet effet, on monte les tubes 70 sur le système d’analyse 1 et on règle les vannes afin de placer le système dans la position de nettoyage. On pompe ensuite un flux de gaz vecteur dans la troisième enceinte 30 à partir du répartiteur principal 50, en utilisant le régulateur de pression. Le gaz vecteur se propage de la troisième enceinte 30, en passant par chaque colonne 21, 22 et l’injecteur 11 jusqu’au répartiteur principal 50. Ledit gaz vecteur entraîne les espèces chimiques adsorbés dans le détecteur 31, chaque colonne 21, 22 et l’injecteur 11 et effectue ainsi un nettoyage du système d’analyse 1.

Après le nettoyage par flux inversé, on peut placer le système dans la position d’arrêt dans lequel une des vannes est typiquement fermée et une deuxième vanne est typiquement ouverte, ou de régler les vannes pour placer le système de nouveau dans la position d’analyse.

Quand on utilise le système sans l’équipement de nettoyage par flux inversé, on bouche les orifices prévus à cet effet. On peut relier certains orifices avec un tube flexible qui est plus économique qu’un tube rigide.

Après le refroidissement et les étapes de nettoyage optionnelles du système, on peut changer des éléments tels qu’une ou plusieurs colonnes 21, 22 ou le détecteur 31, ajouter ou retirer des éléments optionnels tels que le système de régénération ou un répartiteur principal 50 et des tubes 70, ou un caloduc 61, ou une colonne supplémentaire 21, 22, pour adapter le système 1 à une autre analyse. On peut transporter le système d’analyse 1 à un endroit de stockage ou à un autre endroit où des analyses en chromatographie sont à effectuer, à la main et sans démonter le système d’analyse.

On peut par la suite recommencer un cycle d’analyse sur le même échantillon ou sur un autre fluide à analyser.

Claims (20)

1. Système d’analyse (1) d’un liquide ou d’un gaz par chromatographie, comprenant :
   - une première enceinte (10) thermiquement isolée comprenant une entrée pour un échantillon liquide ou gazeux à analyser, un injecteur (11) adapté pour injecter ledit échantillon dans un courant de gaz vecteur et une sortie pour une portion de l’échantillon entraîné par ledit courant de gaz vecteur,
   - une deuxième enceinte (20) découplée thermiquement de la première enceinte (10) renfermant au moins une colonne (21, 22) de chromatographie capillaire comprenant une première extrémité adaptée pour être connectée fluidiquement à la sortie de l’injecteur (11), et
   - une troisième enceinte (30), découplée thermiquement de la première enceinte (10) et de la deuxième enceinte (20), renfermant un détecteur (31) comprenant une entrée adaptée pour être connectée fluidiquement avec une seconde extrémité de la colonne (21, 22) de chromatographie opposée à la première extrémité,
   ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte un châssis (40) sur lequel chacune des première, deuxième et troisième enceintes (10, 20, 30) peut être agencée ou retirée indépendamment des autres enceintes (10, 20, 30).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel la deuxième enceinte (20) est adaptée pour contenir au moins deux colonnes (21, 22) de chromatographie capillaires superposées.
3. Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la deuxième enceinte (20) comprend un capot amovible indépendamment des première et troisième enceintes (10, 30), le capot étant agencé de sorte à permettre un remplacement ou un ajout d’une colonne (21, 22) de chromatographie.
4. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première enceinte (10) contient un premier élément chauffant adapté pour chauffer l’injecteur de liquide à une température inférieure ou égale à 300°C.
5. Système selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première enceinte (10) contient un premier élément chauffant adapté pour chauffer l’injecteur de gaz une température inférieure ou égale à 150°C.
6. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième enceinte (20) comprend un second élément chauffant adapté pour chauffer chaque colonne (21, 22) de chromatographie à une température comprise entre 20° et 300°C.
7. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la troisième enceinte (30) comprend un troisième élément chauffant adapté pour chauffer le détecteur (31) à une température comprise entre 20° et 220°C.
8. Système selon la revendication 7 dans lequel le troisième élément chauffant est apte à chauffer le détecteur (31) par une rampe de température adaptée pour désorber des résidus de fluide d’une analyse précédente, et la troisième enceinte (30) comporte en outre un système de refroidissement de régénération agencé pour refroidir le détecteur (31) de sorte à rétablir la sensibilité du détecteur (31) pour démarrer une nouvelle analyse de chromatographie.
9. Système selon la revendication 8 dans lequel le système de refroidissement de régénération comprend un ventilateur (75).
10. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un premier caloduc (61) s’étendant entre la première enceinte (10) et la deuxième enceinte (20) de sorte à conduire de la chaleur de la première enceinte (10) vers la jonction entre l’injecteur (11) et ladite au moins une colonne (21, 22) de chromatographie.
11. Système selon la revendication 10, dans lequel le premier caloduc (61) comprend une rainure (68) adaptée pour contenir une portion de la première extrémité de la colonne (21, 22).
12. Système selon la revendication 10 ou la revendication 11 dans lequel le premier caloduc (61) comprend en outre un capteur (66) de température.
13. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un deuxième caloduc s’étendant entre la première ou la deuxième enceinte (10, 20) et la troisième enceinte (30) de sorte à conduire de la chaleur de la première ou deuxième enceinte (10, 20) vers la jonction entre la colonne (21, 22) de chromatographie et le détecteur (31).
14. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre une carte électronique (80) adaptée pour être connectée électriquement à un composant de la première enceinte (10), de la deuxième enceinte (20) et/ou de la troisième enceinte (30), ladite carte électronique (80) étant agencée de sorte à pouvoir être attachée ou retirée du châssis (40) indépendamment desdites première, deuxième et troisième enceintes (10, 20, 30).
15. Système selon la revendication 14, dans lequel le châssis (40) comprend au moins un connecteur électrique adapté pour être en contact électrique avec un contact solidaire de la carte électronique (80) lorsque ladite carte électronique (80) est attachée au châssis (40).
16. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins une source froide (90) agencée de sorte à pouvoir être attachée ou retirée du châssis (40) indépendamment desdites première, deuxième et troisième enceintes (10, 20, 30).
17. Système selon la revendication 16, dans lequel la source froide (90) comprend un ventilateur, un compresseur et/ou un flux de gaz comprimé.
18. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le châssis (40) comprend un premier élément de support (41) et le piètement du système d’analyse (1) se présente comme un premier trépied formé par l’élément de support (41) et deux points d’appui (43) agencés chacun sur le châssis (40) ou sur une enceinte (10, 20, 30).
19. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le châssis (40) comprend en outre un élément de support (42) de maintenance, et un piètement de maintenance du système d’analyse (1) se présente comme un trépied formé par l’élément de support (42) de maintenance et deux points d’appui (44) de maintenance agencés chacun sur le châssis (40) ou sur une enceinte (10, 20, 30).
20. Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un régulateur de pression et au moins deux vannes agencés pour placer le système dans l’une quelconque des positions suivantes :

    • une position d’opération dans laquelle un flux de fluide est créé de la première enceinte (10) vers la deuxième enceinte (20) et de la deuxième enceinte (20) vers la troisième enceinte (30),
    • une position d’arrêt dans lequel aucun flux est présent dans le système, et
    • une position de nettoyage dans laquelle le sens du flux de fluide est inversé par rapport à la position d’opération.