СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к анализу текучей среды и, конкретнее, к системе для перемещения текучей среды, предназначенной для выполнения анализа проб жидкости при помощи дистанционного анализатора проб жидкости.

Уровень техники

Анализ выбросов газа имеет существенное значение для мониторинга и предотвращения возможных выбросов вредных компонентов в составе обработанного газа, выделяемого в атмосферу, например, крупномасштабными установками для улавливания СО₂, однако такой анализ может оказаться трудным для выполнения. Так, матрица газа может быть сложной и включать потенциально большое число аналитов (веществ, определяемых при анализе), которые часто являются менее известными компонентами, представленными в низких или очень низких концентрациях. Еще больше осложняет ситуацию то, что газ, испускаемый из системы очистки отходящих газов (например, аминовых абсорберов), насыщен водой и содержит аэрозоли и капли, содержащие искомые аналиты и дополнительно способствующие повышению общего содержания воды в газе.

Наличие компонентов с очень низкой концентрацией в испускаемом газе представляет значительную сложность для мониторинга выбросов газа. Каждая система очистки отходящих газов имеет собственный перечень представляющих интерес компонентов; например, каждая система аминовых растворителей имеет ряд искомых компонентов, что приводит к появлению большого числа возможных аналитов, таких как амины и продукты их разложения. В настоящее время не существует стандартизованной методики измерения большинства искомых компонентов, присутствующих в выбросах из установок улавливания на основе аминов.

Влажный газ, содержащий большое количество различных компонентов, присутствующих в диапазоне субмикроконцентраций, представляет собой нерешенную проблему для мониторинга газа в реальном времени; в целом, на сегодняшний день контрольно-измерительные приборы реального времени для анализа газов не отвечают требованиям к извлечению репрезентативных проб и низким пределам чувствительности, необходимым для таких случаев. Для эффективной работы большинства серийно выпускаемых контрольно-измерительных приборов для анализа газов в реальном времени, таких как анализаторы реального времени, используемые для выполнения измерений следовых количеств газа, требуется относительно сухой газ. Обычный способ устранения проблем, связанных с влажным газом, заключается в осушении влажного газа перед выполнением анализа. Это может быть осуществлено путем охлаждения газа с целью конденсации воды. Однако это приводит к тому, что в образующемся конденсате присутствуют водорастворимые компоненты, делая анализ сухого газа неполным, поскольку искомые аналиты теряются в образующемся конденсате.

Альтернативой осушению газа служит нагревание газа до температуры, намного превосходящей точку росы, чтобы избежать конденсации жидкости в анализаторе. Нагревание отобранных проб газа до температуры, превышающей точку росы, может представлять собой трудную задачу; нагревание проб газа в процессе извлечения и анализа может вызвать химические изменения, такие как образование артефактов или деградация этих проб. Кроме того, серийно выпускаемые растворы для отбора проб и анализа в реальном времени имеют существенные ограничения, связанные с обнаружением и количественным определением следовых количеств менее известных компонентов.

Обычная методика измерений выбросов газа в ручном режиме состоит в применении способов прерывного измерения, при которых известный объем воздуха прокачивается через раствор абсорбента или через адсорбент. Твердые адсорбенты для правильного функционирования требуют наличия сухого газа и поэтому непригодны для анализа без осушения газа перед выполнением анализа. Отбор и анализ проб ручным способом при помощи абсорбирующих растворов допускает работу с влажным газом и наличие мелких капель или аэрозолей. Стандартный способ отбора проб газа вручную состоит в абсорбции газа с помощью ряда импинжеров. При отборе и анализе проб ручным способом абсорбирующие растворы направляют на химический анализ после отбора проб газа, а концентрации различных компонентов вычисляют на основе концентраций в растворе абсорбента по сравнению с отобранным объемом газа. При использовании адсорбентов газ обычно осушают путем охлаждения перед отбором проб на адсорбенте, получая конденсат, который содержит искомые водорастворимые соединения в отобранном газе.

В связи с этим существует потребность в системе для анализа жидкостей, позволяющей осуществлять анализ конденсата, образующегося после осушения газа. В частности, существует потребность в автоматизированной системе реального времени, которая позволяет регистрировать аналиты при низких концентрациях.

Раскрытие изобретения

В соответствии с изобретением предлагается система для перемещения текучей среды, служащая для перемещения пробы жидкости от источника жидкости к дистанционному анализатору проб жидкости, при этом система содержит капиллярную линию, соединяющую источник жидкости и анализатор проб жидкости, и выполнена таким образом, что при работе системы жидкость протекает от источника жидкости к анализатору жидкости по капиллярной линии.

Капиллярная линия (капилляр) позволяет перемещать жидкость от источника жидкости к анализатору проб жидкости только в одном направлении или, альтернативно, капиллярная линия может образовывать замкнутый контур, возвращающий часть или всю жидкость, перемещенную к анализатору, обратно к источнику жидкости.

Система для передачи жидкости согласно настоящему изобретению также называется в настоящем документе «обводной линией», и два этих термина используются здесь на равных основаниях. Анализатор жидкости может быть подключен к одной или нескольким обводным линиям.

Обводная линия предпочтительно включает средство перекачки, чтобы перекачивать пробу жидкости по капилляру. Использование средства перекачки позволяет пробам жидкости циркулировать по капиллярной линии при относительно высоком расходе. Относительно высокая скорость циркуляции по капиллярной линии обеспечивает большую скорость реакции. Это означает, что анализатор жидкости может быть расположен на расстоянии от менее чем 10 метров до нескольких 100 метров от источника жидкости в зависимости от необходимого времени реакции.

Использование капиллярной линии обеспечивает отбор проб при относительно низких объемах жидкости по сравнению с объемом резервуара, служащего источником жидкости. Это позволяет использовать относительно компактную установку отбора проб, при этом все тяжелые компоненты системы расположены дистанционно.

Использование длинной капиллярной линии позволяет перемещать пробу жидкости к анализатору образцов жидкости, расположенному дистанционно от резервуара, служащего источником жидкости. Тяжелые вспомогательные приспособления, такие как гидравлические или газовые насосы, газовые расходомеры и сам анализатор жидкости могут располагаться на расстоянии от пробоотборника газа или места отбора проб. Поэтому к установке отбора проб предъявляются относительно невысокие требования в отношении веса и объема. Это предпочтительно в ситуациях, когда бывает нежелательно располагать аналитическое оборудование вблизи от источника жидких проб при отборе проб отходящего газа.

Предпочтительно, жидкость непрерывно течет от источника жидкости к анализатору проб жидкости. Это позволяет осуществлять непрерывный анализ жидкости в реальном времени, избегая возникновения прерывистого потока в системе.

Эта система для перемещения текучей среды может включать пробирку или пробоотборный клапан для введения проб из капиллярной линии в анализатор. Предпочтительно пробирка представляет собой пробирку автосамплера для автоматического ввода проб. Такие пробирки легко могут быть выполнены так, чтобы соответствовать любому стандартному лотку автосамплера или коллектору фракций автоматизированных анализаторов жидкости. Предпочтительно, пробирка автосамплера представляет собой проточную ячейку, обеспечивающую непрерывное протекание через нее потока жидкости.

Обводную линию можно использовать вместе с различными типами оборудования для анализа жидкости без модификации самого анализатора при условии, что в наличии имеются известные из уровня техники средства автоматизированного отбора проб, такие как автосамплеры. Пробирка автосамплера при этом может быть подключена к анализатору проб жидкости. Пробирка также может быть подключена к коллектору фракций. Пробы жидкости из пробирки также можно автоматически отбирать в коллектор фракций для последующего анализа при помощи других средств или, в случае отсутствия аналитического оборудования, для выполнения анализа в автономном режиме.

Проба жидкости может представлять собой конденсат. Конденсат можно получать при помощи конденсатора непрерывного действия. Это означает, что обводная линия может использоваться для выполнения анализа любого конденсата, образовавшегося после осушения влажного газа. Такой вариант применения называется также «охлаждаемой ловушкой». Обводная линия позволяет осуществлять мониторинг конденсата в реальном времени; однако этот способ также пригоден для ручного отбора проб и анализа. Охлаждаемая ловушка предотвращает нагревание газа и термическое разложение, позволяя выполнять отбор репрезентативных проб и анализ высокого содержания воды, аэрозолей и мелких капель. При таком применении обводной линии могут достигаться очень низкие пределы чувствительности для сложной матрицы газа, несмотря на высокое содержание воды в газе. Кроме того, когда искомые компоненты являются водорастворимыми, этот мониторинг конденсата может обеспечить удовлетворительный анализ газа при использовании оптимизированного конденсатора, который позволяет удалять большую часть воды.

Анализ конденсата при таком применении обводной линии потенциально может обеспечить очень низкие пределы чувствительности. В данном применении для идентификации неизвестных компонентов может использоваться жидкостная/газовая хроматография-масс-спектрометрия (LC-MS/GC-MS), хотя установка позволяет использовать широкий диапазон возможных методик для анализа жидкости в реальном времени или ручном режиме. Пробы конденсата можно анализировать с использованием многих способов анализа жидкости, включая дериватизацию, концентрирование, испытание на токсичность, подготовку (холодную) или хранение проб.

Система может также содержать емкость, расположенную на выходе анализатора жидких проб в обводной линии, при этом система выполнена таким образом, что при ее работе избыточный конденсат перемещается в емкость по капиллярной линии, тем самым регулируя уровень конденсата в конденсаторе. Таким образом, при данном применении обводную линию можно использовать для выполнения непрерывного анализа конденсата путем выпуска накопленной жидкости из конденсатора и регулирования уровня жидкости в конденсаторе.

Конденсатор может работать при температурах ниже 0°C. Соответственно, конденсатор может работать при любой температуре, практически достижимой в устройстве. В случаях, когда в конденсаторе образуется лед, пробы жидкости можно получать путем периодического оттаивания льда, например, при помощи нагревательной спирали, монтируемой на конденсаторе.

Проба жидкости может представлять собой абсорбирующий раствор. Это означает, что обводную линию можно использовать для выполнения анализа абсорбирующей жидкости в реальном времени, хотя этот способ подходит также для отбора и анализа проб ручным способом. Данный вариант применения обводной линии обеспечивает то преимущество, что позволяет избегать нагрева газа перед анализом, тем самым предотвращая потенциальные химические изменения пробы, вызванные химическими реакциями.

Система может также включать емкость для сбора отработанного абсорбента из системы, расположенную на выходе анализатора жидкости, и источник свежего абсорбента. Свежий абсорбент можно непрерывно или отдельными порциями подавать в обводную линию, при этом отработанный абсорбент можно удалять из системы таким образом, чтобы регулировать время пребывания абсорбирующего раствора в источнике жидкости. Таким образом, объем жидкости в импинжере можно поддерживать постоянным, отводя избыточную жидкость в емкость для отходов. В ходе этого процесса можно осуществлять текущий контроль объема отведенной избыточной жидкости. Свежий абсорбент при этом может содержать внутренний стандарт на основе инертного вещества.

Благодаря контролируемому добавлению свежего абсорбента и выпуску отработанного абсорбента можно регулировать время пребывания абсорбирующих растворов и, тем самым, регулировать пределы чувствительности при анализе газа (более длительное время пребывания дает более низкие пределы чувствительности). При этом более длительное время пребывания будет обеспечивать чрезвычайно низкие пределы чувствительности для компонентов, присутствующих в газе, отбор проб которого производится в системе. Вследствие этого, в данном применении обводной линии анализ абсорбирующего раствора может выполняться в непрерывном или автоматическом режиме, или в реальном времени.

Резервуар для свежего абсорбента и емкость для отходов, а также любые связанные с ними вспомогательные приспособления могут располагаться на расстоянии от импинжера, возле анализатора.

Конденсация воды, присутствующей в отобранных пробах газа в импинжере, может способствовать увеличению объема абсорбирующих растворов с течением времени. Для достижения полного контроля над разжижением абсорбирующей среды в абсорбирующем растворе можно использовать внутренний стандарт на основе инертного вещества. Анализатор жидкости может непрерывно контролировать концентрацию внутреннего стандарта с целью внесения поправки на разжижение среды при вычислениях контролируемых концентраций газа.

Кроме того, принцип анализа при помощи обводной линии может применяться для анализа любых проб жидкости, например проб, взятых из технологического реактора.

Краткое описание чертежей

Примеры систем в соответствии с настоящим изобретением будут теперь описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На ФИГ. 1 схематически представлена система для перемещения текучей среды или обводная линия в соответствии с настоящим изобретением.

На ФИГ. 2А схематически представлена пробирка автосамплера, которая может использоваться в системе в соответствии с настоящим изобретением.

На ФИГ. 2В и 2С показаны примеры пробирок автосамплера.

На ФИГ. 3 схематически представлено применение охлаждаемой ловушки обводной линии.

На ФИГ. 4 схематически представлена охлаждаемая ловушка с изокинетическим отбором проб газа.

На ФИГ. 5 схематически представлено применение обводной линии для анализа газа при помощи абсорбирующих растворов.

На ФИГ. 6А-6С показан прототип установки отбора проб газа в реальном времени.

На ФИГ. 7 показаны концентрации моно-этаноламина, зарегистрированные в виде временной зависимости с использованием прототипа установки отбора проб газа.

Осуществление изобретения

Схематическое изображение системы для перемещения текучей среды показано на ФИГ. 1. Анализируемая жидкость содержится в резервуаре для жидкости или источнике жидкости 10. Анализатор образцов жидкости или пробоотборник 20 расположен дистанционно на расстоянии от менее чем 10 метров до нескольких сотен метров от источника жидкости 10. В качестве анализатора 20 может использоваться любая установка, подходящая для анализа жидкостей, такого как жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (LC-MS). Анализатор 20 может быть автоматизирован для выполнения анализа жидкости в реальном времени.

Пробы жидкости перетекают от источника 10 к анализатору 20 по длинной капиллярной линии 30, соединяющей источник 10 и анализатор 20. Жидкость может течь по капилляру 30 под действием силы тяжести или против силы тяжести, под действием капиллярности. Система может включать средство перекачки (не показано), позволяющее перекачивать пробу жидкости по капилляру 30.

Капиллярная линия 30 позволяет перемещать жидкость от источника жидкости 10 к анализатору 20 только в одном направлении или, альтернативно, капиллярная линия 30 может образовывать замкнутый контур, как показано на ФИГ. 1, возвращающий часть или всю жидкость, перемещенную к анализатору 20, обратно к источнику жидкости 10.

Обводная линия может быть снабжена пробоотборной пробиркой 40. Может использоваться любая пробирка 40, пригодная для введения проб из капиллярной линии 30 в анализатор 20, хотя предпочтительно использовать пробирку автосамплера, чтобы обеспечить возможность автоматического отбора проб. Предпочтительно, пробирка автосамплера представляет собой проточную ячейку, обеспечивающую непрерывное протекание через нее потока жидкости.

На ФИГ. 2А показано схематическое представление пробирки 40 автосамплера, которая может являться частью обводной линии согласно настоящему изобретению. Пробирка может иметь размеры стандартной пробирки автосамплера. Пробы жидкости могут отбираться пробиркой при помощи иглы, проходящей через верхнюю крышку, как устроено в стандартной пробирке автосамплера. Если пробирка представляет собой проточную ячейку, вся жидкость, протекающая в обводной линии, проходит через пробирку. Пробирка может быть выполнена в соответствии с любым стандартным лотком автосамплера, как показано на ФИГ. 2С, или коллектором фракций автоматизированных анализаторов жидкости.

Обводную линию можно использовать вместе с различными типами оборудования для анализа жидкости без модификации самого анализатора 20 при условии, что в наличии имеются известные из уровня техники средства автоматического отбора проб, такие как автосамплеры. Пробы жидкости из пробирки 40 также можно автоматически отбирать в коллектор фракций для последующего анализа при помощи других средств или, в случае отсутствия аналитического оборудования, для выполнения анализа в автономном режиме.

Следует понимать, что анализ на основе обводной линии может применяться для анализа любых проб жидкости, например проб, взятых из технологического реактора. Конкретным полезным применением анализа жидкости с использованием обводной линии является анализ конденсата, образовавшегося после осушения влажного газа, предпочтительно в режиме реального времени.

На ФИГ. 3 схематически изображено применение анализа газа при помощи обводной линии, которое в настоящем документе называется также «охлаждаемой ловушкой». В этом применении источник жидкости 10 является конденсатором. Поток влажного газа поступает в конденсатор 10, в котором он охлаждается и конденсируется. Образовавшийся конденсат скапливается на дне конденсатора, в то время, как сухой газ вытекает из конденсатора, поступая к анализатору сухого газа (не показан).

Пробы жидкости из конденсата анализируют при помощи обводной линии, как показано на ФИГ. 1. Предпочтительно использовать автоматизированную охлаждаемую ловушку, чтобы анализ выполнялся в режиме реального времени.

Конденсатор может работать при любой температуре, практически достижимой в устройстве, включая температуры ниже 0°C. Отбор проб жидкости в случае образования льда в конденсаторе может выполняться путем оттаивания льда. Оттаивание льда предпочтительно осуществляется периодически с помощью любого подходящего средства, например, нагревательной спирали, монтируемой на конденсаторе.

Охлаждаемая ловушка может также включать емкость 50, расположенную на выходе анализатора жидких проб 20. При использовании этой системы избыточный конденсат перемещается в емкость 50 по капиллярной линии 30, тем самым регулируя уровень конденсата в конденсаторе 10. Таким образом, в данном варианте применения обводную линию можно использовать для выполнения непрерывного анализа конденсата путем выпуска накопленной жидкости из конденсатора 10 и регулирования уровня жидкости в конденсаторе 10.

Емкость 50 и любые связанные с ней вспомогательные приспособления могут располагаться на расстоянии от конденсатора 10, возле анализатора 20. В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 3, капилляр 30 образует замкнутый контур, при этом жидкость возвращается к конденсатору 10. Альтернативно, обводная линия может быть выполнена с возможностью непрерывного одностороннего выпуска жидкости в направлении анализатора (вариант осуществления не показан).

Анализ водорастворимых компонентов, присутствующих во влажном газе, в отсутствие какой-либо поглощающей среды позволяет использовать большее количество методов химического анализа, включая дериватизацию, концентрирование, испытание на токсичность или (холодную) подготовку пробы. Когда искомые компоненты являются водорастворимыми, такой мониторинг конденсата может обеспечить удовлетворительный анализ газа при использовании оптимизированного конденсатора, который позволяет удалять большую часть воды.

Анализ конденсата в этом варианте применения обводной линии позволяет обеспечить очень низкие пределы чувствительности. В данном применении для идентификации неизвестных компонентов может использоваться жидкостная/газовая хроматография-масс-спектрометрия (LC-MS/GC-MS), хотя установка позволяет применять широкий диапазон возможных методик для анализа жидкости в реальном времени или ручном режиме.

На ФИГ. 4 показан другой способ применения описанной выше охлаждаемой ловушки. Анализируемый газ можно извлекать из трубы через охлаждаемую всасывающую трубку 6. Сопло 5 может использоваться для регулирования потока газа по мере его поступления во всасывающую трубку 6. Влажный газ, содержащий мелкие капли, аэрозоли и образовавшийся конденсат, перетекает в конденсатор 10. Конденсатор 10 охлаждает или поддерживает газ при той же температуре или в той же точке отбора проб. Поток сухого газа из конденсатора 10 разделяется после конденсатора 10, достигая различных анализаторов 8, 9 с различными значениями требуемого расхода с целью выполнения изокинетических измерений.

При отборе проб горячего и влажного газа двухступенчатое охлаждение, начиная со всасывающей трубки 6, позволяет предотвратить образование тумана, который может улетучиться из конденсатора 10. Кроме того, каплеуловитель, расположенный за конденсатором, может удалять улетучивающиеся капли. На практике в качестве конденсатора для этой цели может быть выбран стандартный осушитель с термоэлектрическим охлаждением и автоматическим сбором конденсата.

Жидкость в системе для перемещения текучей среды в соответствии с настоящим изобретением может представлять собой абсорбирующий раствор. На ФИГ. 5 показано применение обводной линии для анализа газа при помощи абсорбирующих растворов. В этом варианте применения источник жидкости 10 представляет собой пробоотборник газа или импинжер, содержащий абсорбирующий раствор. Пробы жидкости абсорбирующего раствора анализируются при помощи обводной линии, изображенной на ФИГ. 1. Свежий абсорбент непрерывно или отдельными порциями подается в обводную линию из резервуара свежего абсорбера 70 и используется, либо отработанный абсорбент удаляется из системы путем выпуска в емкость для отходов 80. Таким образом, объем жидкости в импинжере 10 поддерживается постоянным благодаря отводу избыточной жидкости в емкость для отходов 80. В ходе этого процесса можно осуществлять текущий контроль объема отведенной избыточной жидкости.

Резервуар для свежего абсорбента и емкость для отходов 80, а также любые связанные с ними вспомогательные приспособления могут располагаться на расстоянии от импинжера 10, возле анализатора 20. Все остальные тяжелые вспомогательные приспособления (не показаны), включая гидравлические или газовые насосы, газовые расходомеры и сам анализатор жидкости 20 могут располагаться на расстоянии от пробоотборника газа 10 или места отбора проб.

Поэтому к установке отбора проб предъявляются относительно невысокие требования в отношении веса и объема.

Конденсация воды, присутствующей в отобранных пробах газа в импинжере 10, может способствовать увеличению объема абсорбирующих растворов с течением времени. Для достижения полного контроля над разжижением абсорбирующей среды в абсорбирующем растворе можно использовать внутренний стандарт. Анализатор жидкости 20 может непрерывно контролировать концентрацию внутреннего стандарта с целью внесения поправки на разжижение среды при вычислениях контролируемых концентраций газа.

Регулируя интенсивность входящего потока свежего абсорбента и выпускаемую отработанную жидкость, можно регулировать время пребывания жидкости в пробоотборнике газа. При этом более длительное время пребывания будет обеспечивать чрезвычайно низкие пределы чувствительности для компонентов, присутствующих в газе, отбор проб которого производится в системе. Вследствие этого, в данном варианте применения обводной линии анализ абсорбирующего раствора может выполняться в непрерывном или автоматическом режиме, или в реальном времени.

Для получения репрезентативных проб мелких капель и аэрозолей, присутствующих в потоке отобранного газа, независимо от размера капель, пробы газа можно отбирать изокинетически, т.е. с той же скоростью, с которой перемещается основной поток. Этого можно достичь путем регулирования объемного расхода отобранного газа на основе автоматического измерения скорости газа в точке отбора проб.

На ФИГ. 6А-6С показан прототип, разработанный для анализатора газа в реальном времени методом жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией (LC-MS) с использованием обводной линии в соответствии с настоящим изобретением. При помощи этого прототипа были проведены эксперименты. Эксперименты продемонстрировали, что дистанционно расположенный анализатор LC-MS позволял регистрировать низкую концентрацию моно-этаноламина (МЭА), присутствующего в газе, выходящем из абсорбционной колонны с временем реакции, составляющим несколько минут. На ФИГ. 7 показаны зарегистрированные концентрации МЭА в зависимости от времени.

Необходимо отметить, что в ходе экспериментов не было предпринято никаких попыток оптимизировать время реакции, увеличивая поток в обводной линии или настраивая установку отбора проб газа. Следует понимать, что, применяя более длительное время пребывания непрерывного абсорбирующего раствора в импинжере, можно достичь чрезвычайно низких пределов чувствительности, даже в газах с высоким содержанием воды, с аэрозолями и мелкими каплями.