專利名稱：自含式色譜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及流體的評(píng)價(jià)，更具體地，本發(fā)明涉及利用自含式色譜
系統(tǒng)(self-contained chromatography system)測(cè)定流體的組成。
背景技術(shù)：
產(chǎn)烴油田通常包括由油-氣-水混合物組成的地層流體，其中這些組分之 間的相關(guān)系由流體的壓力、溫度和組成控制。期望分析和評(píng)價(jià)這些流體以確 定對(duì)于石油工業(yè)具有商業(yè)利益的各種流體特性，例如儲(chǔ)層中流體的類型和質(zhì) 量。完成這種分析和評(píng)價(jià)的一種方法是通過(guò)將地層流體樣品取至地表并利用 已知4支術(shù)如氣相色語(yǔ)分析該流體以確定其組成。
氣相色譜是鑒定材料樣品化學(xué)組成的公知方法，并且可應(yīng)用于依賴化合 物鑒定的各工業(yè)領(lǐng)域，例如采用色譜法鑒定要抽取的地層流體組成成分的石 油工業(yè)。氣相色鐠法包括蒸發(fā)和引入材料樣品至色譜柱中，其中通過(guò)惰性的 流動(dòng)相氣體如氮?dú)?N》、氫氣(H2)或氦氣(He)的流動(dòng)輸運(yùn)材料樣品，使其經(jīng)過(guò) 色譜柱。盡管材料樣品通過(guò)載氣輸運(yùn)經(jīng)過(guò)色譜柱，但是分析物的移動(dòng)卻因?yàn)?分析物分子在固定相上的吸附作用而受到阻礙。
至少有兩種公知的常用于氣相色譜系統(tǒng)的色譜柱填充柱和毛細(xì)管柱。 填充柱包含細(xì)分的可涂有固定相的固相擔(dān)載材料(例如硅藻土)，其中涂布材 料的性質(zhì)取決于將要強(qiáng)烈吸附的材料的類型。這使得填充柱適合分離特定類 型的化合物。另一方面，毛細(xì)管柱具有極小的內(nèi)徑(大約十分之幾毫米)且柱 壁涂有活性物質(zhì)。例如，大多數(shù)毛細(xì)管柱是由具有聚酰亞胺外涂層的熔融石 英或者不銹鋼制成的，并且易于彎曲，使得很長(zhǎng)的色譜柱可以盤繞成小巻。
這樣，分子沿色譜柱行進(jìn)的速度取決于吸附的強(qiáng)度，而吸附強(qiáng)度又取決 于分子類型和色譜柱材料。由于各種分子具有不同的行進(jìn)速度，所以樣品材 料各組分隨著其沿色譜柱行進(jìn)而分離，從而在不同的時(shí)間到達(dá)色語(yǔ)柱的末 端。然后利用檢測(cè)裝置監(jiān)測(cè)色譜柱出口的分析物流(analyte stream),以確定 從色譜柱排出的分析物的量和分析物色譜柱所用的時(shí)間。然后可根據(jù)物質(zhì)從色譜柱排出的順序以及分析物在柱內(nèi)停留的時(shí)間 一般性地鑒定這些物質(zhì)。
然而不幸的是，從地下儲(chǔ)層取出地層流體至地面可能具有不利的后果。 例如，在石油流體樣品從高溫高壓的地層中抽出之后，必須將它們送至地面， 轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸容器中，并運(yùn)送到遠(yuǎn)處的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。與這些操作有關(guān)的溫 度和壓力變化會(huì)導(dǎo)致流體的改變， 一些改變是不可逆的。另外，壓力容器中 的泄漏和壓力容器之間的轉(zhuǎn)移還往往改變流體的組成。流體特性的這些顯著 的不可逆的變化，降低了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地層流體實(shí)際性質(zhì)的能力。
另 一個(gè)涉及從地下儲(chǔ)層取出地層流體至地面的不利后果是下列過(guò)程中
所涉及的時(shí)間和成本操縱取樣工具到達(dá)所關(guān)注的地層，取出該地層內(nèi)的流 體樣品，及在不影響流體組成完整性的情況下分析該流體樣品。 一種實(shí)現(xiàn)如 此分析流體樣品的方法包括利用不同的儀器設(shè)備保持地層流體樣品的壓力， 參見Massie等的美國(guó)專利5337822(1994)， Michaels等的美國(guó)專利5303775 (1994), Michaels等的美國(guó)專利5377755(1995),及Reinhardt的美國(guó)專利 6439307(2002),在此引入它們的全部作為參考。
一種實(shí)現(xiàn)所需地層流體分析又不危及流體組成完整性的方法包括利用 井下色譜技術(shù)對(duì)地層流體進(jìn)行井下表征，參見Pikington等的美國(guó)專利 4739654(1988)，及Storm和Richardson的PCT專利申請(qǐng)PCT/US01/40372 (2001)。這可通過(guò)將井下色譜儀布置在井筒中并將樣品流體引入到該色譜儀 中來(lái)完成，其中色譜儀可通過(guò)臍帶(即來(lái)自地面的點(diǎn)纜)、井下渦輪機(jī)/交流發(fā) 電機(jī)電源或電池裝置提供動(dòng)力。然后色譜儀會(huì)分析地層流體樣品的組成并將 結(jié)果傳輸至地面。然而不幸的是，現(xiàn)有的井下色鐠儀和色譜方法仍存在一些 問題。例如，盡管Pikington等的美國(guó)專利4739654(1988)宣稱其披露了一種 井下色譜技術(shù)，但是其中披露的方法和設(shè)備不能在油田實(shí)施，因?yàn)樗鼈兙哂?嚴(yán)重的缺陷，即處理氣體儲(chǔ)存和處置技術(shù)不足。
一個(gè)問題是載氣的處理。在常規(guī)的氣體色譜系統(tǒng)中，載氣是消耗品，通 常由高壓容器提供，允許其流經(jīng)色譜柱并排放到大氣中，其中氣體經(jīng)過(guò)色譜 柱的流速必須是恒定的，以產(chǎn)生可解釋的色譜圖。在實(shí)驗(yàn)室和其它地面系統(tǒng) 中，通過(guò)使沿色譜柱的壓力降j朱持恒定，確保通過(guò)色譜柱的恒定流速，其中 使用氣體調(diào)節(jié)器控制色譜柱高壓端的流送管內(nèi)壓力(flow line pressure),色譜 柱低壓端與環(huán)境大氣壓相通。不幸的是，這種載氣系統(tǒng)因?yàn)槿羟г虿贿m合 井下應(yīng)用。首先，目前不期望在電纜測(cè)井、隨鉆測(cè)井(LWD)或海底工具中使用消耗 性氣體，因?yàn)檫@需要將氣體輸送到工廠和倉(cāng)庫(kù)。而且，當(dāng)要求工具在遠(yuǎn)處例 如近海鉆井平臺(tái)(offshore platform)上進(jìn)行多項(xiàng)作業(yè)時(shí)，供貨的后勤保障變得 更加麻煩。其次，在不與大氣接觸的情況下， 一旦載氣經(jīng)過(guò)色譜柱，沒有無(wú) 限大的儲(chǔ)器對(duì)其進(jìn)行處置。再次，現(xiàn)有的系統(tǒng)和方法不能沿色譜柱保持恒定 的壓力梯度。
因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供能夠遠(yuǎn)程分析樣品的自含式色譜系統(tǒng)。 本發(fā)明的另 一 個(gè)目的是提供用于井下樣品分析的自含式色譜系統(tǒng)。本發(fā)明的 再一個(gè)目的是提供具有改進(jìn)的氣體處置系統(tǒng)(gas handling)的色鐠系統(tǒng)。此外， 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供在氣相色譜系統(tǒng)出口處具有改進(jìn)的壓力調(diào)節(jié)裝 置的色譜方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自含式色譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括色譜裝置，該色譜裝置用 于混合要分析的材料樣品與載氣，其中所述色譜裝置處理材料樣品與載氣的 混合物，以形成分析物流。另外，提供在第一系統(tǒng)壓力下盛裝載氣的載氣儲(chǔ) 罐，其中該載氣儲(chǔ)罐設(shè)置在色譜裝置的上游。此外，還提供分析物流處理裝 置，其中該分析物流處理裝置設(shè)置在色譜裝置的下游，以接收和處理第二系 統(tǒng)壓力下的分析物流，其中所述第一系統(tǒng)壓力大于所述第二系統(tǒng)壓力，進(jìn)而 使分析物流以所需的流速流經(jīng)色譜柱。
提供一種實(shí)施自含式色譜系統(tǒng)的方法，其中該自含式色譜系統(tǒng)包括色譜 柱、裝有載氣的載氣儲(chǔ)罐和分析物流處理裝置。載氣儲(chǔ)罐設(shè)置在色譜柱的上 游，分析物流處理裝置設(shè)置在色譜柱的下游。該方法還包括在色譜柱的上游 形成第一系統(tǒng)壓力，在色譜柱的下游形成第二系統(tǒng)壓力，使得第一系統(tǒng)壓力 和第二系統(tǒng)壓力之間存在壓力梯度，進(jìn)而使載氣以預(yù)定流速在載氣儲(chǔ)罐與分 析物流之間流動(dòng)。該方法還包括混合樣品材料和載氣，形成混合樣品，并將 該混合樣品引入到色譜柱，以形成分析物流，其中該混合樣品以預(yù)定流速經(jīng) 過(guò)色譜柱。該方法還包括以預(yù)定流速將分析物流引入到分析物流處理裝置， 并通過(guò)該分析物流處理裝置處理該分析物流。
還提供一種實(shí)施自含式色譜系統(tǒng)的方法，其中該自含式色譜系統(tǒng)包括裝 有載氣的載氣儲(chǔ)罐，且其中該載氣儲(chǔ)罐設(shè)置在色譜柱的上游。該方法包括混合樣品材料和載氣，形成混合樣品，并將該混合樣品引入到色譜柱以形成分 析物流。該方法還包括在色譜柱上游產(chǎn)生第一系統(tǒng)壓力，在色譜柱下游產(chǎn)生 第二系統(tǒng)壓力，使得第一系統(tǒng)壓力和第二系統(tǒng)壓力之間存在壓力梯度，進(jìn)而 使混合樣品以預(yù)定流速經(jīng)過(guò)色譜柱。而且，該方法包括處理以預(yù)定流速流經(jīng) 自含式色譜系統(tǒng)的分析物流。


結(jié)合附圖，通過(guò)隨后對(duì)示例性實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明，將更充分地理解本 發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)勢(shì)，在附圖中類似的要素以相同的標(biāo)記表示。
圖1為低溫金屬氫化物的氫等溫線特性的示意圖2為各種金屬氫化物的溫度和壓力構(gòu)成臺(tái)階的示意圖3為自含式色譜系統(tǒng)第一種實(shí)施方案的方框示意圖4為圖3所示自含式色鐠系統(tǒng)的方框示意圖5為自含式色譜系統(tǒng)第二種實(shí)施方案的方框示意圖6為圖5所示自含式色語(yǔ)系統(tǒng)的方框示意圖7為自含式色譜系統(tǒng)第三種實(shí)施方案的方框示意圖8為圖7所示自含式色譜系統(tǒng)的方框示意圖9為具有輔助空間(auxiliary volume)的圖7所示自含式色i普系統(tǒng)的方 框示意圖IO為自含式色譜系統(tǒng)第四實(shí)施方案的方框示意圖11為圖IO所示自含式色譜系統(tǒng)的方框示意圖12為具有輔助空間的圖IO所示自含式色譜系統(tǒng)的方框示意圖13為自含式色譜系統(tǒng)實(shí)施方法的方框示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，以上討論的缺點(diǎn)可通過(guò)能夠遠(yuǎn)程操作的自含式氣相色譜系 統(tǒng)(GCS)解決，該系統(tǒng)能夠使載氣保持所需的速度流經(jīng)GCS柱和/或充分地 處置流經(jīng)GCS柱的載氣。如本文所公開的，預(yù)期載氣保持所需的速度流經(jīng) GCS柱可通過(guò)多種方法和/或裝置實(shí)現(xiàn)，例如使用調(diào)壓器(pressure regulator)、 流量泵(flow punip)和/或"儲(chǔ)壓罐(pressure reservoir)"如恒溫金屬氬化物儲(chǔ)罐。 而且，如本文所7>開的，載氣流經(jīng)GCS柱之后的充分處理，可采用多種方法和/或裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如過(guò)濾器、廢料槽(wastevessel)、排出用過(guò)的載氣的 流動(dòng)管線和/或載氣純化裝置如氧化/電解裝置。
使載氣保持所需速度流經(jīng)GCS柱的方法之一可包括使用可由金屬氫化 物材料組成的"儲(chǔ)壓罐"或等壓(恒壓)容器，其中該容器可布置在色譜柱的上 游和/或下游?？梢允褂迷擃愋偷娜萜?，因?yàn)榻饘贇浠锊牧?儲(chǔ)氬密度高)容 易響應(yīng)很多因素如溫度和/或壓力而吸附和/或解吸氫。金屬氬化物通常為過(guò) 渡金屬和/或稀土金屬的合金，過(guò)渡金屬和/或稀土金屬形成氫含量連續(xù)變化 的化合物或多種化合物的混合物，所述氫含量通常稱作氬-金屬比例(H/M)， 并取決于與金屬氫化物材料接觸的氫氣的溫度和壓力。
所述吸附/解吸性質(zhì)可參見圖l,圖1顯示金屬氫化物材料的組成圖100, 所述金屬氫化物材料處在對(duì)于三個(gè)恒溫水平具有可變氬含量的環(huán)境中，其中 該組成圖100包括說(shuō)明壓力P對(duì)該環(huán)境中的金屬氫化物材料的氫-金屬比例 (H/M)的影響若干區(qū)域。如圖所示，根據(jù)氫-金屬比例(H/M)，將組成圖100 分為三個(gè)相區(qū)a相區(qū)、(a+P)相區(qū)和卩相區(qū)。
在a相區(qū)中，氫-金屬比例(H/M)較低。然而，隨著容器中氫氣壓力P升 高，金屬氫化物吸附氫氣，導(dǎo)致氫-金屬比例(H/M)增大。類似地，在卩相區(qū) 中，隨著向容器中充添氬氣，容器中的氫氣壓力P也升高，金屬氫化物材料 同樣吸附氫氣，使得氫-金屬比例(H/M)相應(yīng)地增大，如果不斷地向容器中充 添氫氣，則最終氫將占據(jù)金屬氫化物材料中每個(gè)可能的位置，此后不能夠再 吸附氫氣，氫-金屬比例(H/M)達(dá)到最大。
另一方面，在(a+p)相區(qū)中，盡管向容器中充添氫氣使得氬-金屬比例 (H/M)增大，但是金屬氫化物材料使容器內(nèi)保持恒定的氫氣壓力或平臺(tái)壓力 (plateau pressure),其中該平臺(tái)壓力的大小取決于容器的溫度和所用金屬氬化 物材料的類型。這樣，當(dāng)向容器中充添氫氣時(shí)，金屬氬化物材料通過(guò)不斷地 吸附氫氣，使容器內(nèi)繼續(xù)保持恒定的氣壓。相反，當(dāng)從容器中抽出氬氣時(shí)， 金屬氫化物材料通過(guò)不斷解吸氫氣，使容器內(nèi)保持恒定的氣壓。
眾所周知，氣相色譜系統(tǒng)的運(yùn)行需要已知的流速，保證該流速的一種方 法是控制氣相色譜柱上游和/或下游的壓力。因?yàn)榱魉儆袝r(shí)依據(jù)規(guī)定或受控的 程序改變或變化，這些壓力也可以改變的。改變與金屬氬化物接觸的氬氣的 壓力的方法之一是改變?nèi)萜鞯臏囟?。這是可行的，因?yàn)殡S著容器溫度的升高， 金屬氫化物相圖的平臺(tái)壓力移至更高的壓力，如圖2所示。因而，應(yīng)當(dāng)根據(jù)其溫度依賴的等壓線或平臺(tái)壓力，選擇用于上游和/或下游儲(chǔ)氣容器的金屬。 然而，盡管容易通過(guò)電阻加熱器使井下工具部件的溫度升至環(huán)境溫度以上， 但是使井下工具部件的溫度降至環(huán)境溫度以下則較為困難。因而，在預(yù)期最 高的環(huán)境溫度以上具有所需性質(zhì)的金屬氫化物，應(yīng)當(dāng)視為合適的備選材料。
例如，考慮必須在高達(dá)200。C的環(huán)境溫度下工作的井下氣相色譜系統(tǒng)，其中 色鐠的下游容器需要保持1大氣壓(0.1MPa)的恒定壓力。參考圖2，其示出 了各種金屬氫化物組成平臺(tái)的溫度和壓力，可以看出，LaNi3,5Al,.5在約210 °。時(shí)與O.lMPa的氫氣達(dá)到平衡。這樣，根據(jù)上述限制條件，LaNi3.5Al,.s是 用于下游容器的備選材料。
根據(jù)上述討論，可利用金屬氫化物材料在恒定溫度下于氫-金屬比例 (H/M)范圍內(nèi)保持恒壓的性質(zhì)，形成恒溫的等壓容器，該容器可用于在色譜 柱上游和/或下游保持所需壓力。參考圖3，其示出了自含式色語(yǔ)系統(tǒng)200的 第一實(shí)施方案，該系統(tǒng)在色語(yǔ)柱上游和/或下游保持恒定的載氣壓力，并且包 括用于以第一壓力P!容納載氣204的第一載氣儲(chǔ)罐202、調(diào)壓裝置206、氣 相色譜裝置208、第二載氣儲(chǔ)罐210、泵送裝置212和過(guò)濾裝置214，其中第 一載氣儲(chǔ)罐202包括第一載氣儲(chǔ)罐入口 216和第一載氣儲(chǔ)罐出口 218,其中 第二載氣儲(chǔ)罐210包括第二載氣儲(chǔ)罐入口 220和第二載氣儲(chǔ)罐出口 222。配 置自含式色譜系統(tǒng)200，使得第一載氣儲(chǔ)罐入口 220經(jīng)由調(diào)壓裝置206和氣 相色譜裝置208,與第二載氣儲(chǔ)罐入口 220流體連通，并使得第二載氣出口 222經(jīng)由泵送裝置212和過(guò)濾裝置214,與第一載氣儲(chǔ)罐入口 216流體連通。
參考圖4，氣相色譜裝置208可包括經(jīng)由色譜柱228與檢測(cè)裝置226流 體連通的注入裝置224。如圖所示，配置注入裝置224以接收要分析的樣品 材料230和來(lái)自第一載氣儲(chǔ)罐出口經(jīng)由調(diào)壓裝置206的栽氣204，載氣204 在注入裝置224內(nèi)形成第二壓力P2，其中第一壓力Pi大于第二壓力P2，使 得P!和P2之間的壓力梯度允許載氣204可控地流進(jìn)注入裝置224。應(yīng)當(dāng)理 解，調(diào)壓裝置206可為任選裝置，并且可以設(shè)置調(diào)壓裝置206，以更好地控 制通過(guò)色譜柱228的流速。然后可將混合的樣品材料230和載氣204引入到 色譜柱228，并通過(guò)檢測(cè)裝置226檢測(cè)來(lái)自色譜柱228的分析物流輸出Rf, 檢測(cè)裝置226產(chǎn)生響應(yīng)分析物流輸出Rf的數(shù)據(jù)?？梢耘渲脵z測(cè)裝置226和/ 或色譜柱228,以將分析物流輸出Rf經(jīng)第二載氣儲(chǔ)罐入口 220引入到第二載 氣儲(chǔ)罐210。應(yīng)當(dāng)理解，第二載氣儲(chǔ)罐210包括規(guī)定的金屬氫化物材料，其保持在響
應(yīng)該金屬氫化物材料的預(yù)定溫度下，以產(chǎn)生第三壓力p3,其中第三壓力p3
低于第二壓力P2，使得P2和P3之間的壓力梯度允許分析物流Rf可控地流經(jīng)
色譜柱228并流入第二載氣儲(chǔ)罐210。然后可操作泵送裝置212,以在泵送 裝置212和第一載氣儲(chǔ)罐202之間形成第四壓力P4，其中第四壓力P4大于
第一壓力Pp使得P4和P!之間的壓力梯度允許分析物流Rf可控地流經(jīng)過(guò)濾
裝置214,該過(guò)濾裝置214濾出并存留分析物流Rf的任何污染物和/或雜質(zhì)， 并允許剩余的載氣流入第一載氣儲(chǔ)罐202。
應(yīng)當(dāng)理解，第一載氣儲(chǔ)罐202和第二載氣儲(chǔ)罐210中的至少一個(gè)可為等 壓容器，該容器至少部分地包含一種能夠可控地吸附/解吸載氣(如氬氣)的材 料。此類材料可包括適于最終預(yù)期目的的任意材料和/或材料組合，例如金屬 氬化物材料粉體和/或燒結(jié)體。
可用于使載氣保持所需的速度通過(guò)色譜柱的另一種方法可包括使用氧 化池，該氧化池通過(guò)燃燒來(lái)自色譜柱的排出物(分析物和載氣如氫氣)使色譜 柱的下游端部保持低壓。例如，當(dāng)載氣為氬氣時(shí)，排出物基本由氪組成，燃 燒產(chǎn)物主要為水。因而，在燃燒過(guò)程中，分析物中的氬和碳分別氧化為水和 二氧化碳。另外，硫和氮的氧化物可能作為氣相污染物殘留下來(lái)，痕量金屬 如鎳和釩的氧化物可能作為固體殘留下來(lái)。然后可將固體過(guò)濾出來(lái)，可經(jīng)由 冷凝器將水從氣相中分離出來(lái)并泵送到電解池中，其中氧化池中可能殘留少 量污染氣體和固體。然后電解池將水分解為氫和氧，可采用標(biāo)準(zhǔn)的雙臂電解 池(two-arm electrolysis)分別采集氣態(tài)產(chǎn)物。然后可重復(fù)利用氫氣作為載氣， 可使氧氣返回氧化池，用于后續(xù)的氧化。
參考圖5，其中示出了自含式色譜系統(tǒng)300的第二實(shí)施方案，該系統(tǒng)在 色譜柱的上游和/或下游保持恒定的載氣壓力，并且包括以載氣儲(chǔ)罐壓力P, 容納載氣304的載氣儲(chǔ)罐302、調(diào)壓裝置306、氣相色譜裝置308、氧化/電 解裝置310和泵送裝置312，其中載氣儲(chǔ)罐302包括載氣儲(chǔ)罐入口 314和載 氣裝置出口 316,其中氧化/電解裝置310包括氧化/電解裝置入口 318和氧 化/電解裝置出口 320。構(gòu)建該自含式色譜系統(tǒng)300,使得第一載氣儲(chǔ)罐出口 316經(jīng)由調(diào)壓裝置306和氣相色譜裝置308，與氧化/電解裝置入口 318流體 連通，并使得氧化/電解裝置出口 320經(jīng)由泵送裝置312,與載氣儲(chǔ)罐入口 314 流體連通。參考圖6，氣相色譜裝置308可包括經(jīng)由色譜柱326與檢測(cè)裝置324流 體連通的注入裝置322。如圖所示，構(gòu)建注入裝置322，以接收要分析的樣 品材料328和來(lái)自載氣儲(chǔ)罐出口 316經(jīng)調(diào)壓裝置306的載氣304，其在注入 容器322內(nèi)形成第二壓力P2，其中第一壓力P,大于第二壓力P2，使得P,和 P2之間的壓力梯度允許載氣306可控地流經(jīng)調(diào)壓裝置306并流進(jìn)注入裝置 322。應(yīng)當(dāng)理解，調(diào)壓裝置306可為任選的裝置，并且可以設(shè)置調(diào)壓裝置306 以更好地控制通過(guò)色譜柱326的流速。然后可將混合的樣品材料328和載氣 304引入到色譜柱326,并通過(guò)檢測(cè)裝置324檢測(cè)色語(yǔ)柱326的分析物流輸 出Rf，檢測(cè)裝置324產(chǎn)生響應(yīng)分析物流輸出Rf的數(shù)據(jù)。可設(shè)置檢測(cè)裝置324 和/或色譜柱326，以將分析物流輸出Rf經(jīng)由氧化/電解裝置入口 318引入到 氧化/電解裝置310，其中氧化/電解裝置310可包括氧化池330，氧化池330 經(jīng)水泵334并經(jīng)氧氣返回路徑336與電解池332流體連通。
以與第一實(shí)施方案相似的方式，配置注入裝置322，以接收要分析的樣 品材料328和來(lái)自載氣儲(chǔ)罐出口 316經(jīng)由調(diào)壓裝置306的載氣304。在色譜
柱326下游形成第三壓力P3，其中P2大于P3，使得P2和P3之間的壓力梯度
允許分析物流通過(guò)檢測(cè)裝置324可控地流經(jīng)色譜柱326?？膳渲脵z測(cè)裝置324 和/或色譜柱326,以將分析物流輸出Rf經(jīng)由氧化/電解裝置入口 318引入到 氧化池330。
當(dāng)將分析物流輸出Rf引入到氧化池330時(shí)，分析物流Rf與氧化池330 內(nèi)包含的氧氣相互作用，引發(fā)氧化反應(yīng)，造成能量釋放(即燃燒)。這樣，分 析物流Rf中的氫和 碳分別被氧化成水和二氧化碳，同時(shí)還產(chǎn)生附加的固體物 質(zhì)如鎳和釩以及氣相污染物如硫和氮的氧化物。經(jīng)氧化池330內(nèi)的過(guò)濾裝置 將水從固體物質(zhì)中分離出來(lái)，并經(jīng)氧化池330內(nèi)的相分離裝置如冷凝器將水 從氣相污染物中分離出來(lái)，并經(jīng)由水泵334輸送水，使其流入電解池332。 少量固體物質(zhì)和污染氣體殘留在氧化池330的燃燒室中。然后使水分解為氫 和氧，并利用標(biāo)準(zhǔn)的雙臂電解池分別收集氫和氧。然后經(jīng)氧氣返回路徑336 將氧氣送回氧化池330,重復(fù)用于后續(xù)的氧化，然后可操作泵送裝置312， 以在泵送裝置312和載氣儲(chǔ)罐302之間形成第四壓力P4，其中第四壓力P4
大于第一壓力P,，使得P4和P!之間的壓力梯度允許回收的氫氣可控地從電
解池332流入載氣儲(chǔ)罐302中。
可用于使載氣保持所需的速度流經(jīng)色傳柱的另 一種方法包括使用泵送裝置、流動(dòng)控制裝置和過(guò)濾裝置，以保持沿色譜柱的壓力梯度并在色譜柱的 下游端部處理載氣。
參考圖7,自含式色譜系統(tǒng)400的第三實(shí)施方案示為"封閉"系統(tǒng)構(gòu)造， 該系統(tǒng)在色譜柱的上游和/或下游保持恒定的載氣壓力，并且包括以載氣儲(chǔ)罐 壓力P,容納載氣404的載氣儲(chǔ)罐402、調(diào)壓裝置406、氣相色譜裝置408、 流量控制器裝置410、泵送裝置412和過(guò)濾裝置414，其中載氣々者罐402包 括載氣儲(chǔ)罐入口 416和載氣儲(chǔ)罐出口 418，其中流量控制器裝置410包括流 量控制器裝置入口 420和流量控制器裝置出口 422。構(gòu)建自含式色譜系統(tǒng) 400，使得載氣儲(chǔ)罐出口 418經(jīng)由調(diào)壓裝置406和氣相色譜裝置408，與流量 控制器裝置入口 420流體連通，并使得流量控制器裝置出口 422經(jīng)由泵送裝 置412和過(guò)濾裝置414，與載氣儲(chǔ)罐入口 416流體連通。
參考圖8，色譜裝置408可包括經(jīng)由色譜柱428與檢測(cè)裝置426流體連 通的注入裝置424。如圖所示，設(shè)置注入裝置424，以接收要分析的樣品材 料430和來(lái)自載氣儲(chǔ)罐出口 418經(jīng)調(diào)壓裝置406的載氣404,其在注入裝置 424內(nèi)形成第二壓力P2，其中第一壓力P,大于第二壓力P2，使得P,和P2之 間的壓力梯度允許載氣404可控地流經(jīng)調(diào)壓裝置406并流進(jìn)注入裝置424。 應(yīng)當(dāng)理解，調(diào)壓裝置406可為任選的裝置，可設(shè)置調(diào)壓裝置406以更好地控 制通過(guò)色譜柱428的流速。然后將混合的樣品材料430和載氣404引入到色 譜柱42S，運(yùn)行流量控制器裝置410，以在色譜柱428下游形成第三壓力P3， 其中P2大于P3,使得P2和P3之間的壓力梯度允許分析物流通過(guò)檢測(cè)裝置426 可控地流經(jīng)色譜柱428，并流入流量控制器裝置410。然后可運(yùn)行泵送裝置
412,以形成第四壓力P4，其中第四壓力P4大于第一壓力Pl5使得P4和P,
之間的壓力梯度允許分析物流Rf可控地流經(jīng)過(guò)濾裝置414，過(guò)濾裝置414通 過(guò)濾出并留存分析物流Rf中的任何污染物和/或雜質(zhì)來(lái)回收載氣404,并將 載氣404導(dǎo)入到載氣儲(chǔ)罐402以備重復(fù)利用，其中所述任何雜質(zhì)殘留在過(guò)濾 裝置414中。
參考圖9，應(yīng)當(dāng)理解的是，還可以提供輔助儲(chǔ)罐460，并將其布置在流 量控制器裝置410與泵送裝置412之間作為緩沖裝置(damping device)以提高 流速的穩(wěn)定性。而且，可以響應(yīng)色譜柱428和/或檢測(cè)裝置428的配置的方式 選擇流量控制器裝置410和/或色譜柱流速，使得即使流量控制器裝置410 下游壓力改變，仍將保持所需的流速通過(guò)色譜柱428。參考圖10,自含式色譜系統(tǒng)500的第四實(shí)施方案示為"開放，，系統(tǒng)構(gòu)造， 該系統(tǒng)在色譜柱的上游和/或下游保持恒定的載氣壓力，并且包括以載氣儲(chǔ)罐 壓力P,容納載氣504的載氣儲(chǔ)罐502、調(diào)壓裝置506、氣相色譜裝置508、 流量控制器裝置510、泵送裝置512和廢料槽514，其中廢氣可以壓縮并儲(chǔ) 存在廢料槽514中也可以排放到系統(tǒng)516的外部。載氣儲(chǔ)罐502包括載氣儲(chǔ) 罐出口 518，流量控制器裝置510包括流量控制器裝置入口 520和流量控制 器裝置出口 522。配置自含式色譜系統(tǒng)500，使得載氣儲(chǔ)罐出口 518經(jīng)由調(diào) 壓裝置506和氣相色語(yǔ)裝置508,與流量控制器裝置入口 520流體連通，并 使得流量控制器裝置出口 522與廢料槽514和/或氣流線516流體連通。
參考圖11,氣相色譜裝置508可包括經(jīng)由色譜柱528與檢測(cè)裝置526 流體連通的注入裝置524。如圖所示，設(shè)置注入裝置524,以接收要分析的 樣品材料530和來(lái)自載氣儲(chǔ)罐出口 518經(jīng)調(diào)壓裝置506的載氣504,其在注 入裝置524內(nèi)形成第二壓力P2,其中第一壓力P,大于第二壓力P2，使得P, 和P2之間的壓力梯度允許載氣可控地流經(jīng)調(diào)壓裝置506并流進(jìn)注入裝置 524。應(yīng)當(dāng)理解，調(diào)壓裝置506可為任選的裝置，設(shè)置調(diào)壓裝置506可更好 地控制通過(guò)色譜柱528的流速。然后可將混合的樣品材料530和載氣504引 入到色譜柱528，可運(yùn)行流量控制器裝置510，以在色譜柱528下游形成第
三壓力Ps,其中P2大于P3，使得P2和P3之間的壓力梯度允許分析物流可控
地流出色譜柱528,經(jīng)過(guò)檢測(cè)裝置526進(jìn)入流量控制器裝置510?？蛇\(yùn)行泵 送裝置512以形成第四壓力P4，其中第四壓力P4大于第三壓力P3，使得P4 和P3之間的壓力梯度允許分析物流Rf可控地流入廢料槽514和/或氣流線 516。
如第一實(shí)施方案那樣并參考圖12，可設(shè)置輔助儲(chǔ)罐560并置于流量控 制器裝置510和流量泵512之間作為緩沖裝置以改善流速的穩(wěn)定性。另外， 可以相對(duì)于色譜柱528和/或檢測(cè)裝置526的配置的方式選擇流量控制器裝置 510和/或色譜柱流速，使得即使流量控制器裝置510下游壓力改變，仍保持 所需的流速通過(guò)色譜柱528 。
應(yīng)當(dāng)理解的是，自含式色譜系統(tǒng)200或300根據(jù)需要可分別包括或不包 括泵送裝置212或312，其中可通過(guò)適于最終預(yù)期目的的任意方法和/或裝置 將載氣導(dǎo)入載氣儲(chǔ)罐202或302。例如，在自含式色譜系統(tǒng)200的第一實(shí)施 方案中，在測(cè)量過(guò)程中氫可積聚在容器210中達(dá)到壓力P3。完成一個(gè)或多個(gè)測(cè)量之后，可升高金屬氫化物的溫度以形成壓力P4?？稍谌萜?10的上游設(shè) 置閥門，以防止容器210的溫度和壓力升高時(shí)氣體回流通過(guò)色譜柱228。因 而不需要泵212形成壓力P4。
作為另一實(shí)例，在自含式色譜系統(tǒng)300的第二實(shí)施方案中，如果省略泵 送裝置312，則可通過(guò)操作壓力為Pi的電解池332將載氣導(dǎo)入載氣儲(chǔ)罐302。
參考圖13，示出了示例自含式色鐠系統(tǒng)200、 300、 400、 500實(shí)施方法 600的方框圖。自含式色i普系統(tǒng)200、 300、 400、 500包括色鐠柱228、 326、 428、 528，容納載氣204、 304、 404、 504的載氣儲(chǔ)罐202、 302、 402、 502， 以及分析物流處理裝置210、 310、 410、 510,其中載氣儲(chǔ)罐202、 302、 402、 502設(shè)置在色鐠柱228、 326、 428、 528的上游，其中分析物流處理裝置210、 310、 410、 510設(shè)置在色譜柱228、 326、 428、 528的下游。如操作方框602 所述，該方法600包括在色譜柱228、 326、 428、 528的上游形成第一系統(tǒng) 壓力，和在色譜柱228、 326、 428、 528的下游形成第二系統(tǒng)壓力。第一系 統(tǒng)壓力和第二系統(tǒng)壓力之間存在壓力梯度，從而使得載氣204、 304、 404、 504在載氣儲(chǔ)罐202、 302、 402、 502和分析物流處理裝置210、 310、 410、 510之間以可控以及預(yù)定的流速流動(dòng)。
如操作方框604所示，該方法600還包括組合材料230、 328、 430、 530 和載氣204、 304、 404、 504,從而形成混合樣品。如纟喿作方框606所示，然 后將混合的樣品引入色譜柱228、 326、 428、 528，從而形成分析物流，其中 混合樣品以預(yù)定的流速經(jīng)過(guò)色譜柱228、 326、 428、 528。然后如操作方框 608所示可將分析物流引入分析物流處理裝置210、 310、 410、 510,并如操: 作方框610所示經(jīng)由分析流物流處理裝置210、 310、 410、 510處理分析物 流。應(yīng)當(dāng)理解的是，處理可包括分析物流加壓、提純和/或處置中的至少一種。
盡管參考示范性實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可作出各種改變并可以等同物代 替本發(fā)明的要素。另外，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可作出各種改進(jìn)以 使具體情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因而，本發(fā)明不限于所披露的預(yù)期為 實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的具體實(shí)施方案，而是包括落在所附權(quán)利要求內(nèi)的所 有實(shí)施方案。另外，除非特別規(guī)定，使用術(shù)語(yǔ)第一、第二等不表示任何順序 或重要性，而是用于區(qū)別一個(gè)要素與另一個(gè)要素。
權(quán)利要求
1. 一種自含式色譜系統(tǒng)，包括色譜裝置，用于混合要分析的材料樣品和載氣，其中所述色譜裝置處理所述材料樣品和所述載氣的組合以形成分析流物流；載氣儲(chǔ)罐，用于在第一系統(tǒng)壓力下容納所述載氣，其中所述載氣儲(chǔ)罐設(shè)置在所述色譜裝置的上游；和分析物流處理裝置，其中所述分析物流處理裝置設(shè)置在所述色譜裝置的下游，以在第二系統(tǒng)壓力下接收和處理所述分析物流，所述第一系統(tǒng)壓力大于所述第二系統(tǒng)壓力，以使所述分析物流以所需的流速流經(jīng)所述色譜柱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括至少一個(gè)儲(chǔ)壓罐，其中所述儲(chǔ)壓罐至少部分地由設(shè)置在預(yù)定溫度的金屬氫 化物材料組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色鐠系統(tǒng)，其中所述載氣通過(guò)所述載氣儲(chǔ) 罐與至少一個(gè)儲(chǔ)壓罐之間的壓力差返回所述載氣儲(chǔ)罐。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，還包括布置在所述色譜系統(tǒng)內(nèi) 以穩(wěn)定所述流速的輔助儲(chǔ)罐。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，還包括布置在所述色譜柱的上 游位置和下游位置中至少一個(gè)位置的至少一個(gè)調(diào)壓裝置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，還包括布置在所述色譜柱的上 游位置和下游位置中至少一個(gè)位置的至少一個(gè)泵送裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括廢料槽。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色鐠系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置從 該自含式色譜系統(tǒng)中排出分析物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括至少一個(gè)過(guò)濾裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括用于保持低的下游壓力的連通的氧化池。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括電解池，以再生所述載氣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述分析物流處理裝置包 括經(jīng)由第一泵送裝置與電解池連通的氧化池，所述電解池還經(jīng)由氧氣傳輸管 與所述氧化池連通，以使氧氣在所述電解池與所述氧化池之間傳輸。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的自含式色譜系統(tǒng)，其中所述電解池還經(jīng)由第二 泵送裝置與所述載氣儲(chǔ)罐連通，以使氫氣在所述電解池與所述載氣儲(chǔ)罐之間 傳輸。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的自含式色鐠系統(tǒng)，其中所述電解池還與所述載 氣儲(chǔ)罐連通，且其中所述載氣通過(guò)所述載氣儲(chǔ)罐與所述電解池之間的壓力差 返回所述載氣儲(chǔ)罐。
15. —種實(shí)施自含式色譜系統(tǒng)的方法，其中該自含式色譜系統(tǒng)包括色譜 柱、含有載氣的載氣儲(chǔ)罐和分析物流處理裝置，所述載氣儲(chǔ)罐布置在所述色 譜柱的上游，所述分析物流處理裝置布置在所述色譜柱的下游，該方法包括在所述色譜柱的上游產(chǎn)生第一系統(tǒng)壓力和在所述色譜柱的下游產(chǎn)生第 二系統(tǒng)壓力，使得在所述第 一 系統(tǒng)壓力與所述第二系統(tǒng)壓力之間存在壓力梯 度，從而使所述載氣在所述載氣儲(chǔ)罐與所述分析物流處理裝置之間以預(yù)定的 流速流動(dòng)；混合樣品材料與所述載氣，形成混合樣品，并將該混合樣品引入到所述 色譜柱，形成分析物流，其中所述混合樣品以所述預(yù)定的流速經(jīng)過(guò)所述色譜 柱；以所述預(yù)定的流速，將所述分析物流引入到所述分析物流處理裝置；和 通過(guò)所述分析物流處理裝置處理所述分析物流。
16. 權(quán)利要求15的方法，還包括在所述色譜柱的上游位置和下游位置 中的至少 一個(gè)位置調(diào)節(jié)所述流速。
17. 權(quán)利要求15的方法，其中所述第一系統(tǒng)壓力和所述第二系統(tǒng)壓力 中至少有一個(gè)是通過(guò)至少一個(gè)泵送系統(tǒng)產(chǎn)生的。
18. 權(quán)利要求15的方法，其中所述處理包括利用至少一個(gè)儲(chǔ)壓罐產(chǎn)生 所述第一系統(tǒng)壓力和所述第二系統(tǒng)壓力中的至少一個(gè)壓力，其中該至少一個(gè) 儲(chǔ)壓罐包含設(shè)置在預(yù)定溫度下的金屬氫化物材料。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中所述預(yù)定溫度響應(yīng)所述金屬氫化物材料 的等壓性質(zhì)。
20. 權(quán)利要求15的方法，其中所述處理還包括處理所述分析物流，以從所述分析物流中分離出所述載氣。
21. 權(quán)利要求15的方法，其中所述處理還包括利用至少一個(gè)過(guò)濾裝置 從所述分析物流中分離出所述載氣。
22. 權(quán)利要求15的方法，其中所述處理還包括將所述分析物流引入到 氧化池，其中所述分析物流通過(guò)氧化進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生包括水的氧化產(chǎn)物。
23. 權(quán)利要求22的方法，其中所述處理還包括將所述水從所述氧化產(chǎn) 物中分離出來(lái)并將所述水引入到電解池中，其中所述水經(jīng)過(guò)電解產(chǎn)生氫氣和 氧氣。
24. 權(quán)利要求23的方法，其中所述處理還包括將該氧氣再次引入到所 述氧化池，及將該氪氣再次引入到所述載氣儲(chǔ)罐。
25. 權(quán)利要求15的方法，其中所述處理還包括下述中的至少一個(gè)步驟 將所述分析物流貯存在廢料槽中，及將所述分析物流^v所述自含式色譜系統(tǒng) 中排出。
26. —種實(shí)施自含式色譜系統(tǒng)的方法，其中該自含式色譜系統(tǒng)包括含有 載氣的載氣儲(chǔ)罐，其中該載氣儲(chǔ)罐布置在色譜柱的上游，該方法包括混合樣品材料和所述載氣，產(chǎn)生混合樣品，并將該混合樣品引入到所述 色語(yǔ)柱，產(chǎn)生分析物流；在所述色譜柱的上游形成第 一 系統(tǒng)壓力和在所述色語(yǔ)柱的下游形成第 二系統(tǒng)壓力，使得該第一系統(tǒng)壓力和第二系統(tǒng)壓力之間存在壓力差，從而使 所述混合樣品以預(yù)定的流速經(jīng)過(guò)所述色譜柱；和處理所述分析物流，使之以所述預(yù)定的流速流經(jīng)該自含式色譜系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自含式色譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括色譜柱、裝有載氣的載氣儲(chǔ)罐和分析物流處理裝置，其中載氣儲(chǔ)罐位于色譜柱的上游，分析物流處理裝置位于色譜柱的下游。本發(fā)明還提供一種實(shí)施自含式色譜系統(tǒng)的方法，該方法包括在色譜柱的上游形成第一系統(tǒng)壓力和在色譜柱的下游形成第二系統(tǒng)壓力，以使載氣在載氣儲(chǔ)罐與分析物流處理裝置之間流動(dòng)。該方法還包括混合樣品材料和載氣，將混合的樣品引入色譜柱以形成分析物流，及通過(guò)分析物流處理裝置處理分析物流。
文檔編號(hào)B01D53/00GK101421612SQ200680052488
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者尼爾·W·博斯特羅姆, 羅伯特·L·克萊因伯格 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司