气体压力和流量的控制

气体压力和流量的控制一、概述在气相色谱仪中，载气起着推动试样在色谱柱中运动和为试样在色谱相中提供流动相的作用，因此气路系统在色谱仪中是一个供载气连续运动系统，系统的密封性、阻力变化、载气的流速、压力波动等都将对仪器稳定性、定性和定量分析结果产生很大影响。另外辅助气路流量的稳定性也会对检测器灵敏度和基线稳定性有直接影响。实验表明载气流速每波动1%，组分的保留时间变化通常要大于1秒，因此，在气相色谱仪中，载气和辅助气必须精密控制与调节，为此现代气相色谱仪的载气气路和辅助气路在设计应满足以下几条：0.气路安排应即实用又简单，以减少漏气的几率；0.有良好长久的密封性能；0.用于气路中的器材、部件干净程度必须满足色谱分析要求。为提高不同类气体的纯净度，在气路系统中应具备有多种用途的过滤器；0.为提高定性精度，减少环境温度波动对气流的影响，气路控制部分最好能在恒温条件下工作；0.压力表的精度（特别是在毛细管分析系统）应足够高；0.流速的调节要细微、精确、重复性好。对TCD、FID、ECD、FPD等常用检测器，应能方便准确地测量流速；0.为实现反吹，多柱切换及检测器的串并联等多维色谱操作，气路中应考虑安排有，各种使用温度范围的切换阀，如：四、六、八、十、十二通阀等；1.为适应在低于环境温度以下工作，仪器应备有制冷剂（液氮和CO2等）的控制系统；0.为适应多功能多检测器的需要，气路中多种气路压力流量控制部件应具备有开关阀、稳压阀、稳流阀、针型阀、分流阀、单向阀、电磁阀及背压阀等。且通过简单的组合、排列就能适应不同柱或检测器的需要；0.为了不断提高仪器自动化和数字化以及实现微计算机控制，以实现压力、流量、线速度编成等在有条件时气路中应安装EPC控制系统；虽然以上各点对于一台多功能和高指标的气相色谱仪是非常重要的，但并不要求每一台色谱仪不论性能高低和应用场合都应具备，对于不同用途的仪器，还需根据具体情况安排。气路压力、流速控制部件的安排可以千变万化，但流速都是通过调节气阻和压力来实现的。气路中气体流速、压力、和气阻的关系式是：P1---P2F2∽—————R′式中：F---流过气阻的气体的平均流速P1、P2----气阻两端压力R′----气阻其中，气阻R除和本身结构有关外，还随气体的性质及气体流动类型而变化。在气动控制中，气体的压力与流速的关系虽然和电子学中的概念相似（如电压-气压电阻-气阻电容-气容流量-电流等），但它没有电学中，欧姆定律那样简单的线性关系，因此，在实际使用时，很难通过用公式计算流速、压力，而必须实测确定。虽然压力和流速的稳定性，对分析定性保留时间和定量的峰高（峰面积）以及仪器的稳定性有直接影响，但由于色谱分析的参数多重性，对于不同分析情况至今未能给出具体数值要求，一般讲，浓度型比质量型要求高；毛细管分析比填充柱高；程序升温比恒温分析要求高，总之，一个优良的气路，压力与流速的稳定性应优于0.5~1%。二．气体在气相色谱仪中的作用1．载气在气相色谱仪中的作用⑴在色谱分离过程中，推动样品组分在色谱柱中运动的动力；⑵参与样品组分的分离，不同载气（N2、He、H2）性质不同，影响组分分离度也有很大不同；⑶依据检测器工作原理不同，参与检测器将组分量（浓度和质量）转换成电信号作用程度也不同，如TCD灵敏度要求组分与载气的热传导系数相差越大灵敏度越高；FID中载气分子降低电离过程中电子能量，以减小复合效率而提高灵敏度等；⑷提供检测器电离电流的单一气体或混合气体的需要，如：ECD要求氦（氩）+甲烷、脉冲放电PID要求载气氩中添加氪或氙气等；2.气相色谱仪中辅助气的作用⑴尾吹气的作用a.在毛细管分析中，一般载气每分钟仅1~几毫升，为了减小柱出口到检测器这一段的柱外效应，要在柱出口填加几十毫升/分的补充气，有利于防止组分峰的扩散提高分辨率；b.不同工作原理的检测器，为达到最佳的工作状态，要求的尾吹气种类和大小不同，如：FID为达到最佳灵敏度和稳定性需要有一合适的氮、氢、空气比；为了减小ECD响应时间大的不利影响，流过ECD池的流量需加补充气，且应足够大等；⑵参与建立不同检测器稳定的电离电源FID氢气、空气和载气（N2,HE）按一定比例形成富氧焰；FPD用上述三种气按比例形成富氢焰；NPD碱珠在一定的氢和空气气氛中形成含磷、含氮化合物的高电离效率等；⑶提供被分析组分转化过程的需要，如CO、CO2转化成甲烷，必须通氢气；加大某种辅助气流量，以便携带被分析组分或产物尽快排离检测器等；三．气相色谱仪中常用的阀类：主要有：开关阀、针型阀|、稳压阀、背压稳压阀、稳流阀、单向阀、各种组合阀、EPC调压阀、EPC调流阀、电磁阀和各种切换阀等；另外：虽然阀的作原理相同但结构存在很大不同。四．气阻气阻气阻是一种使气体流通截面突然变小的器件。当气体流过时，气体分子和管壁分子之间相互碰撞，摩擦加大，损耗很大的能量（包括气压-势能损耗流速-动能损耗）而表现出阻力作用。在GC中，常用毛细管气阻，用毛细管作固定气阻时优点较多⑴装在稳压阀后，稳定输出压力，提高输出压力，使其工作在稳压精度较高的范围内；⑵只要气阻足够大，调节流速细微而且稳定；⑶毛细管气阻特性比较稳定，且压力与流速关系比较接近线性；下表出了一定毛细管气阻时，压力与流速的关系。毛细管尺寸：外径0.5mm内经0.3mm长500mm流过气体N2出口大气压压力Mpa0.080.10.120.140.160.18流速ml/min416888105127150毛细管气阻常用管内径0.2~0.3mm，当直径小于0.2mm因易堵塞较少用。长度取决于所通过的气体性质和要求的阻力大小，如在氢气供给中，采用内经为0.3毫米，长度为500毫米毛细管，在0.05Mpa压力下，可以得到50ml/min左右的稳定流速。毛细管固定气阻选择内经大一些，长一些效果较好。气阻使用前，要用高压液体清洗干净，使用中严防灰尘和机械杂质压进管内，否则流速不稳或被堵死。六.针型阀在气路中使用针型阀的目的是为了细微地均匀调节流速。在恒温分析中直接装在稳压阀后调节；在程序升温分析中把它设计在稳流阀中。对针型阀的主要技术要求：（1）气密性：通常在4~6Mpa压力下不漏气；（2）流量的调节范围：0~几百ml/min；（3）流量调节线性平稳、不跳动；（4）调节细、精度高、最小增量应∠0.5毫升/分；针型阀工作原理实质上是一个手动可变电阻，既靠螺丝旋转使阀针沿轴向前后移动，改变阀针与阀座间的环形流通面积（气阻）来调节流速。针型阀的调节特性主要依赖阀针的锥度和斜面的加工精度，通常斜面比锥面更难加工。调节粗细，主要看阀针的直径和斜度，直径小对精细调节有力，但加工困难，易变形和折断，常用直径为1~2毫米，锥度为2度左右。为了调节得更细，还可减小阀杆螺距至0.2毫米以下或采用差动螺纹调节。检查阀的调节均匀性可在仪器上通过测量阀杆每旋转一圈时流量的变化量的稳定度来衡量。针阀在使用中应注意的事项：（1）分清进出气口。应使气体首先通过气阻，从阀杆处流向低压端，有利于密封；（2）要严防水、灰尘等机械杂质进入工作间隙，否则会使气流不稳或失调，通常在入口安装20µm孔径的金属粉末烧结过滤器；（3）阀针不要向关紧方向旋得太多或关死，以防长期不用时针与座咬合；（4）发现锥形针阀的调节流速忽大忽小时，应清洗阀针与座。如发现锥面磨损，可重新研磨；（5）阀杆漏气可以更换密封垫圈。在一般分析中允许在阀杆与密封垫圈处涂抹一层高温硅脂，但不得涂一般的真空油酯和其他油脂；（6）针型阀只能调节气阻大小，并不能稳定压力，要想得到稳定的流速，针阀输入压力必须稳定，因此针型阀应接在稳压阀后面使用。七.稳压阀稳压阀又称压力调节器，它是一种气动式控制器，它无需外界供给能源，而靠工作介质本身的能量工作。当气源压力或输出流量波动时，阀能输出恒定压力。稳压阀在气相色谱仪的气路中主要有三种用途：a.为针型阀提供稳定的气压，保证针型阀精密调节流速；b.接在稳流阀前，提供恒定的参考压力，保证其正常工作；c.接在有毛细管气阻气路中，由毛细管提供固定的输出电阻，调节输出压力，从而获得需要的流速，这样控制流速简单、稳定、可靠，它比针阀调节细，如在NPD中的氢气调节气路，只要适当选择气阻，就可以使流速精确地调节在3±0.1ml/min之内；d.在毛细管柱进样分析时，调节供给载气柱前压等。（1）稳压阀典型性能指标最大输入压力：0.6Mpa最小输入压力：输出气压加0.05Mpa，流速∠500ml/分；输出气压加0.1Mpa流速＞500ml/min；输出压力范围：通常0.03~0.45Mpa；输出流量范围：通常0~2000ml/min；输出压力特性：输入气压在最小输入压力至0.6Mpa之间变化时，输出压力波动的绝对值≤0.003Mpa；；输出流量特性：输出压力0.03~0.45Mpa，流量从50ml/min增加到150ml/min，输出压力波动的绝对值≤0.003Mpa；气密性：在输入压力为0.6Mpa，阀各处不漏气；（2）阀的工作原理稳压阀的工作原理是依据力平衡原理，自动调节气阻（如蝶阀）使输出气压恒定。当输入气压增加时，蝶阀的开度减小，气阻增加，使蝶阀处的压降增量正好等于输入波动增量，保持输出气压恒定。输入气源气压减小时，蝶阀的开度增加，气阻减少，蝶阀处压降相应减小，保持输出气压恒定。当负载气阻增加（或减小时），蝶阀的气阻也相应减小（或增加）以保持输出气压恒定。使用稳压阀的主要目的是希望当气源压力或输出流量波动时，阀的输出压力保持恒定，因此，压力特性和流量特性是衡量稳压阀性能的主要指标。除压力与流量特性外，衡量稳压阀性能的还有调节重复性、时间稳定性、温度稳定性、抗震性以及不可控流量大小等指标。这些指标除和设计水平、弹性元件材料、弹簧加工精度、处理方法等有关外，还和装配技术有很大关系。另外有关温度影响试验表明，当温度变化10℃，不同材料的膜片阀输出可波动0.004Mpa；为克服温度的不良影响，可将阀恒温使用。（3）稳压阀使用中应注意的事项①输入气压必须无水、无腐蚀、无机械杂质。如前所述，不论哪种气阻，工作间隙都很小，任何杂质的沉积，都会影响工作特性。通常稳压阀入口都应安装金属粉末烧结的过滤器；②稳压阀出口不能放空（指通大气），因这时输出压力为零，各弹性元件的特性最不稳定，即输出也不稳定，所以稳压阀一定要有足够的阻力，阻力大小视要求而定，如FID氢气的供给气路中所选择的气阻，应能使流速从20~100ml/min变化，对应输出压力0.05~0.2Mpa变化比较合适；③保证稳压阀的输入输出压差≥0.05Mpa。实验表明，稳压阀的前后压降选择高一些（如0.15Mpa；以上）可提高输出稳定性；④稳压阀输出压力不应调到超过输出最大值，虽然也能工作，但会造成弹簧并圈，失去弹簧自动调节能力或减少寿命；①稳压阀长期不用，应把调节旋钮放松，免得调节弹簧长期被压，疲劳失效；②根据不同结构，判断能否当开关阀使用，对不具有开关功能的稳压阀，要在气路中增加关闭阀，严防在氢气气路中不可控流速太大，造成危险。（4）稳压阀一般故障排除表3-7稳压阀一般固障排除现象可能原因排除方法不稳定①输入压力太低①阀门间隙处太脏①大弹簧失效①超过最大输出压力0提高输入压力0清洗0更换0调回到允许工作压力之内阀关不死①不可控流量允许不大于2ml/min①调节气阻处有灰尘或机械杂质①密封小弹簧失效①调节气阻的密封垫圈损坏0正常0清除0更换0更换输出压力调不上去①输出管路有大漏气①输出气输阻太小0重新检漏0适当增加稳压阀不能调节①进出气口接反①调节气阻、阀座损坏①阀座密封不良①输入太低0重接0更换阀座0重装0增加输入压力流速调不上去气阻太大（如色谱柱太长使用温度太高）更换输出压力高的稳压阀八.稳流阀在恒温分析中，色谱柱的阻力恒定不变时，可以通过稳压阀或稳压阀加针型阀配合，调节载气流速，载气流速太小可用柱前压表示，它在分析过程中保持不变。但在程序升温分析过程中，柱温按一定程序温度不断增加，气体的粘度也不断变大，柱中固定相的阻力也随之增加，若这时柱前压不变化，根据压力、气阻和流速的关系，