7.3. Влияние скорости потока газа-носителя на эффективность капиллярных колонок

При переходе от насадочных колонок к капиллярным, вследствие изменения характера внутреннего пространства, претерпевают изменения и представления Ван-Деемтера.

Теория процесса разделения веществ в капиллярных колонках разработана М. Голеем (США, 1957 г.) из следующих предположений:

• размывание зоны вещества в колонке происходит только вследствие процессов диффузии в потоке газа-носителя;

• в хроматографической колонке реализуется только ламинарный характер течения газа-носителя по колонке;

• неподвижная жидкая фаза зафиксирована на внутренней стенке капилляра в виде гомогенной жидкой пленки.

Развернутая форма уравнения Голея записывается

, (44)

в котором r – радиус капиллярной колонки.

В общем виде уравнение Голея записывается:

. (45)

Если принять, что С_g >> C_l, то можно рассчитать значение h_min

. (46)

Из приведенного уравнения следует, что величина h_min пропорциональна радиусу капилляра и является функцией коэффициента емкости колонки.

Для несорбирующегося компонента (k = 0) h_min = 0.58 r, для компонента с величиной k > 100 h_min = 1.9 r.

Исходя из того же допущения, что С_g >> C_l, можно рассчитать и величину оптимальной скорости потока газа-носителя

. (47)

Видно, что с уменьшением радиуса капилляра оптимальная скорость газа-носителя возрастает пропорционально коэффициенту диффузии исследуемого соединения в газе-носителе и величине коэффициента емкости колонки.

Для несорбирующегося компонента с k = 0 численное значение оптимальной скорости потока газаносителя рассчитывается по соотношению

u_опт = 6.9 , а для компонента сk = 100 u_опт = 2.1 .

Графическая зависимость высоты эквивалентной теоретической тарелки от скорости потока газа-носителя, при его ламинарном течении, аналогична, как и для насадочных колонок.

На рис. 19 а представлено влияние величины внутреннего диаметра капиллярной колонки, а на рис. 19 б  влияние величины коэффициента емкости капиллярной колонки к исследуемому соединению на ее эффективность.

Рис. 19. График зависимости высоты тарелки от линейной скорости газа-носителя для полой капиллярной колонки (н-гексан, газ-носитель – гелий):

a – влияние внутреннего диаметра колонки (k = 1): 1d_c = 0,1 mm; 2–d_c = 0,25 mm; 3 – d_c = 0,5 mm; б – влияние коэффициента емкости колонки (d_c=0,25 mm):1 – k = 0; 2 – k = 1; 3 – k = 2; 4 – k = 5; 5 – k = 10

Однако дальнейшее увеличение объемной скорости потока газа-носителя приводит к изменению характера течения – ламинарное течение сменяется турбулентным, для которого характерны внезапные локальные изменения скорости, изменение направления движения потока, изменение величины давления.

Обычно тип течения жидкости определяется величиной критерия Рейнольдса “Re”, определяемого из соотношения:

, (48)

где u  линейная скорость потока газа-носителя; r  радиус капилляра;v  кинематическая вязкость газа-носителя.

Графическая зависимость высоты эквивалентной теоретической тарелки от величины критерия Рейнольдса приведена на рис.20.

Рис. 20. Зависимость высоты эквивалентной теоретической тарелки от величины критерия Рейнольдса:

а – область ламинарного течения, б – область турбулентного течения потока газа-носителя

Для капиллярных колонок оптимальная практическая линейная скорость потока газа-носителя лежит в области от 3 до 8 м/мин.