在线分析仪器及分析系统设计与应用技术

(2)控制器
控制器的功能包括:炉温控制，进样、柱切和流路 切换系统的程控，对检测器信号进行放大处理和 数值计算。本机显示操作和信号输出，与DCS通 信等。
(3)采样单元
包括样品处理、流路切换、大气平衡部件等，这里 所说的样品处理,是色谱仪内部对样品进行一些简 单的流量、压力调节和过滤处理。如果样品含尘、 含水量较大，或含有对分析器有害的组分，则需另 设取样样品处理系统预先加以处理。
对含有硫和磷的化合物灵敏度高，选择性好，比 FID高3~4个数量级。其原理是:在H2火焰燃烧时， 含硫物发出特征光谱，波长为394nm，含磷物为 526nm，经干涉滤光片滤波，用光电倍增管测定 此光强，可得知硫和磷的含量。其测量范围在 1ppm~O. 1%之间。
电子捕获检测器(ECD)
载气(N2)分子在H3或Ni63等辐射源所产生的β 粒子的作用下离子化，在电场中形成稳定的基流， 当含电负性基团的组分(如CC14)通过时，俘获电 子使基流减小而产生电信号，广泛用于含氯、氟、 硝基化合物等的检测中。
除了上述部件之外，还有气路控制指示部件(其作 用是对进入仪器的载气及辅助气体进行稳压、稳流 控制和压力、流量指示)、防爆部件(各种隔爆、正 压、本安防爆部件及其报警联锁系统)等。
6.2在线气相色谱仪主要性能特性
6.2.1测量物质
过程气相色谱仪的测量对象是气体和可汽化的液 体.一般以沸点来说明可测物质的限度，可测物质 的沸点越高说明可分析的物质越广。目前能达到 的指标见下表
晌应时间T90 是指从进样开始，至到达记录仪最 终指示的90%处所需要的时间。检测器的体积越 小，特别是死体积越小，其响应时间越短。氢火焰 离子化检测器的死体积接近于零，故其响应时间能 满足快速分析要求。
线性范围 线性范围指响应信号与待测组分浓度或 质量成直线关系的范围。通常以检测器呈线性响应 时，最大进样量与最小进样量之比来表示线性范围。 该比值越大，线性范围越宽。在定量分析中可测定 浓度或质量范围就越大。热导检测器线性范围为 105，氢焰检测器为107。
国外主要生产厂家有ABB、SIEMENS（包括 AAI）、YOKOGAWA、EMERSON（包括 Rosemount、Daniel）和FOXBORO。主要产 品如：YOKOGAWA的GC1000、GC1000 Mark Ⅱ；SIEMENS的Maxum Ⅱ；ABB的 Vista Ⅱ 2000；Rosemount的Mode6750及 GCX等在国内占有主要市场。
图6-3为ABB VistaⅡ2000 在线色谱仪的热导 检测器的外形和工作原理图
图6-4 SIEMENS AA MaxumⅡ8通道热敏电阻 热导检测器的外形
半导体热敏电阻作为 检测器的组件具有阻 值大，室温下可达 10～100KΩ,温度系 数比钨丝大10～15倍 可制成响应速度快、 死体积小的检测器。 其灵敏度高寿命长， 但不宜在高温下使用。
混合气体通过色谱柱后被分离成个各组分示意图
在线气相色谱仪与实验室色谱仪相比功能比较单一， 其检测器、色谱柱、样品和系统动作都是固定的， 能自动连续可靠运行。
在线气相色谱仪通常安装在现场附近的分析小屋内， 并通过取样及处理系统提供适合色谱仪分析要求的 工艺流程样品。
在线气相色谱仪按照现场要求，在爆炸危险的场所 应具有防爆功能。具有防爆功能的在线气相色谱仪
图6-5SIEMENS 6通道热敏电阻热导检测器结构
(2)热导检测器操作条件的选择
热导检测器操作条件的选择包括：桥流选择、载气 与载气流速选择、池体温度的选择等。
(3)保持热导检测器的基线稳定 ①载气要有足够的纯度，至少要达到99.99% 。
②载气流速要稳定，一般都用两级调节器调节载气 流速.变化率控制在0.5%～1% 。
程控器按预先安排的动作程序，控制系统中各部 件自动、协调、周期地工作。
温度控制器对恒温箱温度进行控制。
在线气相色谱仪分析系统方框图
在线气相色谱仪由分析器、控制器、样品处理及流 路切换单元等三个部分组成，通常组装在一体化机 箱内。在爆炸危险场所使用的在线色谱仪，其采样 单元被单独安装在分析小屋外部的箱体内，色谱分 析器和控制器主机则安装在分析小屋内。色谱分析 器、控制器和采样单元是在线色谱仪的三个有机组 成部分。分析器、采样单元均在控制器的控制下按 动作程序协调工作.当出现"样品流量低"等情况时， 采样单元发出报警信号，控制器指挥分析器和其信 息处理部分采取相应措施加以应对。
天华HZ3380工业色谱仪 南分CX-8800防爆工业色谱仪
6.4在线气相色谱仪的检测器
6.4.1检测器的类型和主要性能指标
⑴ 检测器的类型
过程气相色谱仪使用的检测器有以下几种类型： 热导检测器(TCD)、
氢火焰离子化检测器(FID)、 火焰光度检测器(FPD)、 电子捕获检测器(ECD)、 光离子化检测器(PID)等。 从使用数量上看， TCD约占65%~70%， FID
多组分的混合气体通过色谱柱时，被色谱柱的填充 剂吸收或吸附，由于气体分子种类不同，被填充剂 吸收或吸附的程度也不同，通过色谱柱的速度产生 差异，在色谱柱的出口混合气体被分离成各个组分。
填充剂被称为固定相，通过固定相流动的流体被称 为流动相，可以使气体也可以是液体。
按照流动相的状态，色谱法可分为气相色谱法和液 相色谱法。按照固定相的状态，气相色谱法又可分 为气固色谱法和气液色谱法。
GC1000 MaxumⅡ
ABB VistaⅡ2000 SIEMENS-AAI
国内天华化工机械及自动化研究设计院及南京分析 仪器厂有限公司等在上世纪90年代以来也引进国外 技术生产工业色谱仪。
2000年天华自主开发HZ3880工业色谱仪，南分 2005年自主开发CX8800防爆型智能化工业色谱 仪。
③化工 合成氨、甲醇、甲醛、氯化物、氟化物、 苯酚、有机硅等。
④天然气 天然气、液态烃组成分析(用于天然气处 理厂)，天然气热值和密度分析(用
于天然气计量和贸易结算)。
⑤其它行业 如钢铁(高炉、焦化炉)、煤汽化/液化、 合成制药、农药、高纯气体生产
等的气体在线分析。
6.3.2主要产品介绍
被称为防爆型工业气相色谱仪。
6.1.2在线气相色谱仪的基本组成
工艺流程气体经取样和处理装置变成洁净、干燥 的样品，连续流过色谱仪的定量管。取样时定量 管中的样品在载气的携带下进入色谱柱系统。样 品中的各组分在色谱柱中进行分离，然后依次进 入检测器。
检测器将组分浓度信号转换成电信号。微弱的电 信号经放大电路后进入数据处理部件，最后送主 机液晶显示器显示，以模拟或数字信号形式输出。
光离子化检测器(PID)
利用高能量的紫外线照射被测物，使电离电位低于 紫外线能量的组分离子化，在外电场作用下形成离 子流，检测离子流可得知该组分的含量。对许多有 机物， PID灵敏度比FID还高10~50倍。PID多用 于芳香族化合物的分析，如多环芳烃，它对H2S、 PH3， NH3， N2H4等也有很高的灵敏度。
适用于对碳氢化合物进行高灵敏度(微量)分析。 其原理是:碳氢化合物在高温氢气火焰中燃烧时， 发生化学电离，反应产生正离子在电场作用下被 收集到负极上，形成微弱的电离电流，此电离电 流与被测组分的浓度成正比。其最低检测限一般 为1ppm，有些产品可达100ppb甚至10ppb数 量级。
火焰光度检测器(FPD)
乙烯、苯乙烯、了二烯、醋酸乙烯、乙二醇装置， 醇、醛、醚装置、芳烃抽提分离装置等。其中，乙 烯裂解分离装置使用数量最多，根据生产规模不同， 在16~30台之间，其它装置在2~6台之间。 ②炼油 催化裂化、气体分离、催化重整、烷基化、 MTBE等，程序升温型色谱仪可用于石脑油、汽油 组成分析及模拟蒸榴分析。其中，催化裂化和气体 分离联合装置使用数量最多，根据生产规模不同， 在12~16台之间，其它装置在1~3台之间。
恒温炉50~60个， 程序升温炉255个。 实际使用一般不超过6个组分。
6.2.6 分析周期
指分析一个流路所需要的时间，色谱仪分析周期一 般如下。
填充柱：无机物3~6min，

有机物6~12min。
6.3在线气相色谱仪主要应用及产品介绍
6.3.1主要应用对象 ①石油化工 乙烯裂解分离、聚丙烯、聚乙烯、氯
6.4.3热导检测器（TCD）原理结构
(1)过程气相色谱仪中使用的热导检测器 TCD检测器一般采用串并联双气路，四个热敏组件
两两分别装在测量气路和参比气路中， 测量气路 通载气和样品组分，参比气路通纯载气。每一气路 中的两个组件分别为电路中电桥的两个对边，组分 通过测量气路时同时影响电桥两臂，故灵敏度可增 加一倍。 常用的热敏组件有热丝型和热敏电阻型两种。 热丝型组件有铂丝、钨丝或铼鸽丝等，形状有直线 形或螺旋形两种。
6.2.2 测量范围
测量范围主要体现在分析下限,目前能达到的指标 如下。
TCD检测器分析下限：10ppm FID检测器：1ppm FPD检测器：0.05ppm
6.2.3 重复性
在线气相色谱仪的重复性误差一般如下：
100%～500ppm
±1%FS
500～50ppm
±2%FS
在线气体分析仪器及分析系统 设计与应用技术讲座
第一部11年
第六讲 在线气相色谱仪
6.1在线气相色谱仪的原理及基本组成 6.1.1在线气相色谱仪的分析原理 在线气相色谱仪又称过程气相色谱仪或工业气相色
谱仪。它是利用气相色谱法的先分离、后检测的原 理进行工作，并通过自动进样实现仪器的在线分析。 是一种大型、精密分析仪器，具有选择性好、灵敏 度高、分析对象广、多组分分析等优点，被广泛应 用于石化、冶金等行业。
6.4.2过程气相色谱仪检测器的性能指标
主要有灵敏度、检测限、响应时间、线性范围等。 灵敏度 检测器的灵敏度是指一定量的组分通过检