过程气相色谱仪

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9.1 过程气相色谱仪概述
9.1.1 基本原理
(1)气相色谱分析法
多组分混合气体通过色谱柱时,被色谱柱内的填充剂所吸附或溶 解,由于气体分子种类不同,被填充剂吸附或溶解的程度也不同,因 而通过柱子的速度产生差异,在柱出口处就发生了混合气体被分离成 各个组分的现象。
这种采用色谱柱和检测器对混合气体先分离、后检测的定性、定 量分析方法叫气相色谱分析法。
EXCEL V
HZ 3810 HZ 3880 CX 6710,CX6800
推出年代 20世纪80年代
1994年 2001年 20世纪80年代 1996年 2006年 1984年 1998年 1995年 2002年
20世纪90年代
2000年
20世纪90年代
1992年 2000年 20世纪90年代
备注 GC1000 MarkⅡ的主要特点是采用 了高灵敏度的热导检测器HTCD, 检测下限为1ppm,可替代FID检测 器
石油化工 炼油 化工 天然气 其他行业
(1)石油化工
乙烯裂解分离、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、氯乙烯、 醋酸乙烯、丁二烯抽提、乙二醇、芳烃抽提装置,醇、 醛、醚装置等。
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,其他装置在2~6台之间。
(2)炼油
填充柱、微填充柱、 毛细管柱
4、6通平面转阀 液体进样阀
填充柱、微填充柱、 毛细管柱
11型6通柱塞阀 50型10通膜片阀
液体进样阀
检测器
TCD FID FPD
TCD FID FPD等
电子压力控制

Baidu Nhomakorabea

(EPC)
空气浴炉,
单炉体 内部容积: 46.6 L 温度范围: 30~180℃ 温控精度: ±0.1℃
TCD FID 无
色谱仪型号


防爆等级






防护等级

环境温度
模拟输出
接点输出



通信


本机显示
电源 供 电
功耗
横河 GC1000 MarkⅡ
CENELEC(ATEX) EEx pdⅡB+H2 T1~T4 NEC Class1 Division 1, Group B,C,D T1~T4
日本横河公司 YOKOGAWA
ABB公司 ABB Process Analytics
美国应用自动化公司 Applied Automation Inc.
德国西门子公司 Siemens Applied Automation
型号 GC6,GC8
GC 1000 GC 1000 MarkⅡ
Vista 3100 VistaⅡ2000
电加热炉 内部容积: 23.1 L 温度范围: 50~120℃ 温控精度: ±0.1℃
Vista Ⅱ 2005
空气浴炉,
内部容积: 8L

温度范围: 5~225℃
温控精度: ±0.03℃
填充柱、微填充柱、 毛细管柱
CP 型10通滑块阀 液体进样阀
填充柱、微填充柱 4、6通平面转阀
TCD FID FPD 有
目前,色谱仪的重复性误差一般为:
100%~500ppm ±1%FS
500ppm~50ppm ±2%FS
50ppm~5ppm
±3%FS
<5ppm
±4%FS
(4)分析流路数
分析流路数是指色谱仪具备分析多少个采样点(流路)样品的能 力。目前,色谱仪分析流路最多为31个(包括标定流路),实际使 用一般为1~3个流路,少数情况为4个流路。
温控精度: ±0.03℃ 内部容积: 40L
温度范围: 5~225℃

程序升温炉
空气浴炉 热风加热, 由涡旋管 产生的)冷风致冷 内部容积: 8.6L
温控精度: ±0.02℃ 空气浴炉可用于恒温或 程序升温 电加热炉只能用于恒温

温度范围: 5~20℃

温控精度: ±0.03℃
色谱柱 进样阀、柱切阀
0.1%
最小测量范围 TCD: 0~500ppm FID: 0~1ppm
TCD: 10ppm~100% FID: 10ppb~100% FPD: 10ppb~1%
TCD: 0.05%~
100% FID: 几个ppm~
100%
理论上可达到 31个, 实际使用一般≤4个(不包括标定流路)
恒温炉最多50~60个, 实际使用一般不超过10个组分; 程序升温炉最多255个
图9-3 GC1000过程 气相色谱仪外形图
图9-4 GC1000过程 气相色谱仪内部结构图
图9-5 ABB VistaⅡ2000 色谱仪外形图
图9-6 VistaⅡ2000的控制器
图9-7 VistaⅡ2000的分析器 (TCD单检测器)
图9-8 SIEMENS-AAI MaxumⅡ色谱仪外形图
该公司1999年并入西门子公司,成 为西门子的子公司
MaxumⅡ是西门子与应用自动化合 并后,综合Advance Maxum和PGC 302Ⅱ的优势开发的产品 6750是原美国贝克曼产品,该公司 现已并入罗斯蒙特 GCX是变送器式色谱仪,可直接安 装在工艺管道上 突出特点是一台色谱仪可带1~3个 恒温炉,每个恒温炉可装1~2套色 谱柱和检测器 HZ 3810为分体式结构,HZ3880为 一体化结构,可带两套色谱柱和检 测器, 引进美国贝克曼技术生产
一般气体样品: 填充柱: 无机物4~6分钟,有机物8~12分钟; 毛细管柱:1分钟左右(采用并行分析技术,分析周期还可缩短) 程序升温法分析高沸点液体样品:几十分钟甚至更长
±1%FS
2~100%: ±0.5%FS 0.05~2%: ±1%FS 50~500ppm: ±2%FS 5~50ppm: ±3%FS 0.5~5ppm: ±5%FS
(3)重复性
重复性也是过程色谱仪的一项重要指标。对于色谱仪而言,讲重复性,而 无精度指标,这主要有三个原因: 其一,在线色谱仪普遍采用外标法,其测量精度依赖于标准气的精度,色 谱仪仅仅是复现标准气的精度。 其二,色谱仪用于多组分分析,而样品中各组分的含量差异较大(有的常量、 有的微量),各组分的量程范围和相对误差(%FS)也不相同,很难用一个统 一的精度指标来表述不同组分的测量误差。 其三,重复性更能反映仪器本身的性能,它体现了色谱仪测量的稳定性和 克服随机干扰的能力。(目前,多数在线分析仪器说明书中已无测量精度这 一指标)。
图9-9 MaxumⅡ色谱仪内视图
图9-10 天华科技 HZ 3880 色谱仪外形图
图9-11 HZ 3880色谱仪内视图
表9-3 过程气相色谱仪主要产品性能指标对照表 (根据2006年资料编制)
色谱仪型号 测量对象
测量范围
一 般
测量流路数


分析组分数
分析周期
重复性误差
横河 GC1000 MarkⅡ
目前,色谱仪测量组分数最多为: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)分析周期
分析周期是指分析一个流路所需要的时间,从控制的角度 讲,分析周期越短越好。色谱仪的分析周期一般为:
填充柱: 无机物 3~6分钟 有机物 6~12分钟
毛细管柱:1分钟左右
9.1.4 过程气相色谱仪的应用场所
SIEMENS-AA Maxum Ⅱ
CAS C/US Class1 Division 2,
Group B, C, D CENELEC
EEx pedmibⅡB+H2 T4
ABB Vista Ⅱ 2000
CAS Class 1, Division 2,Group B,C, D
CENELEC EEx pdeibⅡB+H2 ,
表9-1 过程气相色谱仪的测量对象
炉体类型
最高炉温
可测物质最高沸点
热丝加热铸铝炉
130℃
150℃
空气浴加热炉
225℃
270℃
程序升温的炉
320℃
450℃
过程气相色谱仪的测量对象还与使用的检测器类型有关。目前使 用的检测器主要有以下三种:
热导检测器(TCD)——测量范围广,几乎可以测量所有非腐蚀性 组分,从无机物到有机物。
PGC2000 Optichrom Advance
Advance Maxum PGC 302Ⅱ MaxumⅡ
美国罗斯蒙特公司
Rosemount (现为Emerson公司)
Model 6750 GCX
美国流体数据公司 Fluid Data
天华化工机械及自动化 研究设计院
(原化工部自动化研究所)
南京分析仪器厂
一般推荐一台色谱仪分析一个流路。当然对双通道的色谱仪 (有两套柱系统和检测器)来说,其本身具有两台色谱仪的功效, 可按两台色谱仪考虑。
(5)分析组分数
是指单一采样点(流路)中最多可分析的组分数,或者说软件可处理 的色谱峰数,这也不是一个很重要的指标。
通常的分析不会需要太多的组分,而只对工艺生产有指导意义的组 分进行分析,分析组分太多会使柱系统复杂化,分析周期加长。
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)其他行业
如钢铁 (高炉、焦化炉)、煤炭气化/液化、合成制药、 农药、高纯气体生产等的气体在线分析。
9.2 主要产品及其性能指标
表9-2 我国使用的过程气相色谱仪主要生产厂家及产品型号
厂家
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馏分析。
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,其他装置在1~3台之间。
(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
氢火焰离子化检测器(FID) ——主要用于对碳氢化合物进行高灵 敏度分析,也可测量少数可以甲烷化的无机物,如CO、CO2等。
火焰光度检测器(FPD) ——仅用于测量含有硫和磷的化合物。
(2)测量范围
这是一个很重要的性能指标,测量范围主要体现在分析下限,即 ppm及ppb级的含量可否分析。目前能达到的指标为: 分析下限: TCD检测器一般为10ppm; FID检测器一般为1ppm; FPD检测器一般为0.05ppm(50ppb)
±1%F.S
气体样品: ±1%F.S 液体样品: ±2%F.S
色谱仪型号
横河 GC1000 MarkⅡ
SIEMENS-AA Maxum Ⅱ ABB Vista Ⅱ 2000
天华 HZ 3880
空气浴炉, 热风加热,
单炉体
恒温炉
内部容积: 40 L
空气浴炉, 电加热炉
温度范围: 55~25℃ 单炉体, 双炉体
图9-1 混合气体通过色谱柱后被分离成各个组分示意图
(2)过程气相色谱仪
过程气相色谱仪 (Process Gas Chromatography,PGC)又称工 业气相色谱仪,是目前应用比较广泛的在线分析仪器之一。
它利用先分离、后检测的原理进行工作,是一种大型、复杂的 仪器,具有选择性好、灵敏度高、分析对象广以及多组分分析等 优点。
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
另设样品处理系统预先加以处理。
9.1.3过程气相色谱仪的主要技术性能
(1)测量对象
过程气相色谱仪的测量对象是气体和可气化的液 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 指标见表9-1。
图9-2 过程气相色谱仪的基本工作原理
9.1.2过程气相色谱仪的构成部件
过程色谱仪由分析器、控制器、样品处理及流路切 换单元(简称采样单元)三个部分构成。
(1)分析器
恒温炉 给分析器提供恒定的温度,在程序升温型的色谱仪中, 还需要设置程序升温炉供色谱柱按程序升温。
自动进样阀 周期性向色谱柱送入定量样品。 色谱柱系统 利用各种物理化学方法将混合组分分离开。 检测器 据某种物理或化学原理将分离后的组分浓度信号转换成
SIEMENS-AA Maxum Ⅱ
ABB Vista Ⅱ 2000
天华 HZ 3880
气体和可气化液体 沸点最高450℃
气体和可气化液体 沸点最高350℃
气体和可气化液体 沸点最高350℃
气体和可气化液体 沸点最高150℃
TCD: 1ppm~
100% F I D: 1ppm~
100% FPD: 1ppm~
T2~T4
电量。
(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序控制; 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仅是对样品进行一些简单的流量、压力调节
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