气相色谱仪在多流路多组分气体分析中的应用

王瑞坤，张 皓

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

气相色谱仪在多流路多组分气体分析中的应用

王瑞坤，张 皓

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

在化工生产装置中，混合气体中各组分的体积分数是工艺监测和安全生产的重要指标。本文通过对常规多流路、多组分分析仪表的比较，采用气相色谱仪对混合气体组分进行测量。结合装置特点，详细阐述了气相色谱仪采样系统设计过程的要点及难点，并对样气传输滞后时间进行计算，对分析小屋设计的注意事项进行了介绍，以期对类似工程提供有益的参考。

气相色谱仪；多流路；多组分；采样系统；传输滞后时间

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

在化工生产装置中，经常需要在线分析混合气体组分，以掌握并及时调整工艺反应过程，保障安全生产，并实现精细管理。对于一些高温、高压、复杂且危险的反应过程，如煤气化、甲醇合成等反应过程，往往要求对装置中多个流路混合气体中的多种组分进行分析。在某项目甲醇合成装置中，工艺要求测量四个流路中CO、CO2、H2三种组分的含量。各流路样气组分见表1，其中：CO体积分数为1%～30%，CO2体积分数为2%～10%，H2体积分数为60%～90%。

表1　各流路组分含量

自动化仪表选型设计规范［1］针对多流路多组分的含量分析有下列规定：“当需要分析混合气中多流路多组分的含量时，宜选用工业气相色谱仪；需要响应速度快时，宜选用工业质谱仪。其体积分数范围可从10-6级到100%。”该装置被测气体的组分范围在规范适用的范围内，考虑选用色谱仪或质谱仪进行分析。

1　色谱仪原理及选型

色谱仪利用先分离、后检测的原理进行工作［2］。样气通过色谱柱时，被色谱柱内填充剂所吸附、脱吸、溶解、解析，由于气体分子种类、化学结构不同，在填充剂上的吸附能力、溶解能力不同，被填充剂吸收或吸附的程度也不同，因而通过色谱柱的速度产生差异，经过一定的色谱柱长后，样气中各种组分被先后分离出来，按顺序从色谱柱末端流出后进入检测器进行检测。检测器把分离后的各个组分的浓度信号转换为电信号，再经过数据处理，可得到混合物的组成和浓度。因此，色谱仪可定量分析气体组分，分析周期为3～5 min。色谱仪因分析准确和分析数据具有实时性，在生产中起着优化控制、控制产品质量等重要作用。

和质谱仪相比，色谱仪具有分析精度高、价格便宜等优点［3］，虽然分析周期较长，但考虑到装置反应气成分比较稳定，3～5min的分析周期在工艺生产可接受的范围内，故该工程采用1台气相色谱仪对4个流路3种组分进行测量。

本装置气相色谱仪为ABB PGC5000，以氮气为载气，TCD恒温钨铼热丝热导检测器，色谱柱采用高分子填充柱。在色谱仪控制器面板上可通过键盘和LCD显示窗，进行菜单操作，用户可容易地修改或编辑分析参数；显示和存储色谱图、测量结果及分析参数。数据传输采用模拟并行传输方式，为4个流路（每流路3组分）共配置12根信号电缆，以确保被测介质体积信号的可靠传输。同时预留与控制室DCS通讯的RS485标准串行接口。

气相色谱仪要求样气压力在0.01～0.5 MPa，温度≤150℃，无腐蚀性气体，无油脂及固体颗粒，本装置样气压力高达8 MPa，需配置采样系统对样气减压、减温及除尘处理。色谱仪是成熟产品，能否可靠安全工作，主要取决于采样系统设计的好坏。

2　采样系统设计

采样系统是气相色谱仪应用的一个重要环节，它对色谱仪正常工作与否起决定作用。该装置4个取样点相对分散，流路1距分析小屋最远，约42.5m，规范要求样气传输滞后时间不宜超过60 s。样气进色谱仪流量为30 L/h，忽略降压对样气的影响，流路1样气通过42.5m，φ6×1不锈钢管所需时间用经验系数修正后约为90 s，远不能满足滞后时间要求，必须采用快速回路以减少传输滞后。

快速回路有快速循环回路和快速旁通回路两种。快速循环回路利用工艺管线压差，在其上、下游之间并联一条管线，形成快速循环回路，样气从并联管线上取出。快速旁通回路，样气从工艺管线取出，直接送至分析仪，在进入分析仪前旁引出一条支路，返回工艺装置或火炬系统。化工生产装置一般采用旁通回路，旁路排至火炬。

本装置采样系统由采样探头、前级预处理、后级预处理系统组成。其中前级预处理位于取样探头附近，后级预处理安装于分析小屋外侧。前、后级预处理箱采用304SS，管线、阀门及管件采用316LSS或316SS材质。采样流程见图1。

图1　色谱仪采样流程

2.1 采样探头

采样探头采用插入式安装，通过法兰球阀插入工艺管道内部进行取样。因流路2操作温度高达210℃，且含有少量水分，采用风冷型探头，其他流路采用常温探头。风冷型探头采用旋风制冷器制冷，并除去样气中水分，样气中冷凝析出的水分在重力作用下重新流回到工艺管道内，从而在采样处实现降温、脱水的目的。

连通域指的是图像被二值化之后的若干像素的集合，假设前景像素为1，背景像素为0的前提下，连通域具有以下两个属性：一是只有前景像素的集合，二是在同一个连通域中的两个像素间总能找到一条路径由这个集合中的像素组成，也就是说像素之间两两互通。连通域算法在数字图像处理中进行目标跟踪、目标识别、多目标分割等方面都有应用，在这里进行颗粒状农产品的分选也可以采用连通域算法，先将灰度图像采用阈值分割得到二值图像，这个二值图像中包含了对图像分割后的多个连通域，然后采用连通域算法给出其属性，进而对图像中的目标进行识别、跟踪以及判断[7]。在这里采用种子填充法实现。

2.2预处理系统

装置区前级预处理主要用于样气的初级减压、过滤、脱水，以减少分析滞后，降低后期预处理负荷。前级减压站安装在前级预处理箱内，布置在靠近取样点处。样气经针形阀、过滤器、减压阀等进行过滤、降压，过滤精度7μm，完成对气体的减压、除水，输出压力＜0.3 MPa（a），其压力可通过就地压力表指示，处理后的样气送至后级预处理。

后级预处理用于样气的精细处理，完成样气的稳压、稳流、脱水等功能。后级预处理安装在靠近分析小屋的预处理箱内。经前级减压后的样气，经过三通过滤器过滤分流取样，样气经控制器控制的气动三通球阀，和其他流路样气切换，切换后的样气由载气运载进入色谱仪；取样后多余气体经止回阀由加压泵排入火炬总管。

在预处理系统中，需要提供低压蒸汽进行伴热，防止CO2气体在减压时因吸收热量冷凝，影响组分分析及阻塞管路。经过上述处理对样气进行降压力、净化、干燥，减少了分析的干扰因素，提高了分析质量。

2.3样气传输滞后时间计算

一般采用体积流量法来计算样气传输时间［4］，因减压阀、过滤器容积较小，对滞后时间的影响可忽略。用经验值修正后的计算公式如下：

式中：Tt为样气传送滞后时间；1.2～1.5为体积修正经验值；V1、F1+F2为AB段样气体积、流速；V2、F2为BC段样气体积、流速；F1为快速旁通回路流量，240 L/h；F2为色谱仪进气流量，30 L/h。

本装置样气传输系统管线为φ6×1不锈钢管，以下计算以流路1为例。已知：L1为取样探头至减压阀连接管线，长2m；L2为减压阀至旁通过滤器连接管线，长38m；L3为旁通过滤器至色谱仪连接管线，长2.5m。

L1段容积（减压减温前容积）：

L2、L3段样气体积经计算，依次为：0.477 L、0.031 L。

因L1段样气操作压力及温度8MPa（a）、103℃，后经减压减温后为0.3 MPa（a），30℃，需经气体状态方程修正，计算公式为：

式中：V1、p1、T1为减压减温前的体积、压力、温度；V2、p2、T2为减压减温后的体积、压力、温度；L1段减压减温后等效的样气体积：

AB段样气体积为L1段等效体积和L2段体积之和，BC段样气体积为L3段体积。将L1等效体积0.83 L、L2段0.477 L、L3段0.031L及F1=240 L/h、F2=30 L/h，代入公式（1）得到：

从上述计算可以看出，减压前经修正的样气体积0.83 L，比减压后38m传输段的容积0.477 L还大。该工况L1段距离缩短1 m，可减少滞后时间8 s。为减小滞后时间，应尽量缩短取样点至前级预处理的距离。

在色谱仪采样系统设计时，应关注以下3个方面的问题：①取样探头的形式应满足样气温度压力的要求，必要时采用降温措施；②对多流路切换单元，应采用必要流路切换处理措施，确保被选择的流路样气不被滞留样气和其他流路样气污染；③应对样气传输滞后时间进行核算，确保满足规范要求的不超过60 s的时间要求。若传输管线较长，应采取必要的快速回路以缩短传输滞后，并使取样点至前级减压阀的距离最短。

3　分析小屋安全措施

气相色谱仪的工作环境要求为5～35℃，相对湿度≤80%［5］，一般要求安装在密封性较好的分析小屋内。本装置小屋采用全封闭的碳钢喷涂结构，顶部安装板向两侧倾斜的防水结构，墙和屋顶填充阻燃型无毒保温材料，门上设置安全视窗。该装置分析小屋布置在2区爆炸危险场所且色谱仪分析样气中含可燃及有毒气体，应采取一定的安全措施。

小屋的安全措施主要从可燃、有毒气体检测和正压通风管路压力保护两个方面考虑。

色谱仪的4流路均含有可燃气体H2、CH3OH，含有有毒气体CO，为防止气体泄漏造成人身伤害，分析小屋内设置可燃气体检测报警器（H2、CH3OH）各1台；毒性气体检测报警器（CO）1台；在分析小屋室内外各设置1个防爆闪光报警器。可燃、毒性气体检测器采用一体式带现场显示。设置可编程序控制器（PLC）用于安全联锁。气体检测器接点输出：上限接点经PLC接至内外闪光报警器，同时送至DCS系统；上上限接点去PLC进行联锁逻辑控制，启动排风扇。

因分析小屋采用正压通风防爆方式，为保证安全，在通风管线上安装压力控制开关，实现切断色谱仪电源的联锁。即一旦正压通风压力低，PLC联锁切断色谱仪电源，触发现场声光报警器进行报警提示，并输出干接点报警信号至DCS系统。

对于爆炸危险区域的分析小屋，设计时应考虑必要的保护措施，应根据组分特点，设置相应的气体检测器，并且气体检测器和正压系统联锁应由安装在分析小屋内的PLC实现，小屋内外应设置闪光报警灯，当小屋环境异常时，提醒操作人员注意。

4　结语

气相色谱仪已广泛应用于分析多流路、多组分反应气含量，其运行稳定，起到了工艺控制眼睛的作用，对提高产品产量、降低能耗、保证安全生产具有十分重要的作用。本文在结合装置特点的基础上，详细阐述了色谱仪采样系统和分析小屋的设计要点及注意事项，该设计方法已成熟运用于生产，并取得了良好的效果。

［1］中国寰球工程有限公司，中国五环工程有限公司.HG/T 20507—2014，自动化仪表选型设计规范［S］.

［2］王森.在线分析仪器手册.北京：化学工业出版社，2008.

［3］薛东胜.气相色谱仪和质谱仪的应用［J］.石油化工自动化，2008（4）：55-57.

［4］SH/T 3174—2013，石油化工在线分析仪系统设计规范［S］.

［5］郭冰.气相色谱仪及其应用［J］.石油化工自动化，2007，43（5）：88-90.

修改稿日期：2016-03-22

Application of Gas Chromatography in the Analysis of M ulti-Flow Path and M ulti-com ponent Gas

WANG Rui-kun，ZHANG Hao
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

In the chemical production equipment，the volume proportion of each component in the compound gas is an important index for the processmonitoring and safety production.Through the comparison of the conventionalmulti-flow path and multi-component analysis instruments，the gas chromatography is used tomeasure the composition of the compound gas.According to the characteristics of the device，this papermakesa detailed explanation of the essentials and difficulties in the designing process of the sampling system of gas chromatograph，calculates the lag time of the sample gas transmission，and introduces the key points for attention in analyzing the cabin design，in the hope of providing the beneficial reference to the similar projects.

gas chromatograph；multi-flow path；multi-component；sampling system；transmission lag time

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.004

O657.71

A

1004-8901（2016）04-0012-04

王瑞坤（1980年—），女，河南南阳人，2007年毕业于武汉理工大学自动化学院控制理论与控制工程专业，硕士研究生，高级工程师，现主要从事石油化工自动化工程设计工作。