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炼厂气分析系统——四阀五柱方案的原理简介

安平

2021/11/16
红小豆

石油化工检测

炼厂气分析系统——四阀五柱方案的原理简介

概述

炼厂气分析系统——四阀五柱方案的基本工作过程图解。

一背景介绍

原油一次加工和二次加工的各生产装置都有气体产出，总称为炼厂气，主要来源于原油蒸馏、催化裂化、热裂化、石油焦化、加氢裂化、催化重整、加氢精制等过程。

炼厂气的组成因加工条件及原料的不同，有很大差别。除了催化重整产生的气体是以氢气为主外，其他装置产气主要为碳一（甲烷CH4）至碳四（丁烷、丁烯等）的气态烃以及少量杂质等，其中以催化裂化装置总加工量大，气体产量大，气体中的烯烃也最多。因此，催化裂化气体是炼厂气加工装置的主要来源。

炼厂气常分为两个部分，碳一和碳二（乙烷、乙烯）的烃类称为干气，数量较少，一般作为燃料气供加热炉烧掉，也可利用干气中的乙烯组分制作苯乙烯等；碳三（丙烷、丙烯等）和碳四的烃类，即液化石油气，是炼厂气加工的主体。

使用Shimadzu公司的气相色谱仪GC-2014，配备有双TCD检测器和四支自动切换阀，设计某炼厂气分析系统，一次进样完成炼厂气样品中多组分的分析工作。

二结构原理

本四阀五柱炼厂气分析系统的结构如图1所示，系统分为两个分析通道，均采用TCD检测器，但使用的载气类型不同。系统配置有四支自动切换阀（两支自动十通阀、两支自动六通阀），气相色谱系统分析程序对四个十通阀和六通阀进行精确、定时的切换，改变五根色谱柱的连接与反吹状态，实现样品的分离测定。

图1 四阀五柱炼厂气分析系统（待机状态）

通道一采用氩气做为载气，分析炼厂气样品中的微量氢气组分，采用较为基本的十通阀进样反吹方式连接。

通道二采用氢气做为载气，分析炼厂气样品中的微量烃类物质和氧气、氮气、二氧化碳等组分，采用了多重嵌套方式连接。

三工作流程

该系统的工作流程如下：

通道一的工作过程：

1 取样

如图1所示，此时将样品通入定量环（样品流经 sample in - loop -sample out），充分吹扫定量环，排除其中参与空气或样品。

2 进样

系统启动数据采集的瞬间，十通阀V1旋转36度，此时样品被载气携带进入预分离色谱柱PC1中（样品流经 car1 - loop -PC1 - Column1 - TCD1）。

样品在预分离色谱柱PC1（PC1柱内填充物为有机担体类固定相）中分离为较轻组分（氢气、氧气、氮气、一氧化碳）和较重组分（烃类、二氧化碳等物质）。

其中保留较弱的永久气体类组分流入色谱柱Column1（C1色谱柱内填充物为分子筛），氢气被色谱柱Column1分离出来，在TCD1检测器上出峰。

3 反吹

当色谱柱PC1中的较轻组分完全流入色谱柱Column1中，十通阀V4再次旋转36度，此时色谱柱PC1内部的载气反向流动，将保留时间较强的组分（二氧化碳、重烃类等物质）反吹流出系统。

通道二工作过程

取样：

如图1所示，此时将样品通入定量环（样品流经 sample in - loop -sample out），充分吹扫定量环，排除其中参与空气或样品。

进样

样品通入十通阀完全替换掉定量环中残余气体后，十通阀旋转36°，此时样品进样至色谱柱PC中，此时系统状态如图2所示：

图2 进样状态下的系统结构图

此时样品流经Car3 - loop - Column5 - Column3 - Column2 - Column4 - TCD2。样品在Column5色谱柱中被预分离成两部分——C6以下的烃类和永久气体，保留较弱和C6以上的烃类杂质，保留较强。

反吹，C6以上烃类物质出峰：

当样品中的C6以下组分流出色谱柱Column5之后，系统控制十通阀再次旋转36°，色谱柱Column5内部的载气流向发生反相，色谱柱Column5内留存的的C6以上的重烃类物质被反吹，直接流入TCD2检测器，作为单一色谱峰被检测到。

此时载气的流向为：car3 - Column4 - Column2 - Column3 - Column5 -TCD2。

色谱柱选择，永久气体和C2轻烃类被滞留，Column3-C6烃类物质出峰

当Column5中流出的保留较弱的组分（C6以下的烃类物质和永久气体类物质）完全流入色谱柱Column3之后，其中多种物质再次被色谱柱Column3分离成多个部分——永久气体类加C2轻烃类组分（包括氢气、氧气、氮气、甲烷、一氧化碳、乙烷、乙烯）和重烃类组分（包括C2-C6之间的的较重烃类，其作为多个色谱峰存在）。

其中永久气体类组分作为合峰完全流入色谱柱Column2之后，切换阀V3旋转，将永久气体和C2烃类物质滞留在V3-V4阀的闭环系统中。

合峰中的组分在色谱柱Column2中再次被分离成为永久气体和C2烃类两部分，其中保留较弱的永久气体类组分流入色谱柱Column4（色谱柱Column4内填充物为分子筛）之后，切换阀V4旋转60度，将这些组分滞留在色谱柱Column4中；C2烃类则滞留在色谱柱Column2中。

此时色谱柱Column3中的重烃类物质（Column3-C6的重烃类物质其中包括二氧化碳）在TCD1色谱柱上缓慢的出峰（注意色谱柱长度的配合，再此系统中非常重要）。

5 色谱柱选择，释放C2烃类。

当色谱柱Column3中的所有重烃类物质出峰完毕，切换阀V3再次旋转60度，此时色谱柱Column2中滞留的乙烷和乙烯在TCD2出峰。

6 色谱柱选择，释放永久气体类组分

当色谱柱Column2中的乙烷和乙烯完全流出色谱柱后，切换阀再次旋转60度，将色谱柱Column4中滞留的永久气体类组分（氧气、氮气、一氧化碳、甲烷）再次释放出来。

最终系统复位，恢复到进样之前的状态。

系统总体谱图如图3所示

小结

该分析系统的关键部分是多个过程的嵌套，分析过程较为复杂。系统使用两个TCD检测器，总体运行和维护成本较低。但是分析时间较长，分析效率不高。

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