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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
  • 私聊

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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