氣相色譜儀在硫磺回收過程氣體組分分析
2020-03-29 10:22:55來源：admin
氣相色譜儀是利用混合物各組分在固定相和流動相中溶解、分配或吸附等化學作用性能的差異，使各組分在作相對運動的兩相中反復多次受到上述各作用力而達到相互分離。
1、主題內容與適用范圍
在石油加工和自然氣凈化工藝中產生大量的硫化氫氣體，產業上普遍采用克勞斯法處理含有硫化氫的酸性氣體，這種方法只有當H2S:SO2為2:1時，才能獲得最高轉化率。要獲得較高的轉化率，必須對H2S和SO2進行分析，并且要求分析結果正確可靠。此外，在克勞斯反應過程中還有一些副產物天生，如COS、CS2以及由空氣帶進的 O2、N2等。
為了正確的把握這些組分的含量，對其比率進行最優化控制，減少副反應，進步硫回收率，確定了硫回收過程組成分析的氣相色譜法。該法已用于硫磺回收過程氣中的H2S、SO2、COS、CS2、O2、N2等組分的分析。
2、儀器與材料
氣相色譜儀。色譜儀應具有下列特性參數。
檢測器：熱導檢測器;
氣化室：要求在本方法使用的溫度下能連續運轉，為了減少其體積，它和色譜儀的連接間隔應盡量接近;
記錄儀：積分儀或色譜數據工作站;
色譜柱：要匹配雙柱，以補償柱子流失產生的基線漂移;
流量控制器：裝備有穩流閥和穩壓閥，先穩壓后穩流;
注射器：分格為0.01mL的1mL注射器和100mL注射器。
2.2材料
擔體：分子篩和高分子多孔小球;
載氣：氫氣(純度≥99.99%);
標準氣：H2S、SO2、COS、CS2、O2;
稀釋氣：高純氮(純度≥99.99%)。
3、實驗方法
為了兼顧硫化物和氧氣的分析，選擇了如下實驗條件。
3.1色譜柱和固定相的選擇
不同的柱材料、柱型、柱長和柱效具有一定的影響。不銹鋼柱的優點是不易變形而且具有一定的惰性，用它分析O2、N2、H2S、SO2、COS和CS2等一般化合物是足夠穩定的。但是，若使用固定相Chromosorb101時不應使用不銹鋼柱。為了進步柱效，色譜柱的外形采用螺旋管，柱內徑為 2~3mm，螺旋管直徑比色譜柱內徑大15~25倍，柱長取2000~3000mm。
3.1.2固定相的選擇
目前，氣固色譜中使用的固定相主要有各種形式的碳分子篩和高分子小球等。
分子篩是氣固色譜中很重要的一種吸附劑，主要用于O2、N2、CO、CH4等永久氣體的分離。在使用分子篩前要在真空下350℃左右干燥3h，以便除往水分和其他吸附物。本實驗測得了不同溫度下2種分子篩的吸水量，如圖1所示。當分子中水分在9.37%時，氧和氮已不能完全分開，因此就要活化了，而活化的好壞會直接影響分離效果。分子篩的型號不同性能也不同，實驗證實，在相同的條件下，5A分子篩和13X分子篩的保存性能不完全一樣，在13X分子篩上 O2的保存時間較短一些，但是5A分子篩的分離能力卻比13X分子篩強。
高分子多孔小球可用作氣相色譜的固定相，常用的牌號有 Porapak系列，Chrmosorb101、102系列，GDX第列等。GDX是有機芳香族碳氫化合同物，高溫下使用體積會收縮，使填充柱產生裂層，在使用前活化會消除此現象，活化溫度應高于使用溫度20%左右。GDX301是中國自行研制的固定相，主要特點是疏水性強，耐腐蝕、熱穩定性好，無固定相流失，可配合高靈敏度檢測器使用。
通過實驗，對分析O2、N2、H2S、SO2、COS和CS2的固定相的種類、色譜柱的長度和材質條件進行了選擇優化，結果表明：柱Ⅰ適應于分析H2S、SO2、COS、和CS2;柱Ⅱ適應于分析O2、和N2(見表1)。
表1色譜柱及固定相的選定
色譜柱柱長柱內徑柱材質固定相分離組成
編號/mm/mm
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Ⅰ20000.5不銹鋼GDX-301H2S、SO2、COS、CS2
Ⅱ30000.5不銹鋼5A分子篩N2、O2
──────────────────────────────
3.2色譜柱和檢測器溫度的控制
在50~100℃作了柱溫選擇實驗。當柱溫為50℃時，O2、N2分離良好，但H2S、SO2、COS、CS2峰形拖尾較明顯，分析時間長，約 15min才能完成分析。當柱溫為100℃時，硫化物分析時間可縮短為7min且峰形完整，但O2、N2分離不徹底。結果表明，柱溫保持在80℃較適宜。
檢測器是一種指示并測定載氣中被分離組分的裝置。實驗表明，檢測器溫度太高會引起噪音的增加，降低檢測器的靈敏度，所以，檢測器溫度控制在100℃較為理想。
3.3載氣和流速的選擇
用H2作載氣時柱效略低于用氮氣作載氣，但要縮短分析時間。載氣流速對熱導檢測器的信號值有一定的影響，在熱導檢測上隨載氣流速的增加信號即有利于硫化物的分離，又兼顧到O2、N2的分離。
3.4橋流
在100～600℃mA范圍內對橋流作了選擇實驗，增大橋路電流能明顯地增大輸出信號;然而橋路電流太大會使基線不穩定，噪音也相應增大。結果表明：采用140mA橋流可滿足分析需要。
3.5定性及定量分析
3.1.5定性分析
采用已知純物質的標準氣與未知樣品的保存特性進行組分鑒定。即比較已知物和未知物的保存值(保存時間和保存體積)，就能確定某一色譜峰代表什么組分。根據保存特性進行鑒定，是最常用的方法。
3.5.2定量分析
由于各種物質的峰面積與色譜條件有關，和物質的結構和性質沒有固定數目關系，因此在進行定量分析時必須要用標準物質進行對比。采用工作曲線定量法或外標法定量。
3.6外標氣的配制
在一個100mL醫用注射器內加進少許硬質聚四氟乙烯塊，注射器口用一軟質橡皮帽封住，先吸取60mL高純氮，然后用10mL注射器注進一定量的標準氣，最后用高純氮烯釋到滿刻度，反復搖動，負氣體混合均勻。
3.7校正曲線的繪制
定量進樣校正曲線是色譜分析常用的一種簡便、快速的盡對定量方法。將已配制好的不同含量標準樣，注進氣相色譜儀，然后將分析結果繪制成峰面積-百分含量校正曲線。在作硫磺回收過程氣分析時打進同樣體積的分析樣品，根據所測得的被分析組分的峰面積值，可直接從外標校正曲線上查出相應組分的百分含量。
4、靈敏度、誤差及最低檢測濃度
4.1靈敏度
目前通常采用迪姆巴特(Dimbat)及其同事提出的方法來測定檢測器的靈敏度，即表示為單位濃度的樣品所導致檢測器的響應值。操縱條件為橋流：140mA;柱溫：80℃;載氣：氫氣;衰減：1;檢測器溫度：100℃;汽化室溫度150℃;載氣流速：28mL/min;進樣量：1mL。硫化氫為樣品，測得：靈敏度S>1900mV.mL/mL。
4.2正確度
表2列出了實驗所測得的正確度的具體數據。
4.3最低檢測濃度
在實驗條件下實測最低檢測濃度見表3
5結論
(1)硫化物分析可采用氣固和氣液色譜法，但在工藝控制分析中采用氣固色譜法具有無固定相流失、柱壽命長等特點，同時，也不會因柱室超溫而損壞柱子，可用于高靈敏度檢測器。實驗證實GDX-301是分析硫化物的理想柱子;
(2)由于硫化氫、二氧化硫、二硫化碳和硫氧碳都是極性物質，在分析過程中輕易發生吸附現象而影響分析結果。因此，應盡量縮短采樣時間，確保分析結果的正確性;
3在分析低含量氧時，應采取有效的密封措施，防止空氣中氧的滲透。
該方法是為硫磺回收過程氣的分析而開發的，方法快速、正確、靈敏，分析誤差為±1.4%，試驗證實滿足硫回收過程氣的工藝分析。
