ПОТОКОВЫЙ АНАЛИЗАТОР

Потоковый анализатор относится к аппаратуре аналитической химии для анализа примесей в газах и может быть использован в нефтехимической и газовой промышленности, в частности, для определения кислых газов в растворах аминов, используемых при очистке газов.
Водные растворы органических аминов широко используются для очистки природного газа от кислых газов (сероводород, углекислый газ, меркаптаны) (см., например, Мурин В.И. Основы переработки природного газа и конденсата. В 2 ч. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002, с.249).
В настоящее время выпускается целый ряд промышленных анализаторов для контроля процессов регенерации аминов.
2
2
2
2
Анализатор HS Model 205 фирмы Analytical Systems предназначен для определения HS в нелетучих жидкостях, в том числе в растворах аминов. После подогрева пробы жидкости выделившиеся газы направляются на ленту, содержащую ацетат свинца. Содержание HS определяется по степени почернения ленты. СО не определяется (см. например, http://www.asiwebpage.com/pdf/Analyzer_150.pdf)
2
2
В анализаторах фирмы Western Research модели 4650 и 4670 HS определяется фотометрическим методом в УФ диапазоне непосредственно в растворе. СO не определяется (см. например, http://new.ametek.com).
2
2
Tytronic Sentinel Amine Analyzer фирмы Galvanic Applied Sciences inc. определяет содержание HS и СО в пробе амина потенциометрическим титрованием (см. например, http://www.galvanic.com/acidgasamineanalyzer.htm).
2
2
2
2
CS200 фирмы AIT Applied Instrument Technologies. Предназначен для непрерывного определения HS и СО в растворах насыщенных и регенерированных аминов. Принцип действия: к пробе добавляется серная кислота, концентрация выделившихся HS и СО определяется спектральным методом в УФ и ИК диапазонах соответственно (см. например, http://www.hs-ait.com/scripts/prodview.asp?idProduct=114).
2
2
Известна «Методика выполнения измерений состава насыщенного и регенерированного амина» (см. например, «МВИ состава насыщенного и регенерированного амина», №Т-363-27 Перечень МВИ, аттестованных ФГУП «ВНИИМ им. Менделеева»), в которой для определения HS и СO используется потенциометрическое титрование. Известны хроматографические методики анализа, основанные на прямом вводе пробы жидкости в испаритель хроматографа. Следует отметить, что удаление остатков пробы, содержащих высококипящие компоненты, может создавать определенные проблемы при работе промышленного анализатора и требовать периодического обслуживания.
Парофазные методы анализа известны давно (см. например, Витенберг А.Г., Иоффе Б.В. Газовая экстракция в хроматографическом анализе. Л: Химия, 1982, с.12) и используются при лабораторном анализе качества питьевой воды (см. например, ГОСТ Р 51392 Вода питьевая. Определение содержания летучих галогенорганических соединений газожидкостной хроматографией). Однако, до настоящего времени не применялись для определения кислых газов в аминах ни в лабораторных МВИ, ни в промышленных анализаторах.
Ближайшим аналогом является Промышленный газовый хроматограф, содержащий хроматографическую систему с двумя кранами, хроматографическую колонку и детектор (см. например, описание свидетельства на полезную модель RU 59259, МПК G01N 30/60, дата публикации 10.12.2008).
Недостатком ближайшего аналога является невозможность обеспечения определения кислых газов в растворах аминов.
Техническим результатом заявленного решения является обеспечение автоматического контроля содержания растворенных газов в анализируемых растворах.
Сущность технического решения заключается в том, что потоковый анализатор выполнен на базе хроматографа, содержащего хроматографическую систему с двумя кранами, хроматографическую колонку, детектор по теплопроводности, и отличается от ближайшего аналога тем, что введены третий и четвертый краны, парофазное устройство, расположенное в термостате хроматографа и включенное между первым краном, расположенным в термостате хроматографа и четвертым краном, расположенным вне термостата хроматографа, к третьему крану присоединены две дозирующие петли.
Сущность технического решения поясняется иллюстрациями - чертежом и рисунком.
На чертеже фиг.1 приведена структурная схема потокового анализатора.
На рисунке 1 показана типовая хроматограмма газа.
Потоковый анализатор выполнен на базе хроматографа, содержащего хроматографическую систему с двумя кранами 1, 2, хроматографическую колонку 5, детектор по теплопроводности 6. В него введены третий и четвертый краны 3,4, парофазное устройство 7, расположенное в термостате 9 хроматографа и включенное между первым краном 1, расположенным в термостате 9 хроматографа и четвертым краном 4, расположенным вне термостата 9 хроматографа. К третьему крану 3 присоединены две дозирующие петли 8 и 10. Первый кран 1 используется для дозирования равновесного пара. Хроматографическая колонка 5 служит для разделения компонентов. Второй кран 2 служит для обратной продувки хроматографической колонки 5. Третий кран 3 с дозирующими петлями 8 и 10 служит для дозированного ввода раствора кислоты и амина в парофазное устройство 7. Четвертый кран 4 служит также для заполнения жидкостью и опорожнения парофазного устройства 7 после окончания анализа. Все указанные элементы, кроме третьего крана 3 и четвертого крана 4, находятся в термостате 9 хроматографа для стабилизации рабочих параметров.
Работает потоковый анализатор следующим образом.
3
4
Известный объем раствора анализируемого амина помещают в герметичный сосуд, предварительно заполненный инертным газом (гелий, азот или др. газ, не мешающий последующему анализу) и добавляют заданный объем раствора кислоты, до pH 2,3-2,8 для более полного выделения кислых газов. Для достижения воспроизводимых результатов кислота должна браться заведомо с избытком. Следует использовать раствор сильной, нелетучей кислоты, несклонной вызывать сильный нагрев раствора при реакции с амином, окисление определяемых компонентов или коррозию аппаратуры. Например, потоковый анализатор, работающий по этому методу, использует 50% раствор ортофосфорной кислоты НРO, взятый с 2-кратным избытком. Подкисленную таким образом пробу выдерживают в сосуде при постоянной температуре 40-75°С до установления равновесия. Заданная температура должна поддерживаться с точностью не хуже 0,5°С. Время установления равновесия - не менее 10 мин, но не более 20 мин, во избежание потерь от возможного окисления сероводорода.
Во избежание возможной конденсации паров воды при транспортировке пробы газа из парофазного устройства 7 в хроматограф должно соблюдаться хотя бы одно из условий: температура парофазного устройства 7 должна быть хотя бы на 10°С ниже, чем температура газовых линий; давление в парофазном устройстве 7 должно быть по крайней мере в 1.5 раза выше, чем в газовых линиях.
Анализу подвергается не сам раствор, а паровая шапка над ним (после установления равновесия).
Содержание кислых газов в паровой шапке определяется методом газовой хроматографии. Для разделения компонентов может быть использована любая хроматографическая колонка 5, позволяющая отделить определяемые компоненты от воздуха и паров воды, например порапак Q или аналог (HayeSep Q, полисорб) длинной 1 м. Оптимальный диапазон температур для такой колонки 55-75°С. Из колонки 5 разделенные компоненты поступают в детектор по теплопроводности 6. Пары воды удаляются из колонки 5 при обратной продувке.
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
Для расчета концентраций газов проводится градуировка по раствору амина с известной концентрацией растворенных NaS и NaCO. Концентрации калибровочного раствора должны быть близкими к анализируем. Раствор готовится следующим образом: навески NaS и NaCO растворяются в минимальном количестве воды и доводятся до определенного объема чистым амином. Калибровочный раствор, содержащий NaS, нельзя хранить долго, поэтому для потоковых анализаторов определяются относительные коэффициенты чувствительности для детектора по теплопроводности 6, и в дальнейшем градуировка проводится по раствору, содержащим только NaCO. Концентрация HS определяется по калибровочному графику для СО с учетом относительного коэффициента чувствительности.
2
На фиг.1 все краны 1, 2, 3, 4 показаны в исходном положении. Анализируемый раствор поступает в дозирующую петлю 8 третьего крана 3. На этом же кране 3 расположена дозирующая петля 10 для раствора кислоты. Затем одновременно включаются третий кран 3 и четвертый кран 4 и дозы амина и кислоты поступают в парофазное устройство 7. После выдержки 12-15 мин газ из парофазного устройства 7 поступает в дозирующую петлю 11 первого крана 1. Из дозирующей петли 11 анализируемый газ с помощью потока газа - носителя переносится в хроматографическую колонку 5. Поток газа - носителя регулируется с помощью регулятора давления (на фиг.1 условно не показан) и дросселя. После разделения в хроматографической колонке 5 анализируемые компоненты поступают в детектор по теплопроводности 6. В детекторе по теплопроводности 6 формируется электрический сигнал, пропорциональный концентрациям компонентов. После выхода пика HS второй кран 2 переключает хроматографическую колонку 5 на обратную продувку для удаления паров воды. Выключается четвертый кран 4, происходит слив жидкости из парофазного устройства 7. После этого парофазное устройство 7 с помощью первого крана 1 продувается потоком газа-носителя от остатков пробы. По окончанию цикла анализа все краны 1, 2, 3, 4 возвращаются в исходное положение.
Для расчета концентрации периодически проводят калибровку анализатора. Для этого на третий кран 3 вместо раствора анализируемого амина подается калибровочный раствор.
2
2
3
Заявленный потоковый анализатор может быть реализован на базе промышленного хроматографа, например DANI РGС 90.50. Парофазное устройство 7 устанавливается в термостате 9 хроматографа. Устройства подготовки и дозирования пробы могут быть смонтированы на стойке хроматографа. Градуировка проводится по растворам NaS и NaCO в амине. Типовая хроматограмма приведена на рисунке 1. Хроматограмма получена при следующих условиях:
Температура термостата 9 и парофазного устройства 7
70°С
Объем парофазного устройства 7
12 мл
Давление в парофазном устройстве 7
2 бар
Хроматографическая колонка 5
1 м, ID 2 мм, с hayesep Q 80-100 mesh
Расход гелия через колонку 5
30 мл/мин
Детектор по теплопроводности 6
ДТП
Ток детектора по теплопроводности 6
120 ма
Объем дозирующей петли
1 мл
Объем раствора анализируемого амина
1 мл
Объем 50% ортофосфорной кислоты
2 мл
Время выдержки в парофазном устройстве 7
12 мин