CN103314285B - 流体输运系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种流体输送系统或快速回路，以将来自液体源的液体样本输送至远程液体样本分析器。该系统包括连接液体源和液体分析器的毛细管。当使用该系统时，液体从液体源经过毛细管流到液体分析器。毛细管可在液体源与液体分析器之间形成环路。

Description

流体输运系统

本发明涉及流体分析，更具体地，涉及用于通过远程流体样本分析器进行流体样本分析的流体输运系统。

对于监测并控制例如由大量CO₂捕集厂释放至大气的被处理气体中的有害成分的潜在排放物，气体排放物的分析是必不可少的，但是分析可能是复杂的。例如，气体矩阵可能是复杂的，具有潜在的大量分析物，这些分析物通常是不常见的成分，以较低或极低浓度存在。除了该挑战之外，来自烟气净化系统（例如，胺吸收器）的排放气体充满水并包含气溶胶和液滴，气溶胶和液滴包含关注的分析物并且还促成气体甚至更高的总含水量。

在排放气体中以极低浓度存在的成分代表对气体排放物监控的巨大挑战。每个烟气处理系统具有关注成分的不同清单；例如，每个胺溶剂系统具有若干关注成分，导致大量的诸如胺的可能分析物以及它们的降解产物。目前，对来自基于胺的捕集厂的排放物中所存在的大部分关注化合物进行测量没有标准化方法。

包含大量存在于次ppm浓度范围内的不同成分的湿气代表对在线气体监控的未解决的挑战；一般而言，当前的用于气体分析的在线仪器不能满足对于提取典型样本以及这种情况所需的低检测限定的需求。大多数用于在线气体分析的市售仪器（诸如用于对痕量气体进行测量的在线分析器）需要相对干燥的气体，以便更好地执行。克服由湿气所引起的问题的常用方法是在分析前使湿气干燥。这能够通过冷却水以使水冷凝来进行。然而，这使得在所形成的冷凝物中存在水溶性成分，由于关注的分析物会在所形成的冷凝物中丢失，所以导致干燥气体分析是不完全的。

对干燥气体的替代是将其在远高于露点温度的情况下加热以避免液体在分析器中冷凝。在高于露点温度对被采集气体加热可代表一种挑战；在提取和分析过程中加热气体样本可能潜在地引起化学变化，例如在这些样本中的加工品的形成或降解。此外，用于在线采样和分析的市售溶液在对痕量的不常见成分进行检测和量化上具有实质性限制。

用于手动气体排放物测量的常见方法是通过间断测量方法来进行的，在间断测量方法中已知量的空气被泵浦经过吸收剂的溶液或经过吸收剂。固体吸收剂需要干燥气体以用于适当功能，因此在分析前没有干燥气体的情况下进行分析是不可行的。通过吸收溶液进行手动气体采样和分析可应对湿气以及液滴或气溶胶的存在。用于手动气体采样的常见方法是通过吸收冲击器列队中的气体来进行的。在手动气体采样和分析中，在对气体采样之后，将吸收溶液发送至化学分析器，并通过吸收剂溶液相对于所采集的气体量的浓度来计算不同成分的浓度。为使用吸收剂，通常通过在对吸收剂采样前冷却来干燥气体，在被采样气体中产生了包含关注的水溶性成分的冷凝物。

因此，对能够分析基于干燥气体而形成的冷凝物的液体分析系统存在需求。具体地，对能够检测低浓度的分析物的在线的自动化系统存在需求。

根据本发明，提供了一种流体输送系统，其用于将来自液体源的液体样本输送至远程液体样本分析器，该系统包括毛细管，毛细管连接液体源和液体样本分析器，该系统被设置成使得，在使用中，液体从液体源通过毛细管流到液体样本分析器

毛细管可以仅在一个方向将来自液体源的液体输送至液体样本分析器，或者可替换地，毛细管可形成环路，将被输送至分析器的液体中的一些或全部返回至液体源。

根据本发明的流体输送系统在本文中还被称为快速回路，并且这两个术语在本文中可交换地使用。液体分析器可连接至一个或多个快速回路。

优选地，快速回路包括将液体样本泵浦经过毛细管的泵浦装置。使用泵浦装置使得液体样本能够以较高流速循环经过毛细管。经过毛细管的高循环率能够得到快速的响应时间。这意味着液体分析器可根据所需的响应时间，与液体源相隔小于10米至相隔几百米。

使用毛细管使得能够以相对于液体源存储器相对较低量的液体进行采样。这允许相对紧凑的采样单元，而所有较重的系统部件均远程地定位。

使用长毛细管线路使得液体样本能够被输送至远离液体源存储器定位的液体样本分析器。包括液体和气体泵、气体流量计和液体分析器自身的其他全部较重配件可定位成远离气体采样器或采样点。因此，气体采样单元具有相对低的重量以及空间需求。这在不期望将分析设备放置在液体样本源附近进行烟道气体采样的情况而言是有利的。

优选地，液体从液体源连续地流到液体样本分析器。这允许对液体进行连续的、在线分析，而避免系统中的间歇流动。

流体输送系统可包括适于将来自毛细管的样本注射进分系统中的瓶或样本阀。优选地，瓶是自动注射器瓶以便能够进行自动采样。这种瓶可容易地适合自动化液体分析器的任何标准自动注射器托盘或馏分收集器。优选地，自动注射器瓶的流通池，其允许连续的液体流经。

快速回路可与各种类型的用于液体分析的设备共同使用，而无需对分析器20自身进行修改，只要本领域公知的自动化采样装置诸如自动采样器是可使用的即可。来自瓶的液体也可被自动地采样到馏分收集器中供以后被其他装置进行分析，或者在不存在分析设备的情况下进行离线分析。

液体样本可以是冷凝物。可通过持续运行的冷凝器生成冷凝物。这意味着快速回路可用于对基于干燥湿气而形成的任何冷凝物进行分析。该应用在本文中被称为“冷阱”。快速回路能够对冷凝物进行在线监控；然而，该方法也适用于手动采样和分析。冷阱避免了气体的加热和热分解，能够对高含水量、气溶胶和液滴进行典型采样和分析。通过快速回路的应用，可在高含水量的气体的情况下对复杂气体矩阵实现极低检测限度。而且，当关注成分全部是水溶性成分时，对冷凝物的这种监控可在使用能够移除大部分水的优化冷凝器的情况下提供令人满意的气体分析。

对快速回路的应用中冷凝物进行分析具有得到极低检测限度的可能性。该应用可使用液体/气体色谱分析-质谱分析（LC-MS/GC-MS）来识别未知成分，尽管设置允许用于在线或手动液体分析的广泛的可能方法。可使用用于液体分析的任何方法来分析冷凝物样本，这些方法包括衍生化、浓缩、毒性试验、样本的制备（冷）或存放。

该系统还可在快速回路中包括位于液体样本分析器的下游的罐，该系统被设置成使得，当使用该系统时，系统中的任何多余冷凝物经过毛细管被输送至该罐，从而控制所述冷凝器中的冷凝物的水平面。因此，通过该应用，快速回路可用于通过排出在冷凝器中积聚的液体并控制冷凝器中的液体水平面来对冷凝物进行连续的分析。

可在低于0°C的温度下操作冷凝器。因此，冷凝器可在设备中实际实现的任何温度下操作。在冷凝器中形成冰的情况下，可通过例如安装在冷凝器上的加热线圈间歇地熔化冰来获得液体样本。

液体样本可以是吸收溶液。这意味着快速回路可用于对任何吸收液体进行在线分析，虽然该方法也适于手动采样和分析。快速回路的应用提供了避免在分析前形成回避气体加热的优势，因而阻止了样本中因热反应而导致的化学变化。

该系统还可包括位于液体分析器的下游的用于从系统收集废弃吸收剂的罐、以及新吸收剂源。新吸收剂可被连续地或分批地馈送至快速回路，同时废弃吸收剂可从系统被移除，以使得吸收溶液在液体源中的停留时间受到控制。因此，可通过将多余液体抽取到废料罐而使冲击器的液体量保持处于恒定量。可在过程中监控被抽取的多余液体的量。

通过受控地增加新吸收剂并排出所用吸收剂，可控制吸收溶液的停留时间，并且以此方式可控制气体分析的检测限度（较长的停留时间提供较低的检测限度）。较长的停留时间将以此方式对被采样的气体中存在的成分提供极低的检测限度。因此，通过快速回路的这种应用，可连续地、自动化且在线进行吸收溶液的分析。

新吸收剂存储器和废料罐以及任何关联的配件可定位成远离冲击器、靠近分析器。

在冲击器中的被采样气体中存在的水的冷凝可有助于使吸收溶液的量随时间增加。为了对吸收媒质的稀释度进行完全控制，可在吸收溶液中使用惰性内标。液体分析器可连续监控内标的浓度，以便在对所监控的气体浓度的计算中调整媒质的稀释度。

此外，快速回路分析原理可应用于任何液体样本的分析，例如来自过程反应器的那些样本。

现将参照附图描述根据本发明的系统的实施例，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明的流体输送系统或快速回路；

图2A示意性示出了可在根据本发明的系统中使用的自动注射器瓶；

图2B和2C示出了自动注射器瓶的实施例；

图3示意性示出了快速回路的冷阱应用；

图4示意性示出了具有等动力气体采样的冷阱；

图5示意性示出了通过吸收溶液快速回路对气体分析的应用；

图6A至6C示出了在线气体采样单元原型；

图7示出了使用气体采样单元原型检测到的单乙醇胺随时间的浓度。

图1示出了流体输送系统的示意性图示。待分析的液体被包含在储液器或液体源10中。液体样本分析器或样本收集器20被定位成远离液体源10，相隔少于10米直至相隔几百米。分析器20可以是适于液体分析例如液相色谱-质谱分析（LC-MS）的任何分析单元。分析器20可以自动化进行在线液体分析。

液体样本从源10经过长毛细管线路30流至分析器20，长毛细管线路30连接源10和分析器20。液体可通过毛细管作用在重力的影响下或抵抗重力而流经毛细管30。系统可包括将液体样本泵浦经过毛细管30的泵浦装置（未示出）。

毛细管30可将来自源10的液体仅以一个方向输送至分析器20，或者可替换地，毛细管10可形成如图1所示的环路使被输送至分析器20的液体中的一些或全部返回到液体源10。

快速回路可设置有采样瓶40。虽然自动注射器瓶优选能够自动采样，但是任何适于将来自毛细管30的样本注入到分析器20内的瓶40都可使用。优选地，自动注射器瓶是允许连续液体流经其的流通池。

图2A是可形成根据本发明的快速回路的一部分的自动注射器瓶40的示意性图示。该瓶可具有标准自动注射器瓶的尺寸。可使用针刺穿顶盖通过瓶对液体进行采样，如同在标准自动注射器瓶中进行的那样。如果瓶是流通池，则流入快速回路的所有液体流经该瓶。该瓶可被制造成适合任何标准自动注射器托盘（如图2C所示），或者自动液体分析器的馏分收集器。

快速回路可与各种类型的用于液体分析的设备共同使用，而无需对分析器20自身进行修改，只要本领域公知的自动化采样装置诸如自动采样器是可使用的即可。来自瓶40的液体也可被自动地采样到馏分收集器中供以后被其他装置进行分析，或者在不存在分析设备的情况下进行离线分析。

应该领会，快速回路分析可用于分析任何液体样本，例如来自过程反应器的那些。通过快速回路进行的液体分析的尤其有用的应用是对通过干燥湿气而形成的冷凝物进行分析，优选在线进行。

图3示出了使用快速回路的气体分析应用的示意性图示，同此也被称为冷阱（cold-trap）。在该应用中，液体源10是冷凝器。湿气流进冷凝器10，在冷凝器10处被冷却和冷凝。所形成的冷凝物在冷凝器的底部被收集，同时干燥气体流出冷凝器到干燥气体分析器（未示出）。

使用如图1所描述的快速回路对来自冷凝器的液体样本进行分析。优选地，冷阱被自动化以便在线进行分析。

冷凝器可在装置中实际可获得的任何温度下运行，包括低于0°C的温度。在冷凝器中形成冰的情况下进行的液体采样可通过融化冰来进行。优选地，可通过任何适当的装置，诸如安装在冷凝器上的加热线圈间隙地融化冰。

冷阱还可包括罐50，罐50位于液体样本分析器20的下游。当使用该系统时，系统中的任何多余冷凝物通过毛细管30被输送至罐50，从而控制冷凝器10中的冷凝水平面。因此，通过该应用，快速回路可用于通过排出冷凝器10中积聚的液体并控制冷凝器10中的液体水平面来对冷凝物进行连续的分析。

罐50和任何关联的配件可定位成远离冷凝器10、靠近分析器20。在图3所示的实施方式中，毛细管30形成环路，液体回到冷凝器10。可替换地，快速回路可被设置成实现单向液体至分析器的连续排放（实施方式未示出）。

在没有任何吸收媒质的情况下对湿气中存在的水溶性成分进行分析虑及用于化学分析的更多种技术，包括衍生化、浓缩、毒性试验或者样本的（冷）保存。当关注的成分全部为水溶性成分时，对冷凝物的这种监控在使用能够移除大部分水的优化冷凝器的情况下提供了令人满意的气体分析。

对快速回路的应用中冷凝物进行分析具有得到极低检测限度的可能性。该应用可使用液体/气体色谱分析-质谱分析（LC-MS/GC-MS）来识别未知成分，尽管设置虑及用于在线或手动液体分析的广泛的可能方法。

图4示出了以上描述的冷阱的另一应用。待分析的气体可从管道通过冷却吸入管6抽取。当气体流进入吸入管6时，可使用喷嘴5控制气体流。包含液滴、气溶胶和形成的冷凝物的湿气流至冷凝器10。冷凝器10将气体冷却或者将气体保持在相同的温度或采样点处。然后来自冷凝器10的干燥的气流在朝冷凝器10的下游被分割以到达具有不同的流动需求的不同分析器8、9，以便进行等动力测量。

当采样到热且潮湿的气体时，从吸入管6开始的两步冷却可阻止形成可能逃出冷凝器10的雾。此外，在冷凝器下游的除雾器可移除逃出的液滴。用于此目的的冷凝器的实际选择可以是具有自动化冷凝物收集的标准珀尔帖（peltier）冷却干燥器。

根据本发明的流体输送系统中的液体可以是吸收溶液。图5示出了快速回路通过吸收溶液进行气体分析的应用。在该应用中，液体源10是气体采样器或者包括吸收溶液的冲击器。使用如图1所示的快速回路对吸收溶液的液体样本进行分析。新吸收剂从新吸收剂存储器70被连续地或分批馈送至快速回路，使用过的或废弃的吸收剂通过排放至废料罐80而从系统移除。因此，通过将多余液体抽取到废料罐80，冲击器10的液体量保持处于恒定量。可在该过程中监控被抽取的多余液体的量。

新吸收剂存储器和废料罐80以及任何关联的配件可定位成远离冲击器10、靠近分析器20。包括液体和气体泵、气体流量计和液体分析器20自身的其他全部较重配件（未示出）可定位成远离气体采样器10或采样点。因此，气体采样单元具有相对低的重量以及空间需求。

在冲击器10中的被采样气体中存在的冷凝水可有助于使吸收溶液的量随时间增加。为了对吸收媒质的稀释度进行完全控制，可在吸收溶液中使用内标。液体分析器20可连续地监控内标的浓度，以便在对所监控的气体浓度的计算中调整媒质的稀释度。

通过控制新吸收剂输入速率和排放的废料液体，可控制气体采样器中液体的停留时间。较长的停留时间将以此方式对所采样的气体中存在的成分提供极低的检测限度。因此，通过快速回路的这种应用，对吸收溶液的分析可以是连续的、自动化并且是在线的。

为了在独立于液滴的颗粒尺寸的情况下获得被采样的气流中存在的液滴和气溶胶的典型采样，可对气体进行等动力的采样，即，通过与主流的相同速率。这能够通过在采样点调整从自动测量的气体速率所采样的气体体积流量而获得。

图6A至图6C示出了根据本发明的通过使用快速回路的LC-MS为在线气体分析所研发的原型。已使用该原型进行了实验。实验已示出远程定位的LC-MS分析器能够以几分钟的响应时间检测来自吸收塔的气体中存在的较低浓度的单乙醇胺（MEA）。图7示出了所检测的MEA的浓度随时间的变化。

应该注意，在实验中没有尝试通过增加快速回路的流量或者调谐气体采样单元的设置来优化响应时间。应该领会，通过对冲击器中的连续吸收溶液应用较长停留时间，甚至在气体具有较高含水量以及具有气溶胶和液滴的情况下，也可实现极低的检测限度。

Claims (16)

1.一种流体输送系统，用于将来自液体源的液体样本输送至远程液体样本分析器，所述系统包括毛细管，所述毛细管连接所述液体源和所述液体样本分析器，所述系统被设置成使得，在使用中，液体从所述液体源经过所述毛细管流到所述液体样本分析器，其中，所述毛细管在所述液体源与所述液体样本分析器之间形成环路，并且所述系统还包括用于将所述液体样本泵浦经过所述毛细管的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述毛细管线路中被输送的液体样本的量小于所述液体源中液体的量。

3.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，液体连续地从所述液体源流到所述液体样本分析器。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括用于对来自所述毛细管的液体进行采样的瓶。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述瓶是自动注射器瓶。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述自动注射器瓶是流通池。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的系统，其中，所述瓶被连接至所述液体样本分析器。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的系统，其中，所述瓶被连接至馏分收集器。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体样本是冷凝物，所述液体源是冷凝器。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括位于所述液体样本分析器的下游的罐，所述系统被设置成使得，在使用中，所述系统中的多余冷凝物被输送至所述罐，从而控制所述冷凝器中的冷凝物的水平面。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，在低于0℃的温度下操作所述冷凝器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，通过间歇地融化形成在所述冷凝器中的冰来获得所述液体样本。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体样本是吸收溶液。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括位于所述液体分析器的下游的用于从所述系统收集废弃吸收剂的罐、以及新吸收剂源，其中，所述系统被设置使得，在使用中，新吸收剂被馈送至所述系统，所述废弃吸收剂从所述系统被移除，使得所述吸收溶液在所述液体源中的停留时间受到控制。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述新吸收剂包括惰性内标。

16.根据权利要求1至15中任一项的系统在连续在线样本监控处理中的用途。