CN106483090A - 一种气体在线红外光谱仪预处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体在线红外光谱仪分析的样品预处理装置。所述预处理装置包括冷却单元、沉降分离单元和调节单元，以实现对气样的降温冷却、净化除杂及压力流速调节，满足在线红外气体分析仪测试需求。所述装置可用于不同领域，如炼油厂、乙烯厂、芳烃厂、天然气化工等。本发明还公开了将所述装置用于气体样品预处理的方法。

Description

一种气体在线红外光谱仪预处理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气体在线红外光谱仪预处理装置，以及使用该装置对气体进行预处理的方法。

背景技术

作为乙烯、丙烯、丁二烯等重要基础有机化工原料的生产装置，乙烯裂解炉、碳二加氢反应器、碳三加氢反应器的物料分析十分重要，例如测定CH₄、C₂H₄、C₃H₆含量可以了解裂解炉裂解深度，测定C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆含量可以了解碳二加氢反应转换率，测定C₃H₈、PD(丙炔)、MA(丙二烯)含量可以了解碳三加氢反应转换率。气相色谱法是常用的分析方法之一。例如对于乙烯裂解炉裂解气的组成分析，主要是采用多维气相色谱仪，通过多柱多阀的切换系统，使样品气中不同组分在指定的色谱柱上分离检测。然而上述装置存在物料馏程范围宽、温度高等特点。如乙烯裂解炉急冷器出口气样既包含H₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈等轻质组分，又含有裂解汽油、柴油、焦油等重质组分，组成复杂、含水量大，且不可避免的带有固体杂质。其中的重质烃类、固体杂质等可能污染、堵塞分析系统，影响在线取样分析系统的正常运行，进而影响分析数据的准确性。并且水、无机酸等杂质进入色谱柱，可能将色谱柱的固定相溶解带走，造成色谱柱污染，引起其柱效降低、分离效果变差。因此在样品输出到色谱分析仪器前，需要建立预处理装置，对样品进行净化、干燥等预处理工作，以除去样品中的水、重质烃类等液相组分及固体杂质，为在线分析仪提供洁净、稳定的分析样品。

中国专利CN201173877提出针对在线色谱分析的预处理装置，所述预处理装置连接在裂解炉换热器出口，采用单个冷却器冷却至17℃进行气液分离，其分离效果有限，需要进一步采用过滤器进行净化和干燥。中国专利CN102288706A、CN103091426A、CN103091427A、CN103091428A提出针对在线色谱分析的预处理装置及使用方法，所述预处理装置连接在裂解炉漩涡冷却器出口，采用缓冲沉降罐进行气液分离，不能满足裂解炉急冷器出口气样温度高、含油含水量大的净化分离需求。且在线色谱分析对水有严格控制，所述预处理装置需要过滤干燥。

与实验室用气相色谱仪相比，在线气相色谱仪最大的特点是需要防爆设施，以用于易燃易爆场所，防范现场不安全因素。且由于用于烃类检测的FID检测器需要燃气H₂、助燃气O₂及载气等，使得在线色谱仪往往离取样点有一定距离。以乙烯裂解气在线色谱分析为例，取样点需要在漩涡冷却器之后，而漩涡冷却器处于裂解炉总管处，难以反映单台裂解炉工况。相反的，具有防爆装置的光谱分析仪则可以放置在取样点附近，以减少分析误差。

红外光谱(Infrared spectroscopy,IR)气体分析仪是利用气体分子对红外光谱的选择性吸收测量待测组分浓度，具有测量精度高，速度快以及能连续测定等特点。由于大多数气体分子的振动和转动光谱都在红外波段，且红外光谱技术无需消耗载气，可实现多组分气体的快速分析，因此在线红外光谱气体分析仪已经成为钢铁、石化等工业部门生产流程控制的重要监测手段。但是样品中存在的重质烃类、水及固体杂质所产生的强烈吸收，都可能掩盖或干扰轻质烃类的红外特征信号；且样品温度、压力、流速等性质的波动也会影响分析数据的准确性，进而影响红外分析仪的灵敏度及连续、稳定运行。因此在在线红外气体分析中，建立预处理装置对样品进行降温、除杂、干燥、流速调节等预处理，是非常必要和重要的。

发明内容

针对在线色谱不能在乙烯装置取样点附近近距离分析样品的问题，本发明提供了一种气体在线红外光谱仪预处理装置，实现对待测样品气的降温冷却、干燥除杂及压力、流速调节等预处理，以保证红外分析仪的稳定运行及红外分析数据的准确性，为工业装置连续运行、控制系统实时有效监控提供相关数据积累。

本发明提供的气体在线红外光谱仪预处理装置，包括：

冷却单元，用于对样品气进行冷却和气液分离，得到第一气相组分；

沉降分离单元，其与所述冷却单元的出气口连接，用于对第一气相组分进行沉降分离，得到第二气相组分；以及

调节单元，其与所述沉降分离单元的出气口连接，用于对第二气相组分进行干燥，以及压力和流速调节，将具有适宜温度、压力和流速的气体组分输入红外光谱仪进行成分分析。

根据本发明，所述冷却单元由一个或多个冷却子单元组成。所述冷却子单元包括套管型冷却器、用于收集从套管型冷却器中排出液体的积液罐，以及用于测量冷却子单元出气口温度的温度探测器。

在本发明的一个实施例中，所述冷却子单元包括：

与样品气入口连接，用于冷却样品气的套管型冷却器；

积液罐，其与套管型冷却器的出口连接，用于收集从套管型冷却器中的排出液体；以及

温度探测器，其位于冷却子单元的出气口位置，用于测量冷却子单元的出气口温度。

所述套管型冷却器可使用循环水制冷。

所述样品气在冷却子单元内的流向如下：首先样品气进入套管型冷却器内被冷却，气液分离后得到液相组分(可能夹带有固相组分)和气相组分，其中液相组分在与套管型冷却器连接的积液罐内收集，气相组分从冷却子单元的出气口排出，通过温度探测器测量其温度。

多个(两个以上)冷却子单元可串联或并联使用：如采用串联方式，样品气在第一个冷却子单元的套管型冷却器内被冷却，气液分离后得到液相组分和气相组分，其中液相组分进入与套管型冷却器连接的积液罐，气相组分进入下一个冷却子单元并重复上述过程，如此在最后一个冷却子单元的出口位置得到第一气相组分；如采用并联方式，当使用的冷却子单元失效时，可以不切断样品气进气路，选择并切换至其它的冷却子单元，完成样品气冷却和气液分离，并输出至下一级的沉降分离单元，同时更新失效的冷却子单元。

根据本发明，所述沉降分离单元由一个或多个沉降分离子单元组成。在本发明的一个实施例中，所述沉降分离子单元包括：

缓冲沉降罐，其与冷却单元的出气口连接，用于使第一气相组分进一步分离；以及

排液罐，其与缓冲沉降罐的液相出口连接，用于收集从缓冲沉降罐中排出的液相和可能存在的固相组分。

所述第一气相组分在沉降分离子单元内的流向如下：首先第一气相组分在缓冲沉降罐内进行沉降分离，得到液相组分(可能夹带有固相组分)和气相组分，其中液相组分进入排液罐，气相组分从缓冲沉降罐出口位置排出。

多个(两个以上)沉降分离子单元可串联或并联使用：如采用串联方式，第一气相组分在第一个沉降分离子单元的缓冲沉降罐内气液分离，得到液相组分和气相组分，其中液相组分进入排液罐，气相组分进入下一个沉降分离子单元并重复上述过程，如此在最后一个沉降分离子单元的出口位置得到第二气相组分；如采用并联方式，当使用的沉降分离子单元失效时，可以不切断第一气相组分进气路，选择并切换至其它的沉降分离子单元，完成第一气相组分的沉降分离，并输出至下一级的调节单元，同时更新失效的沉降分离子单元。

根据本发明，所述调节单元由一个或多个调节子单元组成。所述调节子单元包括串联的干燥器、压力调节器和流速调节器。在本发明的一个实施例中，第二气相组分依次通过干燥器除水、压力调节器调压和流速调节器调速，最后进入红外光谱仪。

由于红外检测中水峰影响大，因此需要对样品气除水。在预处理过程中，大部分的水通过前述的冷却和沉降分离除去。为不干扰后续分析，这里再通过干燥器除去残量水分。干燥器的选择和类型是本领域公知的，可采用CaCl₂或其它任何不吸收目标分析气体，可以达到预处理目的的干燥剂。

所述预处理装置可根据现场实际情况及气样条件，综合考虑气样温度及可能夹带的堵塞管路的各种杂质，以及在线红外气体分析仪对气样测试条件的要求，灵活配置所述调节子单元的数量。多个(两个以上)调节子单元可并联使用，以实现样品气不间断实时在线预处理，对于复杂气样分析尤为适用。当使用的调节子单元失效时，可以不切断气路，选择并切换至其它的调节子单元，完成气体流速调节，并输出至在线红外气体分析仪采样操作系统，同时更新失效的调节子单元。并联调节子单元的选择及切换通过多通阀实现，如此反复以实现样品气的实时在线连续预处理。

本发明还提供了一种气体在线红外光谱仪预处理方法，其使用本发明提供的预处理装置，步骤如下：

a、将样品气通入所述预处理装置，在冷却单元内进行冷却和气液分离，在冷却单元出口得到第一气相组分。

b、将第一气相组分通入沉降分离单元，在沉降分离单元内进一步气液分离，在沉降分离单元出口得到第二气相组分。

c、将第二气相组分通入调节单元，在调节单元内进行干燥，以及压力和流速调节，最后输入红外光谱仪进行成分分析。

使用多个并联的调节子单元时，当某一调节子单元失效时，可以不切断气路，切换至另一未使用的调节子单元，同时更新失效的调节子单元。

在本发明的一个实施例中，步骤a所述第一气相组分的温度为10-180℃，更优选10-50℃。步骤c所述压力调节器的压力范围为0.10-0.20MPa，更优选0.10-0.12MPa；所述流速调节器的流速范围为100-1000mL/min，更优选100-400mL/min。

根据本发明，所述样品气中包括CO、CO₂，以及C1-C7气相烃。

在本发明的一个实施例中，所述样品气为乙烯裂解气，样品气的取样点可设在单台裂解炉急冷器出口处，能更好反映单台裂解炉的生产状况。

在本发明的另一个实施例中，所述样品气为碳二/碳三加氢反应物料，即碳二/碳三加氢的反应物或产物。样品气的取样点可设在加氢反应器入口或出口处，以反映加氢反应的转化率。

本发明提供的方法也可以用于其它气相烃类组成及含量测试，如生物质燃气或天然气分析等。

本发明的特点是：(1)为在线红外气体分析仪提供了一种实时在线气体预处理装置。(2)本发明通过冷却单元、沉降分离单元和调节单元，有效降低待测气样温度，去除气样中夹带的水分、重质烃类、固体杂质等可能造成的荧光干扰，为在线红外气体分析仪提供稳定可控的分析样品，保证了红外检测的准确性和灵敏度。(3)本发明装置结构简单、小巧、易于实现，可根据现场情况及气样条件，灵活配置调节子单元数量，实现对红外光谱仪分析气体实时在线预处理，从而确保分析数据的实时、准确、有效。(4)本装置采用集成式设计便于使用和维护，可用于不同领域，如炼油厂、乙烯厂、芳烃厂、天然气化工等。

附图说明

图1为所述预处理装置的结构示意图，样品气为乙烯裂解气。

图2为所述预处理装置的结构示意图，样品气为碳三加氢反应器入口气体。

图3为所述预处理装置的结构示意图，样品气为碳二加氢反应器出口气体。

具体实施方式

下面对照附图并结合实施例进一步详述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于下述具体实施方式。

实施例1

乙烯裂解炉出口气样在线红外气体分析仪预处理装置：

如图1所示，所述预处理装置包含冷却单元A、沉降分离单元B和调节单元C，采用不锈钢管线顺次连接，各管路均设有阀门。

其中冷却单元A包括依次串联的冷却子单元A1、A2、A3。冷却子单元A1包括与样品气入口连接的套管型冷却器a1，与套管型冷却器出口连接用于收集排出液体的积液罐a2，以及位于冷却子单元A1的出气口位置，用于测量出口气体温度的温度探测器a3。冷却子单元A2包括套管型冷却器a4、积液罐a5和温度探测器a6，各部分连接方式与冷却子单元A1相同。类似地，冷却子单元A3包括套管型冷却器a7、积液罐a8和温度探测器a9。其中冷却子单元A1的样品气出口与套管型冷却器a4的入口连接，冷却子单元A2的气体出口与套管型冷却器a7的入口连接，冷却子单元A3的气体出口与沉降分离单元B的进气口连接。套管型冷却器a1、a4、a7使用循环水制冷。

沉降分离单元B中仅含有一个沉降分离子单元。所述沉降分离子单元包括与冷却子单元A3的气体出口连接的缓冲沉降罐b1，以及与缓冲沉降罐b1的液相出口连接的排液罐b2。缓冲沉降罐b1气相出口通过四通阀D与调节单元C连接。

调节单元C包括并联的调节子单元C1、C2和C3。其中调节子单元C1包括依次串联的干燥器c1、压力表c2和流量计c3，调节子单元C2包括依次串联的干燥器c4、压力表c5和流量计c6，调节子单元C3包括依次串联的干燥器c7、压力表c8和流量计c9。调节单元C一端通过四通阀D与沉降分离单元B连接，另一端通过四通阀E与红外光谱仪连接。

预处理装置准备工作：工作前所述预处理装置进出口的开关阀处于关闭状态。首先打开冷却水循环开关，冷却单元A开始制冷。然后确认与沉降分离单元B出口连接的四通阀D及与调节单元C出口连接的四通阀E选择同一调节子单元C1。稳定数分钟后，开启所述预处理装置进出口开关阀。

预处理装置工作过程：裂解气进入所述预处理装置，在冷却子单元A1的套管型冷却器a1内被冷却，气液分离后得到液相组分(可能夹带有固相组分)和气相组分，其中液相组分进入积液罐a2收集，气相组分从冷却子单元的出口位置排出，进入冷却子单元A2的套管型冷却器a2，通过温度探测器a3测量该气相组分的温度为100℃。随后，样品气经冷却子单元A2降温至50℃，经冷却子单元A3降温至10℃。冷却得到的水、重质烃类等液相组分及夹带的固体杂质在冷却单元A中的积液罐a2、a5、a8中收集，得到的气相组分进入沉降分离单元B，即为第一气相组分。第一气相组分在沉降分离单元B内进入缓冲沉降罐b1沉降分离，分离得到的水、重质烃类等液相组分及夹带的固体杂质进入排液罐b2收集，得到的气相组分进入调节单元C，即为第二气相组分。在调节子单元C1内，第二气相组分经干燥器c1进一步除水，压力表c2调节气样压力为0.12MPa，经流量计c3调节流速为100mL/min，稳定输出后经连接管线输入在线红外气体分析仪采样操作系统。当调节子单元C1失效时，可以不切断气路，通过与沉降分离单元B出口连接的四通阀D及与调节单元C出口连接的四通阀E同时选择并切换至未使用的并行调节子单元C2或C3，完成气体流量调节，同时更新失效调节子单元C1，如此反复，以完成样品气的实时在线连续预处理，满足红外光谱仪快速实时分析需求。

表1为采用同一预处理装置，对不同批次的乙烯裂解气(以气样1-3表示)进行预处理后，采用IGS型在线红外气体分析仪的分析结果。

表1

实施例2

碳三加氢反应器入口气体在线红外气体分析仪预处理装置：

如图2所示，所述预处理装置包含冷却单元A，沉降分离单元B和调节单元C，采用不锈钢管线顺次连接，各管路均设有阀门。

其中冷却单元A仅含有一个冷却子单元，包括与样品气入口连接的套管型冷却器a1，与套管型冷却器出口连接用于收集排出液体的积液罐a2，以及位于冷却单元A的出气口位置，用于测量样品气的出口温度的温度探测器a3。冷却子单元的气体出口与沉降分离单元B的进气口连接。套管型冷却器a1使用循环水制冷。

沉降分离单元B中仅含有一个沉降分离子单元。所述沉降分离子单元包括与冷却单元A的气体出口连接的缓冲沉降罐b1，以及与缓冲沉降罐b1的液相出口连接的排液罐b2。缓冲沉降罐b1气相出口通过三通阀F与调节单元C连接。

调节单元C包括并联的调节子单元C1和C2。其中调节子单元C1包括依次串联的干燥器c1、压力表c2和流量计c3，调节子单元C2包括依次串联的干燥器c4、压力表c5和流量计c6。调节单元C一端通过三通阀F与沉降分离单元B连接，另一端通过三通阀G与红外光谱仪连接。

预处理装置准备工作：工作前所述预处理装置进出口开关阀处于关闭状态。首先打开冷却水循环开关，冷却单元A开始制冷。然后确认与沉降分离单元B出口连接的三通阀F及与调节单元C出口连接的三通阀G选择同一调节子单元C1。稳定数分钟后，开启所述预处理装置进出口开关阀。

预处理装置工作过程：碳三加氢反应器入口气体进入所述预处理装置，在冷却单元A内经套管冷却器a1降温冷却进行气液分离。冷却得到的水、重质烃类等液相组分及夹带的固体杂质在积液罐a2中收集，得到的气相组分通过温度探测器a3测得其温度为40℃，即为第一气相组分，进入所述预处理装置沉降分离单元B。第一气相组分在沉降分离单元B内经缓冲沉降罐b1沉降分离，分离得到的水、重质烃类等液相组分及夹带的固体杂质进入排液罐b2收集，得到的气相组分进入调节单元C，即为第二气相组分。在调节子单元C1内，第二气相组分经干燥器c1进一步除水，压力表c2调节压力为0.10MPa，经流量计c3调节流速范围为400mL/min，稳定输出后经连接管线输入在线红外气体分析仪采样操作系统。当调节子单元C1失效时，可以不切断气路，通过与沉降分离单元B出口连接的三通阀F及与调节单元C出口连接的三通阀G同时选择并切换至未使用的并行调节子单元C2，完成气体流量调节，同时更新失效调节子单元C1，如此反复，以完成样品气的实时在线连续预处理，满足红外光谱仪快速实时分析需求。

表2为采用同一预处理装置，对不同批次的碳三加氢反应器入口气体(以气样4-6表示)进行预处理后，采用IGS型在线红外气体分析仪的分析结果。

表2

实施例3

碳二加氢反应器出口气体在线红外气体分析仪预处理装置：

如图3所示，所述预处理装置包含冷却单元A，沉降分离单元B和调节单元C，采用不锈钢管线顺次连接，各管路均设有阀门。

其中冷却单元A仅含有一个冷却子单元，包括与样品气入口连接的套管型冷却器a1，与套管型冷却器出口连接用于收集排出液体的积液罐a2，以及位于冷却子单元A1的出气口位置，用于测量出气口温度的温度探测器a3。冷却子单元的气体出口与沉降分离单元B的进气口连接。套管型冷却器a1使用循环水制冷。

沉降分离单元B中仅含有一个沉降分离子单元。所述沉降分离子单元包括与冷却单元A的气体出口连接的缓冲沉降罐b1，以及与缓冲沉降罐b1的液相出口连接的排液罐b2。缓冲沉降罐b1气相出口通过单阀H与调节单元C连接。

调节单元C仅含有一个调节子单元，其包括依次串联的干燥器c1、压力表c2和流量计c3。调节单元C一端通过单阀H与沉降分离单元B连接，另一端通过单阀I与红外光谱仪连接。

预处理装置准备工作：工作前所述预处理装置进出口开关阀处于关闭状态。首先打开冷却水循环开关，冷却单元A开始制冷。稳定数分钟后，开启所述预处理装置进出口开关阀。

预处理装置工作过程：碳二加氢反应器出口气体进入所述预处理装置，在冷却单元A内经套管型冷却器a1降温冷却进行气液分离。冷却得到的水、重质烃类等液相组分(可能夹带有固相组分)在积液罐a2中收集，得到的气相组分通过温度探测器a3测得其温度为50℃，即为第一气相组分，进入所述预处理装置沉降分离单元B。第一气相组分在沉降分离单元B内进入缓冲沉降罐b1沉降分离，分离得到的水、重质烃类等液相组分及夹带的固体杂质进入排液罐b2收集，得到的气相组分进入调节单元C，即为第二气相组分。在调节子单元内，第二气相组分经干燥器c1除水，压力表c2调节气样压力为0.11MPa，经流量计c3调节流速为200mL/min，稳定输出后经连接管线输入在线红外气体分析仪采样操作系统。

表3为采用同一预处理装置，对不同批次的碳二加氢反应器出口气体(以气样7-9表示)进行预处理后，采用IGS型在线红外气体分析仪的分析结果。

表3

本发明提供的用于在线红外气体分析仪的样品预处理装置，其效果在于可有效除去气样中重质烃类等杂质，降低气样温度，稳定气样流速，为在线红外气体分析仪提供洁净、干燥、稳定的分析样品，满足红外分析仪测试需求，保证仪器稳定运行。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种气体在线红外光谱仪预处理装置，包括：

冷却单元，用于对样品气进行冷却和气液分离，得到第一气相组分；

沉降分离单元，其与所述冷却单元的出气口连接，用于对第一气相组分进行沉降分离，得到第二气相组分；以及

调节单元，其与所述沉降分离单元的出气口连接，用于对第二气相组分进行干燥及压力和流速调节，将具有适宜温度、压力和流速的气体组分输入红外光谱仪进行成分分析。

2.根据权利要求1所述的预处理装置，其特征在于，所述冷却单元由一个或多个冷却子单元组成，所述冷却子单元包括套管型冷却器、用于收集从套管型冷却器中排出液体的积液罐，以及用于测量冷却子单元出气口温度的温度探测器。

3.根据权利要求1所述的预处理装置，其特征在于，所述沉降分离单元由一个或多个沉降分离子单元组成，所述沉降分离子单元包括：

缓冲沉降罐，其与冷却单元的出气口连接，用于使第一气相组分进一步分离；以及

排液罐，其与缓冲沉降罐的液相出口连接，用于收集从缓冲沉降罐中排出的液相和可能存在的固相组分。

4.根据权利要求1所述的预处理装置，其特征在于，所述调节单元由一个或多个调节子单元组成，所述调节子单元包括串联的干燥器、压力调节器和流速调节器。

5.根据权利要求4所述的预处理装置，其特征在于，多个调节子单元并联使用，当某一调节子单元失效时，切换至另一未使用的调节子单元。

6.一种气体在线红外光谱仪预处理方法，其使用权利要求1至5任一项所述的预处理装置，步骤如下：

a、将样品气通入所述预处理装置，在冷却单元内进行冷却和气液分离，在冷却单元出口得到第一气相组分；

b、将第一气相组分通入沉降分离单元，在沉降分离单元内进一步气液分离，在沉降分离单元出口得到第二气相组分；

c、将第二气相组分通入调节单元，在调节单元内进行干燥，以及压力和流速调节，最后输入红外光谱仪进行成分分析。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用多个并联的调节子单元时，当某一调节子单元失效，切换至另一未使用的调节子单元。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一气相组分的温度为10-180℃，优选10-50℃；所述压力调节器的压力范围为0.10-0.20MPa，优选0.10-0.12MPa；所述流速调节器的流速范围为100-1000mL/min，优选100-400mL/min。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述样品气中包括CO、CO₂，以及C1-C7气相烃。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述样品气为乙烯裂解气或碳三/碳二加氢反应物料。