CN106896179A - 一种氟化工行业的环境在线监测系统和在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种氟化工行业的环境在线监测系统,包括样品采集单元、多通路综合分析单元和数据采集控制中心,样品采集单元通过管路连接多通路综合分析单元,多通路综合分析单元连接所述数据采集控制中心;在线采集系统包括采集口、束管、多通道切换阀,束管组成的管路上设置多通道切换阀,所述多通路综合分析单元包括可调式分配器电子流量控制器、抽气泵和气相色谱质谱检测设备。本发明的监测系统及监测方法克服了现有技术中,劳动量大、危险性高、动物监测不准确等缺点,可应用于氟化工生产现场、氟化工原料产品储存区域等的在线监测,避免了人员与有毒物质的直接接触,能直观反映泄漏物质的种类与含量,具有非常好的重现性和准确性。
Description
技术领域
本发明属于环境监测领域,具体涉及一种对有机氟、氯、硫气体进行监测的系统及其应用。
背景技术
我国氟化工始于上世纪50年代后期,经过50多年的发展取得了很大进步。氟化工涉及领域广泛,工艺流程长,其起点是将萤石提炼成氟化氢,然后以氟化氢为原料分成四个方向:ODS(消耗臭氧层物质)替代品(也就是制冷剂)、含氟聚合物(聚偏氟乙烯、氟橡胶、聚四氟乙烯等)、含氟精细化学品及氟化盐。氟化工工业总体特性为:工艺复杂,难度系数大,腐蚀性大,反应过程危险性高,中间体多为有毒有害物质,有些甚至是剧毒物质,人体长期接触氟化物易致患氟骨病等职业病。因此在氟化工领域对于化工过程和化工现场监测是一门及其重要的学科,要求能及时准确发现装置的微量泄漏,准确监控生产现场空气中氟化物的含量,及时处置生产异常情况,将环境污染和人体危害降至最低。
目前我国氟化工行业的在线监测装置和技术比较落后,没有针对性的气体氟化物泄漏在线监测装置和技术的报告,目前通常采用监测装置和技术有:
1、人工现场采样,然后用气相色谱法分析,该方法的弊端是:劳动强度大,必须到现场采样,且人要直接接触现场,不利于对人的保护,自动化程度低。
2、在现场饲养小白鼠,该方法的弊端是:需要专人负责饲养小白鼠,受小白鼠的个体差异、现场风向,环境温湿度等外因影响较大,不直观,不能准确判断泄漏物种类与数量,甚至因误判导致不必要的恐慌。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种氟化工行业的环境在线监测系统。
本发明的另一目的是提出应用所述在线监测系统进行在线监测的方法。
本发明上述目的通过以下技术方案来实现:
一种氟化工行业的环境在线监测系统,包括样品采集单元、多通路综合分析单元和数据采集控制中心,所述样品采集单元连接所述多通路综合分析单元,所述数据采集控制中心通讯连接所述样品采集单元和所述多通路综合分析单元。
所述样品采集单元包括采集口、束管、多通道切换阀,采集口与束管连接,束管组成的管路上设置多通道切换阀;
所述多通路综合分析单元包括可调式分配器、电子流量控制器、抽气泵和气相色谱质谱检测设备。
系统中的数据采集控制中心对所述样品采集单元和所述多通路综合分析单元进行控制、数据采集和数据分析。
其中,所述采集口具有喇叭形进口,进口上铺设一层聚四氟乙烯双向拉伸透气膜,所述聚四氟乙烯双向拉伸透气膜经过拒油处理,聚四氟乙烯双向拉伸透气膜用不锈钢丝网骨架支撑在喇叭形进口上,所述不锈钢丝网骨架位于聚四氟乙烯双向拉伸透气膜内侧;并用环形固定压盖将聚四氟乙烯双向拉伸透气膜和不锈钢丝网骨架固定在外罩上;所述采集口的外罩为聚四氟乙烯材质。
进一步地,所述聚四氟乙烯双向拉伸透气膜厚度为20~200μm,孔隙率60~90%,平均孔径为0.4~1.0μm。所述不锈钢丝网骨架的网格尺寸为50~300目。
其中,所述束管的材质为聚烯烃、含氟塑料、去活紫铜管中的一种或多种。
所述束管的材质优选含氟塑料材质,不仅可以降低气体碳氢化合物、氟碳化物、含硫化合物等化学物质在束管上的吸附,提高系统的监测灵敏度和监测准确性,并且含氟塑料具有优异的耐候、耐介质、耐高低温等性能,可以保证束管在复杂化工环境下的使用寿命。
其中,所述多通道切换阀为2~12通道的多通道切换阀。
根据监测需要,检测系统有一台或多台气相色谱质谱联用仪并联组成。
其中,所述气相色谱质谱检测设备为1~10台气相色谱质谱联用仪,超过一台的检测设备互相并联;所述气相色谱质谱联用仪的色谱柱为GS-GasPro或CP-SilicaPLOT毛细管色谱柱。
其中,所述气相色谱质谱联用仪的定量环体积为1~4ml,优选2ml;毛细管色谱柱的规格为:其长度为15m、32m或60m,内径为0.25mm、0.32mm或0.53mm,优选32m×0.32mm。
其中,质谱检测设备为四级杆质谱仪,飞行时间质谱仪,串联四级杆质谱仪中的一种或多种。
本发明提出的环境在线监测系统的应用,适用于监测氟化工行业的环境中的有机气体,所述有机气体的通式为CaFbHcCldOeSf,其中a为0到10,b为0到22,c为0到22,d=为0到8,e为0到6,f为0到6。
应用所述的环境在线监测系统进行在线监测的方法,用样品采集单元采集环境中的气体,多通路综合分析单元进行气相色谱和质谱检测,其中气相色谱的升温条件为:
质谱的检测条件可以为:离子扫描SIM方式,四级杆质谱检测器,电子轰击EI,70eV。
本发明的有益效果为:
1)、在线监测有机气体泄漏,让人员完全不接触有毒有害物质;
2)、可准确直观反映环境中所含物质的种类和含量;
3)、重现性好,准确性高,灵敏度高。以S/N=3计算,本发明装置和技术对环境中有机气体的定量限低于1ppb(v/v),可满足氟化工领域对生产装置和生产现场的监测需要。
本发明的检测方法克服了现有技术中,劳动量大、危险性高、动物监测不准确等缺点,可应用于氟化工生产现场、氟化工原料产品储存区域及氟化工实验室等的在线监测,有效避免了人员与有毒物质的直接接触,能直观反映泄漏物质的种类与含量,并且具有非常好的重现性和准确性。
附图说明
图1:双气相色谱质谱联用仪监测装置示意图;其中J1-J12为采集口,1为电磁三通气体流量比例阀,2为电子流量计,3为静音型无油隔膜抽气泵,4为电子流量控制器,5为可调式分配器,6为定量环,7为毛细管色谱柱,8为质谱检测器。
图2:A型(上图)和B型(下图)采集口,图中9为聚四氟乙烯材质外罩,10为50-300目316L不锈钢材质丝网骨架,11为聚四氟乙烯双向拉伸透气膜,12为环形固定压盖。
图3:根据实施例4得到的采用本发明装置和技术监测的标准气体的总离子流图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1:氟化工行业的环境在线监测系统
本实施例的氟化工行业的环境在线监测系统包括样品采集单元、多通路综合分析单元和数据采集控制中心,样品采集单元通过管路连接所述多通路综合分析单元,所述多通路综合分析单元连接所述数据采集控制中心;
所述在线采集系统包括采集口、束管、多通道切换阀,采集口与束管连接,束管组成的管路上设置多通道切换阀;
所述多通路综合分析单元包括可调式分配器5电子流量计2、静音型无油隔膜抽气泵3和气相色谱质谱联用仪,参见图1,为典型并联型2×6位监测点,双气相色谱质谱联用仪并联,其中J1-J12为采集口,采集口通过六通道切换阀V1、V2进行切换,V1,V2连接束管,进入四通道切换阀V3,经电磁三通气体流量比例阀1和电子流量计2分配进入并联的两个六通道切换阀V4和V5,通过电子流量控制器4、可调式分配器5的控制,经定量环6进入毛细管色谱柱7(型号为GS-GasPro)和质谱检测器8(MSD)进行检测。
参见图2,采集口具有喇叭形进口,进口上铺设一层经过拒油处理的聚四氟乙烯双向拉伸透气膜11,聚四氟乙烯双向拉伸透气膜11用不锈钢丝网骨架10支撑在喇叭形进口上,不锈钢丝网骨架10位于聚四氟乙烯双向拉伸透气膜内侧(外侧是指采集口外部环境);并用环形固定压盖12将聚四氟乙烯双向拉伸透气膜11和不锈钢丝网骨架10固定在外罩上;所述采集口的外罩为聚四氟乙烯材质。A型的采集口的聚四氟乙烯材质外罩9为聚四氟乙烯材料上开出的喇叭形进口凹槽,B型的采集口的聚四氟乙烯材质外罩9为模压成型的喇叭口。
以位于反应釜上方的采集口为例,聚四氟乙烯双向拉伸透气膜厚度为50μm,孔隙率80%,平均孔径为0.5μm;不锈钢丝网骨架的网格尺寸为200目,材质为316L。
气相色谱质谱联用仪的定量环6体积为2ml;毛细管色谱柱7的规格为30m×0.32mm。
实施例2
本实施例中对目前市售的主流材质束管(其中去活紫铜管购自安捷伦公司)进行了比较,结果列于表1。采用的在线监测装置其他部件如实施例1所述,采用的标准气体是氮气稀释的含量为5ppb的一氯二氟甲烷。
表1主要束管材质
J1 | J2 | J3 | J4 | |
束管材质 | 聚乙烯 | 聚四氟乙烯 | 可熔性四氟树脂 | 去活紫铜管 |
束管长度 | 160米 | 160米 | 160米 | 160米 |
按照J1到J5的顺序,循环测试5次,其结果如下表:
表2:标准气体检测重现性
从本实施例中的实验数据可得知,选用聚四氟乙烯和可熔性四氟树脂的含氟树脂类束管,由于束管对含氟类气体组分几乎无吸附,且该类束管具有良好的耐高低温、耐腐蚀、耐候等优点。而聚乙烯与去活紫铜管材质的束管的重现性低于含氟树脂类束管,且复杂环境下的寿命也低于含氟树脂类,因此含氟树脂类束管是优选的束管材质,用在后续试验中。
实施例3
本实施例对采集口处采用拒油技术处理过聚四氟乙烯双向拉伸透气膜作为过滤膜的重要性进行了实验。本实施例进行了两个实验:实验一对三种过滤方式进行了比较,并采用实施例1的系统对氮气稀释的含量为10ppb的标准气体进行五次重复监测实验,过滤方式如表3,实验数据如表4;实验二:对三种过滤方式在油气较重的机房内进行了连续三个月的监测,实验结果如表5。
表3:过滤方式一览表
表4:标准气体检测重现性
表5:现场监测结果一览表
从本实施例的实验数据可知,用拒油技术处理过的聚四氟乙烯双向拉伸透气膜作为过滤膜,可有效过滤环境中的水汽、油气和固体杂质,且对监测结果无任何影响;而传统去水去油过滤装置因为对环境中的微量含氟气体有吸附作用,导致监测结果失真,因此不能作为本装置的过滤系统;如果不采用任何过滤装置,虽然在短期内没有影响,而一旦在复杂恶劣的化工中长周期运行,系统就会大量吸入水汽、油气和固体杂质等有害成分,导致系统寿命大大降低,甚至损坏和不能运行。
实施例4
本实施例用实施例1的系统检测标准气体中的含氟气体含量,并对本发明系统和方法进行了稳定性、准确性的评估。其中标准气体的组分及含量分别是:CF4 50ppb、C2F6 50ppb、C2F4 50ppb、CHF3 50ppb、C2H2F2 50ppb、C2HF3 50ppb、C2H3F 50ppb、C3F8 50ppb、C3F6 50ppb、CHF2Cl 5ppb、C4F8 50ppb、C-C4F8 50ppb。
气质联用仪型号:安捷伦6890-5973N
其中一路为:
色谱柱:GS-GasPro,30m×0.32mm
柱流量:1.5ml/min
检测器:四级杆质谱检测器
离子源:EI
进样压力:0.02Mpa
定量环体积:2ml
升温条件:
质谱检测器(MSD)电离方式:电子轰击EI,70eV
扫描模式:选择离子扫描SIM方式
选择扫描离子:时间0-15min,选择扫描离子131、100、69、63、51、45。
接口温度:280℃;
离子源温度:150℃;
离子源电压:由仪器自动调谐优化。
为了检测系统稳定性,对标准气体进行分析,如图1所示装置中,进样口选择J1、J6、J7和J12,其中:
表6:进样口设置
其工作序列如下表:
表7:标准气体检测工作序列表
按照上述条件对标准气体进行分析,其典型总离子流(TIC)图见附图3,其组分出峰顺序及其出峰时间见下表:
表8:标准气体各组分出峰时间表
序号 | 物质名称 | 出峰时间min |
1 | 3.41 | |
2 | 3.58 | |
3 | 4.01 | |
4 | 4.20 | |
5 | 4.43 | |
6 | 6.53 | |
7 | 7.01 | |
8 | 7.58 | |
9 | 9.81 | |
10 | 11.94 | |
11 | 13.20 | |
12 | 13.27 |
进行五次不间断对标准气体进行循环测试后,其各采集口所检测出各组分含量如下表9,因为标准气体中组分较多,因此我们对其中的有代表性的组分C2F4、C3F8、CF2HCl、C2H2F2进行了准确性和重现性评估:
表9:标准气体检测重现性
从本实施例可以看出,采用本发明系统和方法,能有效对含氟气体组分实施监测,不仅具有很好的分离度,且具有较好的准确性和重现性。
实施例5
本实施例主要考察了本发明系统和技术对全氟丁烯类组分的监测限。
在氟化工行业,由四氟乙烯高温裂解制备全氟丙烯的过程中,会产生0.1-5%左右的全氟异丁烯副产物,因此相关企业均有专门的装置和设备对全氟异丁烯副产物进行分离和处置,这些装置和设备所在的环境区域就成为了重点监测对象,全氟异丁烯在空气中最高允许浓度为6ppb。鉴于全氟异丁烯的毒性危害,并考虑到全氟丁烯与全氟异丁烯在本发明装置和技术中有着相似的色谱保留时间和质谱响应值,我们采用全氟丁烯代替全氟异丁烯对本发明装置和技术进行监测限的验证。
我们采用标准配气法用精氮对纯度为99.9%的全氟丁烯标准气体进行稀释,稀释至1ppb(v/v),然后用实施例1所述设备和条件,采用进样口J1对浓度为1ppb的全氟丁烯标准气体进行监测。五次监测的响应值如下:
表10对全氟丁烯的响应值
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
397 | 412 | 388 | 371 | 404 |
从本实施例可以看出,本发明装置和技术对含氟气体具有较高的灵敏度和良好的重现性。
实施例6
本实施例在5个实验室中模拟含氟气体泄漏,每个房间均分别储存六氟丙烯、六氟化硫、五氟丙烯和一氯二氟甲烷5L钢瓶各一个,采用本发明中的环境在线监测系统和监测方法以及传统气相色谱人工采样监测方式进行监测,以考察本发明的可靠性和相对传统监测方法的优越性。
其中实验室分别在A、B两栋实验楼,距离监测中心的路程分别是:
实验室 | A102 | A303 | A309 | B204 | B304 |
路程m | 920 | 967 | 979 | 634 | 655 |
其中在线监测装置所用设备和条件如实施例1所述,实验室对应的采集口编号及相应的束管长度如下表:
表11采集口编号及相应的束管长度
A102 | A303 | A309 | B204 | B304 | |
采集口 | J1 | J2 | J3 | J7 | J8 |
束管长度m | 505 | 482 | 477 | 116 | 129 |
本实施例的传统人工采样监测当班工作人员数为3人,所用的气相色谱采用的是金属填充键合硅胶类填充柱,检测器为电子捕获检测器。
本实施例中设定,在对比实验开始3分钟时,实验室A303的六氟丙烯钢瓶开始发生泄漏,同时实验室B304中的一氯二氟甲烷钢瓶开始发生泄漏。
1、在线监测装置工作序列如表12。
表12:在线监测装置工作序列表
2、传统人工采样监测序列如表13。
表13:人工采样监测工作序列
3、对比结果
1)、在线监测装置:在第35分钟时,在线监测装置同时探测到A303(采集口J2)实验室环境中六氟丙烯含量为11.8ppb,B304(采集口J8)实验室环境中一氯二氟甲烷含量为19.3ppb,系统自动向调度中心发出预警。调度中心即刻判断出A303实验室六氟丙烯钢瓶泄漏,B304实验室一氯二氟甲烷钢瓶发生泄漏,并下达相应的指令。
2)、传统人工采样监测:约95分钟时检测到A303实验室环境样品中有含氟气体,约135分钟时检测到B304实验室环境样品中有含氟气体,但因为六氟丙烯和一氯二氟甲烷这两种气体并不在重点监测范围内,其数据库仅仅是针对如全氟异丁烯这种剧毒气体物质,不能准确判断出样品中所含气体的种类和具体含量。调度中心接到该预警后并不能如接到在线监测装置的预警一样准确地判断出泄漏点和下达准确的应对指令。
从本实施例可以看出,在线监测装置无人值守,监测数据及时准确,能为故障的判断和处置提供良好的支持。而传统人工采样监测员工劳动强度大,监测数据缺乏及时性,且不能准确全面地判断泄漏物质种类及含量,对及时准确地排除故障和事故处置有较大的局限性。
需要特别指出的是,当本发明的装置和技术针对不同的氟化工领域的生产装置时,需要技术人员有针对性地对相应的氟化工生产装置进行详细的了解和实验,针对性地建立组分数据库和合理的工作序列,才能让本发明的装置发挥最有效的监测效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氟化工行业的环境在线监测系统,其特征在于,包括样品采集单元、多通路综合分析单元和数据采集控制中心,所述样品采集单元连接所述多通路综合分析单元,所述数据采集控制中心通讯连接所述样品采集单元和所述多通路综合分析单元;
所述样品采集单元包括采集口、束管、多通道切换阀,采集口与束管连接,束管组成的管路上设置多通道切换阀;
所述多通路综合分析单元包括可调式分配器、电子流量控制器、抽气泵和气相色谱质谱检测设备。
2.根据权利要求1所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述采集口具有喇叭形进口,进口上铺设一层聚四氟乙烯双向拉伸透气膜,所述聚四氟乙烯双向拉伸透气膜经过拒油处理,聚四氟乙烯双向拉伸透气膜用不锈钢丝网骨架支撑在喇叭形进口上,所述不锈钢丝网骨架位于聚四氟乙烯双向拉伸透气膜内侧;并用环形固定压盖将聚四氟乙烯双向拉伸透气膜和不锈钢丝网骨架固定在外罩上;所述采集口的外罩为聚四氟乙烯材质。
3.根据权利要求2所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述聚四氟乙烯双向拉伸透气膜厚度为20~200μm,孔隙率60~90%,平均孔径为0.4~1.0μm。
4.根据权利要求1所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述束管的材质为聚烯烃、含氟塑料及去活紫铜管中的一种或多种。
5.根据权利要求1~4任一所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述多通道切换阀为2~12通道的多通道切换阀。
6.根据权利要求1~4任一所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述气相色谱质谱检测设备为1~10台气相色谱质谱联用仪,超过一台的检测设备互相并联;所述气相色谱质谱联用仪的色谱柱为GS-GasPro或CP-SilicaPLOT毛细管色谱柱。
7.根据权利要求6所述的环境在线监测系统,其特征在于,质谱检测设备为四级杆质谱仪,飞行时间质谱仪,串联四级杆质谱仪,离子阱质谱仪中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的环境在线监测系统,其特征在于,所述气相色谱质谱联用仪的定量环体积为1~4ml,优选2ml;毛细管色谱柱的规格:其长度为15m、32m或60m,内径为0.25mm、0.32mm或0.53mm,优选32m×0.32mm。
9.权利要求1~8任一所述的环境在线监测系统的应用,其特征在于,用于监测氟化工行业的环境中的有机气体,其中,所述有机气体的通式为CaFbHcCldOeSf,其中a为0到10,b为0到22,c为0到22,d=为0到8,e为0到6,f为0到6。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,用样品采集单元采集环境中的气体,多通路综合分析单元进行气相色谱和质谱检测,其中气相色谱的升温条件为:
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