空气分离系统中色谱分析仪的应用及常见问题的解决

【摘 要】本文介绍了色谱分析仪的工作原理和常见几种色谱分析仪在空气分离系统中的应用，同时也介绍了色谱分析仪在现场的调试和应用过程中所出现的常见问题及其解决方法，具有一定的借鉴意义。

【关键词】色谱分析仪；应用；常见问题；解决

近年来，我国的空气分离行业技术发展迅猛。这除了与空气分离系统在设计、设备制造质量、安装和调试技术日趋成熟分不开外，还与分析系统技术的快速发展是分不开的，尤其是在线色谱分析仪，更是起到了越来越重要的作用。由于在线色谱分析仪具有时事监控和测量精度高等特点而被广泛地应用到了空气分离系统中对气体纯度要求较高的场合，如高纯氧中微量氮/微量氩的测量、总碳氢中各碳氢化合物的测量等。

1 色谱分析仪在空气分离系统中的应用

色谱分析仪是一种通过色谱柱将混合样品中不同沸点、极性及吸附性质的组分进行分离并逐一检测其浓度的分析仪。它主要是由气路系统、进样系统、柱分离系统、检测系统、数据处理系统等几个部分构成。

2012年苏州园区新投产了一套GOX6000-Ar-Liquid项目。该项目生产的气体为氮、氧、氩及高纯氧4种产品。这套装置中所采用的是比利时orthodyne公司生产的DID550型色谱分析仪，对其高纯氧中微量氮与氩进行分析测量。

该色谱分析仪与空气分离装置的DCS系统通过硬线连接进行传输信号。分析仪的分析周期为10分钟，即每10分钟向DCS系统更新一次数据，以提供高纯氧产品纯度的数值，并对操作员的装置调试提供数值依据。其整体配置如下：

（1）气路系统（用于提供稳定载气）：He 5.0载气、国产净化器、两级稳压阀（一开始采用单级气瓶减压阀，后效果不理想，在载气入表前增设一级稳压阀），无电子流量计。

（2）进样系统：DID550采用6个通阀作为进样器进行定量进样，后进入后气化室中进行气化，如图1所示。

图1

（3）分离系统：分离系统由色谱柱组成。这台DID550型色谱柱为填充柱，填充物为MS2。由于本项目是以氧气为背景气，所以采用了样气过氧阱来脱氧，然后进色谱柱进行各组分的分离。

目前工业生产中使用的色谱柱主要有填充柱和毛细管柱两类。填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为2～4mm，长1～3 m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种；毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁、多孔层和涂载体空心柱。空心毛细管柱材质为玻璃或石英。内径一般为0.2～0.5mm，长度30～300m，呈螺旋型。

（4）检测系统：DID550色谱仪采用的是氦放电离子化检测器。其原理是通过氦在高频高压放电的激发下产生的光子将样气的分子电离，通过检测各组分电离后的离子电流，来判断相应组分的浓度。这种检测方式极准确，在空分项目中得到了较多的应用。

色谱仪检测器根据原理不同，一般分为氦放电离子化检测器（DID）、氢火焰检测器（FID）、高频氩放电检测器（HFAD）、热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）等类型。

（5）数据处理系统：DID550色谱仪采用色谱工作站的方式记录其检测器信号、绘制谱图以及计算分析结果等。

色谱分析仪的图谱一般会以峰的形式表现。如图2所示：

图2

其中X轴为出峰持续的时间，Y轴为峰高，经积分计算出来的峰面积便是分析组分的浓度。在这个项目中，载气流量为74ml/min的情况下，氮气在6.5分钟出峰，氩气在8.5分钟出峰。

色谱分析仪所计算出的峰型是否直观可读与下述因素有关：

（1）保证载气的流速与纯度，以保证出峰时间与基线的稳定。

（2）保证氧阱活化完全，能完全去除背景气。

（3）色谱柱能很好的分离要检测的各个组分。

（4）检测系统能很好的电离各组分，以获得稳定的电流进行检测。

下图图3为orthodyne DID550色谱分析仪分析结果的数据显示。

通过该色谱分析仪，成功的对这套GOX 6000-Ar-Liquid项目中的高纯氧产品进行了检测，同时将分析的数据及时传入到空气分离装置的DCS系统中，从而保证了工程师对装置的运行状况有即时的了解，为装置产出合格的高氧产品提供了有力的保证。

图3

除苏州园区这套GOX6000-Ar-Liquid项目外，色谱分析仪在很多空气分离的项目中都得到了广泛的应用。

山东莱芜某空分项目采用的是GOW-MAC公司的GM582FID和AR722HFAD型色谱分析仪分别检测高纯氮中的CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H6、C4Hn， 和高纯氩中的H2、O2、N2、CH4、CO 、CO2 。GM582FID型色谱仪，原理是有机化合物通过色谱柱的分离，在氢火焰的燃烧下，形成了大量的离子，这些离子在外加电场的作用下形成了电流，从而达到了被检测的效果；AR722HFAD型色谱仪的原理是通过高压放电，产生稳定的放电弧光。当被测气体经色谱柱分离后，先后进入检测器中，由于永久性气体的双原子分子N2、H2和多原子分子CH4吸收光，淬灭弧光，而含氧的分子受激产生光增强弧光，在一定条件下光强度的变化与被测成分浓度成正比，由光敏元件接受光强度变化并转化为电信号输出的。

2 色谱分析仪常见问题的解决

在色谱分析仪的实际应用中，由于各种原因经常会出现一些常见的问题。下面还以苏州GOX6000-Ar-Liquid项目为例，将现场产生的问题进行分析并寻找解决方案。

2.1 载气流量不稳定

由于该台分析仪最早的载气输入只采用气瓶减压阀单级稳压，因此载气流量偏差较大，出现了在采样期间内不出峰的状况。解决方法：

（1）在载气进表前增加一级减压阀，保证载气流量的稳定。若测量精度在ppb的级别，则应考虑增加电子流量计，以保证载气的精确计量。

（2）若载气的流量波动，使得出峰时间点略超出采样时间，可以考虑扩大采样时间范围，以囊括出峰时间。

2.2 样品气测量出现负峰，见图4。

图4

图4中的氧中氮出现了负峰，其主要原因是因为进入分析仪的载气不纯。这可能是因为气路系统中载气纯化器未起到预期效果，或者是因为载气管路出现泄漏。若是载气纯化器的问题，则可考虑将纯化器升温，以提高纯化性能或者更换纯化器；若为载气管路出现泄漏，则考虑更换载气管路。本台分析仪最终采取更换进口纯化器来解决该问题。

2.3 氧阱活化不完全

对于背景气为氧气的样品气，一般考虑在色谱仪中增加氧阱来去除其中大量的氧气。但若氧阱活化的不完全，就会造使大量氧气进入探测器，从而造成检测结果不准确，甚至不出峰的现象。下图5 为现场氧阱活化不完全引起的效果截图。

解决该问题的方法是重新活化氧阱。orth-odyne DID550型色谱仪的氧阱正常工作时的温度为80摄氏度，活化时应将氧阱温度升至180摄氏度，持续活化10～20小时（具体情况看氧阱中的氧离子是否释放完全），之后恢复正常测量结果。

图5

2.4 色谱分析仪的放大器增益问题

在调试阶段，由于样品气的纯度有一个从低到高的过程，所以要求其色谱分析仪具有小量程和大量程测量切换的功能。色谱仪主要是通过放大器增益来实现这一功能的。这台DID550在现场的调试中就出现了放大器增益损坏的现象。通过更换电路板，解决了这个问题。

2.5在日常的色谱仪调试过程中还有许多其他常见的问题，下面举例说明一下。

（1）FID色谱仪点火不正常。这可能是由于氢气和助燃空气的配比不正常，因此需要检测氢气和助燃空气的流量，通过氢气和助燃空气的合理配比以达到FID点火的要求。

（2）色谱仪的组分出峰时间过长。这种情况可能由两种原因引起的：一是因为载气的压力过小，或流量过小，使得出峰的时间滞后。通过调整载气的压力或流量，可以很好的控制出峰的时间。二是由于柱箱温度过低引起的，此时要检查一下温控电阻及温控电路是否损坏。通过温控电阻的调节可以使柱箱处于一个合适于气体分离的温度。

（3）色谱仪的组分分离差。这可能有多种原因：1）载气流速过大，出峰过快，使得各组分的出峰不容易分开。2）柱箱温度过高，色谱柱不能正常工作以分离各组分气体。3）色谱柱受污染，分离组分气体的能力下降。4）管线中死体积大，分离后的气体被死区里的气体重新污染等，这些都会导致这种情况的发生，要逐一排查各情况出现的可能。

3 结束语

（1）通过色谱分析仪在空气分离装置中的应用，可以将混合样品中的各组分精确的分离出来（尤其是对总碳氢样品的各组分分离）。由于色谱分析仪的分辨率高，使其在普通在线分析仪不能达到很好的分析精度时，得到了广泛的应用。

（2）随着色谱分析仪在空气分离装置中越来越多的应用，学会色谱分析仪的调试方法及常见故障的解决显得愈发重要。相信通过大家对现场调试工作的研究和在实践中的总结，色谱分析仪会在空气分离装置中得到更好的应用。