氣相色譜分析天然氣組分過程中提升質量效益的方法

劉 鶴

（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

氣相色譜法（GC）是英國生物化學家馬丁等在研究液液分配色譜的基礎上，于1952年創立的一種極有效的分離方法，它可分析和分離復雜的多組分混合物。氣相色譜法（GC）由于分析速度快、靈敏度高、應用范圍廣等特點已經成為各個領域最為常用的分析方法，在許多分析實驗室中發揮著極為重要的作用[1]，而氣相色譜法在天然氣組分分析中的應用也較廣泛[2-4]。

氣相色譜法在給化學分析工作帶來極大方便的同時，也面臨著分析成本高昂的問題。因此，近年來，以節約耗材、提升質量效益為目的的快速準確、多組分同時分析色譜分析技術成為了研究熱點[5-7]。

載氣是氣相色譜分析天然氣組分過程中必不可少的重要耗材之一，而載氣消耗也是氣相色譜分析過程中的主要分析成本之一。為降本增效、節能環保，本文嘗試從氣相色譜分析分析天然氣組分工作的各個關鍵環節進行研究，對色譜分析過程中提升質量效益的途徑進行實驗和探討。

1 探討

1.1 現狀調查

對目前實驗室載氣消耗速度進行調查。通過采取連續15d對實驗室使用的氫氣、氦氣、氬氣消耗速度進行監控的方式（氣瓶小于2MPa 更換），對目前實驗室載氣消耗速度進行調查。調查結果顯示，三種氣體的平均消耗速度分別為氫氣0.92MPa/d，氦氣0.99MPa/d，氬氣0.50MPa/d，三種氣體每天消耗總量為2.4MPa。若按照每瓶載氣初始壓力12MPa 使用至2MPa 更換計算，實驗室每4.2d 消耗完1瓶載氣，按照此消耗速度，實驗室每月大約共消耗7.2瓶載氣，每年載氣成本為7.2瓶×12月×600元/瓶=51 840元。

1.2 確定目標

由以上調查結果可知，實驗室氬氣的使用量最少，消耗速度為0.5MPa/d，計劃通過本次實驗將實驗室載氣消耗平均速度降至0.5MPa/d 以下，即消耗總量降至1.5MPa/d 以下，故本次實驗探討目標為實驗室載氣消耗速度降低37%。

1.3 原因分析

分別從人員、儀器耗材、方法三個方面分析可能影響載氣消耗量的末端因素，共分析出9個末端因素，分別為：①分析人員培訓不到位，更換載氣鋼瓶時操作不規范；②色譜接頭漏氣；③管線漏氣；④減壓閥漏氣；⑤鋼瓶總閥泄漏；⑥鋼瓶壓力不足；⑦色譜開機時間長；⑧載氣流量大；⑨氫火焰耗氣量大。

1.4 要因確認

分別采用調查分析、現場驗證、現場測試等手段對以上9個可能影響載氣消耗量的末端因素進行確認，確認結論如下。1.4.1 分析人員培訓不到位，更換載氣鋼瓶時操作不規范

分析室有比較完備的培訓計劃、記錄，對于更換載氣鋼瓶，屬于危險操作，班組長都會親自給員工講解和演示，在調查中發現，員工更換載氣手法符合要求，所以該因素并非主要原因。

1.4.2 色譜接頭漏氣

色譜儀有大量的載氣接頭，包括色譜柱接頭，容易出現漏氣的情況，對在用的5臺色譜所有接頭和色譜柱進行查漏，并未出現漏氣的情況，說明該因素并非主要原因。

1.4.3 管線漏氣

色譜分析使用的載氣通過細銅管線從載氣鋼瓶輸送到色譜儀，管線中間連接接頭較多，每種載氣管線中間大約有10個接頭，而接頭處最容易出現漏氣。采用肥皂水對接頭進行試漏，并且關閉色譜，對管線進行試壓，發現并未出現接頭漏氣和試壓漏氣的情況，所以管線漏氣不是主要原因。

1.4.4 減壓閥漏氣

載氣鋼瓶出口段連接有減壓閥，如果減壓閥出現漏氣，會使鋼瓶總壓快速下降。連接好減壓閥后，用肥皂水對減壓閥進行漏氣檢查，并未發現泄漏的情況，所以減壓閥漏氣不是主要原因。

1.4.5 鋼瓶總閥泄漏

打開鋼瓶總閥開關，用肥皂水對鋼瓶總閥外圍進行漏氣檢查，并未發現泄漏的情況，所以鋼瓶總閥泄漏不是主要原因。

1.4.6 鋼瓶壓力不足

載氣鋼瓶充壓一般在12MPa 以上，如果鋼瓶出廠時充壓不足，會大大縮短使用周期，對近三個月的載氣鋼瓶進行排查，有98%的鋼瓶壓力達到12MPa 以上，所以鋼瓶壓力不足不是主要原因。

1.4.7 色譜開機時間長

一般情況下，氣相色譜開機時間運行時間越久越穩定，通過對5臺氣相色譜中途斷電停機1h，然后再重新開機進樣分析，發現天然氣組分正己烷、二氧化碳等分析結果數據偏差較大，需要重新制作標準曲線，這是由于氣相色譜儀斷電重新開機

后需要的預熱穩定時間較長，所以氣相色譜儀正常情況下一般都處于開機待機狀態，故色譜開機時間長不是主要原因。

1.4.8 載氣流量大

本實驗室長期運行的色譜有5 臺，流量設置都在40mL/min 以上，通過實驗發現，樣品分析過程中流量的設置是經過多方面因素結合優化得出的經驗值，是最符合該色譜性能的。但色譜并非一天24h 都在使用，當不用時，可適當降低載氣流量，維持系統運行即可，當需要進行樣品分析時，調回樣品分析使用流量，短時間內即可恢復儀器性能，獲得準確的分析數據，所以，色譜分析方法設置載氣流量的參數值偏大，導致儀器在待機狀態下載氣消耗偏大，是導致實驗室載氣消耗量大的主要原因之一。

1.4.9 氫火焰耗氣量大

氫火焰檢測器（FID）是實驗室最重要的檢測器之一，氫火焰檢測器需要氫氣和空氣燃燒，會消耗大量的氫載氣，本實驗室配有FID 檢測器的色譜有3臺，每臺氫氣流量設置為30mL/min，每天的耗氣量約120L，如果在色譜待機時關閉氫火焰，即可節省大量氫氣，故氫火焰耗氣量大也是導致實驗室載氣消耗量大的主要原因之一。

1.5 方法優化與實施

根據前期工作查找出的兩個造成實驗室耗氣量大的主要原因，按照5W1H 原則對本實驗室5臺氣相色譜儀分析方法參數進行如下優化，并進行上機實驗。

（1） 重新設置色譜儀“待機”方法參數，重新調整儀器在待機狀態下的載氣流量值，分別將實驗室1#、2#、3#、4#、5#色譜儀工作流量設置為20、7、7、20、30mL/min，待機流量設置為15、5、5、15、25mL/min，并連續15d 對實驗室載氣壓力進行監控。

（2） 重新設置帶有FID 檢測器的1#、2#、3#色譜儀的“待機”方法參數，將1#、2#、3#色譜儀工作流量設置為30、35、40mL/min，待機狀態下的氫氣和空氣流量均設置為0，并連續15d 對實驗室載氣壓力進行監控。

實驗實施結果發現，實驗室5臺氣相色譜15d 所消耗的氫氣為9.1MPa、氦氣為9.3MPa、氬氣為2.8MPa，實驗室氫氣、氦氣、氬氣平均每天消耗量由實驗前的0.92MPa/d、0.99MPa/d、0.50MPa/d 降為0.61MPa/d、0.62MPa/d、0.21MPa/d，實驗室氫氣、氦氣、氬氣分別少消耗4.4MPa、5.6MPa、4.7MPa，15d 總共消耗載氣量由實驗前的35.9MPa 降為21.2MPa，少消耗14.7MPa。依據此消耗速度，實驗室每月可節約載氣2.3瓶，每年節省分析成本應為2.3瓶×12月×600元/瓶=23 040元，相比實驗活動前51 840元/年降低了44.4%的分析成本。

2 結語

通過一系列相應的色譜分析方法優化，實驗室日均載氣消耗量降低明顯，在快速準確分析樣品的同時，降低了實驗室的分析成本，有效提升了實驗室色譜分析工作的質量效益。在后續色譜分析工作中，可考慮直接設定一個“待機”方法，分析人員在完成樣品分析工作后，直接調取“待機”方法，下一次進行樣品分析時，再調取相應的分析方法，儀器自行提高流量、氫火焰點火，30s 即可達到穩定狀態。