色譜進樣/切換閥在工業(yè)色譜儀多流路分析中的設(shè)計與應用

于 軍 李鵬飛 陳利軍

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

在石油化工領(lǐng)域，工業(yè)色譜儀作為在線檢測工藝裝置運行狀態(tài)和質(zhì)量的重要在線分析儀表，目前已廣泛應用，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。石油化工等領(lǐng)域的原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品成分復雜，具有沸點和泡點、溫度和壓力范圍寬的特點，而工業(yè)色譜儀要求待檢查分析的樣品必須潔凈、相態(tài)單一且不失真。由于微量極性分子在樣品切換、轉(zhuǎn)移過程中易被吸附，因此容易導致工業(yè)色譜儀檢測分析結(jié)果失真。設(shè)計多流路樣品無污染色譜進樣/切換閥可提升工業(yè)色譜儀的適用性和可靠性，擴大工業(yè)在線色譜儀的應用領(lǐng)域，提升石油化工領(lǐng)域的在線監(jiān)測和計量水平。

1 多流路色譜分析樣品無污染切換設(shè)計思路

多流路色譜分析樣品是指從石油化工等工藝裝置的不同取樣點采取的成分和含量相似、可以用一臺工業(yè)色譜儀的一套色譜柱和檢測器周期性地循環(huán)檢測分析的多路樣品，流路數(shù)量根據(jù)需要最多可達32路。

用一臺工業(yè)色譜儀分析多流路樣品中的每個流路，需要單獨對每個樣品進行采樣、傳輸、過濾、減壓、控溫、保持單一相態(tài)及通過快速回路縮短響應時間等樣品預處理后，接入色譜進樣/切換閥，按工業(yè)色譜儀的預設(shè)時序?qū)Χ鄠€流路依次進行選擇和進樣切換檢測分析。

為了保證工業(yè)色譜儀對每個流路檢測分析結(jié)果的準確性，在流路樣品切換過程中，防止不同流路樣品的交叉污染極為重要。在設(shè)計色譜進樣/切換閥時，除了考慮盡可能減小閥內(nèi)部流通孔徑、容積和硅涂層處理外，還要考慮切換閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將相鄰流路之間的切換死體積減到最小，同時設(shè)計實現(xiàn)每個流路取樣前一個分析周期內(nèi)，通過工業(yè)色譜儀程序控制該閥，用待分析流路樣品吹掃色譜定量管，以達到多流路樣品無污染切換的目的。

2 多流路色譜進樣/切換閥設(shè)計

根據(jù)工業(yè)色譜儀對多流路切換進樣分析的實際需求，針對具體的應用領(lǐng)域、范圍和條件，先論證并確定技術(shù)方案、技術(shù)路線、技術(shù)指標，再進行多流路樣品色譜進樣/切換閥的設(shè)計應用。

2.1 技術(shù)方案

色譜進樣/切換閥的每個流路用兩個常閉閥控制其開啟或關(guān)閉（即采用雙通雙阻塞方案），兩個常閉閥之間引出放空流路，用一個常開閥控制開啟或關(guān)閉。每個流路的兩個雙通雙阻塞常閉閥和放空常開閥由一路驅(qū)動氣控制。

多個樣品流路同時進入色譜進樣/切換閥，但只有一個樣品流路流出到色譜儀入口。具體哪個流路流出到色譜儀入口，根據(jù)分析需要，由色譜儀運行程序通過自動啟動色譜電磁閥的儀表空氣驅(qū)動色譜進樣/切換閥上對應流路的驅(qū)動口實現(xiàn)。

以2流路切換方案為例，色譜進樣/切換閥的技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 2流路色譜進樣/切換閥的技術(shù)方案

2.2 技術(shù)路線

需要切換的多個流路獨立進入色譜進樣/切換閥，每個流路用獨立的空氣驅(qū)動，為滿足工業(yè)色譜儀的需要，在多個待切換流路中，任何時刻只有一個流路可以被驅(qū)動流通，其他流路則處于關(guān)閉狀態(tài)。為實現(xiàn)流路切換時的可靠性，確定為雙通雙阻塞方案，并減小切換時內(nèi)部的死體積，切換關(guān)閉后的死體積空間對空到大氣，減少交叉污染。為實現(xiàn)此目的，將每個流路的兩個雙通雙阻塞閥門和死體積放空閥門用同一路驅(qū)動氣控制。

確定本體和密封材料，保證在石油化工工藝樣品條件下無泄漏，在色譜驅(qū)動氣的控制下，實現(xiàn)多流路樣品的無污染切換。

2.3 技術(shù)指標

技術(shù)指標詳列如下：

閥體材料 316L（根據(jù)特殊樣品應用，也可選擇Monel、Hastelloy C）

閥座材料 316L

孔徑 2.8mm

額定流量系數(shù)Cv0.15

內(nèi)部容積 0.74mL

泄漏量 1×10-5mL/s

最小啟動壓力 0.25MPa

操作壓力 0～5MPa

操作溫度 -40～200℃

3 設(shè)計

色譜進樣/切換閥由閥蓋、閥座、膜片、活塞桿、閥體及底座等部分組成，如圖2所示。

閥蓋用于保護閥內(nèi)部件和閥體維護，材料為316L。

圖2 色譜進樣/切換閥

膜片隨流路的切換而不斷動作，且與樣品直接接觸，所以對材料的要求極高。經(jīng)反復對比，最終選擇埃爾吉洛伊非磁性合金［2］（Elgiloy）材料。埃爾吉洛伊非磁性合金屬鎳鉬合金，是一種耐腐蝕游絲合金，具有高強度、高可塑性和較好的機械性能。在許多環(huán)境下具有抗腐蝕性強、抗疲勞壽命長和抗磁化的特點。使用溫度可達650～1 000℃。

活塞桿是色譜驅(qū)動氣對流路進行切換時的驅(qū)動部件，是色譜進樣/切換閥的關(guān)鍵部件，也采用聚醚醚酮（PEEK）材料制作。

閥體的作用是進行流路的驅(qū)動和樣品切換，材料為316L。

閥底座的作用是進樣和支撐閥體，其材料也采用316L。

色譜進樣/切換閥實物和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 色譜進樣/切換閥實物和結(jié)構(gòu)

4 多流路色譜進樣/切換閥設(shè)計驗證

4.1 驗證要求

色譜進樣/切換閥為雙通道切換閥組，每個通道需要承受5MPa壓力和200℃的液體或氣體樣品介質(zhì)而不發(fā)生泄漏，而且在0.25～0.50MPa驅(qū)動氣（儀表空氣）的作用下兩通道可獨立運行。

4.2 驗證方案

向色譜進樣/切換閥兩通道中分別通入5MPa、200℃的測試介質(zhì)，在閥的出口檢測泄漏量，按照JB/T 6378—2008的規(guī)定“1～8mm通徑閥內(nèi)泄漏量不大于10cm3/min”，若滿足此標準，即證明閥件耐溫耐壓指標合格。

采用0.25～0.50MPa的儀表空氣分別驅(qū)動切換閥的兩個通道，通過觀察出口端壓力表是否有示值驗證切換閥的功能。

對相應的研究過程進行檢驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)果顯示符合構(gòu)建模型的要求，此外，利用A-MOS17.0將理論轉(zhuǎn)化為具體的結(jié)構(gòu)模型。通過該種方式進行產(chǎn)業(yè)扶貧影響的探究，看扶貧參與人員是否對產(chǎn)業(yè)扶貧有間接的影響。

4.3 驗證介質(zhì)

考慮到N2是較穩(wěn)定的氣體，容易獲取，且其分子直徑比多數(shù)有機分子要小，因此測試介質(zhì)選用N2具有較好的參考性。

4.4 驗證模型

驗證模型如圖4所示。

4.5 驗證評判標準

密封性驗證評判標準：密封性能參考JB/T 6378—2008的規(guī)定，本切換閥設(shè)計的通徑規(guī)格為1～8mm，閥內(nèi)泄漏量不大于10cm3/min。

密封性測試過程中，若Fp+Fn≤10cm3/min（其中，F(xiàn)p為切換閥排放口流量，F(xiàn)n為切換閥樣品出口流量），則可判定密封性能合格。

圖4 驗證模型

功能性驗證評判標準如下：

a.當對應的驅(qū)動口與儀表空氣接通，F(xiàn)p≤10cm3/min且Fn≥10cm3/min；

b.當驅(qū)動口不接入儀表空氣時，F(xiàn)p+Fn≤10cm3/min。

同時滿足評判標準a、b，即可判定色譜進樣/切換閥功能完好。

4.6 驗證結(jié)果

完成以上設(shè)計后，在流路1和流路2的驅(qū)動口分別接入0.30MPa儀表空氣時，切換閥排放口流量Fp為2cm3/min，切換閥樣品出口流量Fn為100cm3/min；在驅(qū)動口不接入儀表空氣時，F(xiàn)p+Fn=0cm3/min。

驗證結(jié)果表明，色譜進樣/切換閥同時滿足功能性驗證評判標準a、b，判定色譜進樣/切換閥功能完好。

5 多流路色譜進樣/切換閥應用

多流路色譜進樣/切換閥應用于工業(yè)色譜儀進樣口的前級，由工業(yè)色譜儀驅(qū)動程序自動控制切換，用于對具有相似樣品成分和相近成分含量的2～32路不同石油化工裝置工藝樣品的工業(yè)色譜儀切換分析。

色譜進樣/切換閥在中韓石化2流路裂解氣工業(yè)色譜分析中進行了現(xiàn)場應用，采用工業(yè)色譜儀通過2流路色譜進樣/切換閥對成分相同但含量不同的兩瓶標氣進行測量。色譜檢測分析結(jié)果與標氣含量相同，滿足現(xiàn)場工業(yè)色譜儀多流路檢測分析的要求。

多流路色譜進樣/切換閥一方面采用雙通雙阻塞技術(shù)，每個流路設(shè)計兩個常閉閥控制該流路的通斷，增強了多流路長期頻繁切換時的可靠性。另一方面采用防切換污染技術(shù)，為防止切換時內(nèi)部死體積造成的污染，切換關(guān)閉后的死體積空間對空到大氣中，減少了交叉污染。每個流路的兩個雙通雙阻塞常閉閥和放空排污常開閥由一路色譜驅(qū)動氣控制?，F(xiàn)場應用表明，多流路色譜進樣/切換閥頻繁切換過程可靠、流路切換時將內(nèi)部的死體積減至最小，無流路切換污染，適用于5MPa、200℃的樣品條件。

6 結(jié)束語

由于工業(yè)色譜儀需求量大且價格昂貴，在滿足對工藝裝置樣品檢測分析周期的前提下，一臺工業(yè)色譜儀交替分析多流路樣品是在線分析領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。色譜進樣/切換閥在我國現(xiàn)階段石油化工領(lǐng)域的多流路工業(yè)色譜儀檢測分析中具有重要而廣泛的作用，研發(fā)和設(shè)計應用屬于我國自己的色譜進樣/切換閥，對于突破“卡脖子”技術(shù)瓶頸具有重要的意義。