微型气相色谱仪在合成气分析中的应用

   合成气的来源及应用

   合成气是指以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合成用的一种原料气，其生产和应用在化学工业发展中有着非常重要的地位。合成气的来源可以多种多样，传统上可来源于煤、天然气和轻质油等原料，也可以来自一些新型能源领域，例如油页岩和生物质燃料等。

   随着“碳一化学”概念的提出，以合成气为原料，通过碳一化学路线可生产一系列的基本有机化工产品。主要的合成气化学产品可以包括氨及其相关化工原料，甲醇及其相关化工原料以及由费托合成所得到的汽油、醇类和酮类的低沸点产品。

   合成气工艺中的气体分析

   合成气的生产目前主要通过煤气化、蒸汽转化和部分氧化等工艺路线制得。经净化后的合成气具有一定的CO/H2 比例，以满足甲醇合成等反应的需要。工业上通过研究催化转化反应工艺来调整合成气组成以满足不同的需求，即调整不同的CO/H2 比。相关催化剂的评价和催化反应动力学研究的进展， 对反应过程中反应物料和反应产物浓度的监测提出了越来越高的要求。 实时、准确地对反应过程中各种原料气和产物气体的浓度进行分析，能够为合成气生产和催化转化反应过程的研究提供科学依据，对深入研究反应过程和催化剂开发起着越来越重要的作用。而在线气相色谱方法是目前的分析手段。

   以煤气化-费托合成工艺为例，经过煤气化、气体净化、变换和重整等工艺，通过费托合成技术将合成气中CO 和H2 合成各种液体燃料，例如精制加工为合成油、柴油或航空燃料等液体燃料产品，从而使煤能源的使用更为绿色和高效。在整个过程中，H2、CH4 和CO 的浓度需要实时定量分析，尤其是调整不同工艺所需的CO/H2比，从而能够优化反应过程，提高工业产能和质量。INFICON 3000 型微型气相色谱，使用了微电子机械结构的热导反应器，其热导池体积远小于传统微型热导池的体积，从而其检测灵敏度可以达到PPM 级别。 并且，可以在几十秒之内完成合成气主要气体组分H2、CH4 和CO 的分析，在线分析重复性可以达到1%。对于反应过程中可能产生的副产物C2H6、C2H4等气体也能同时给予精确可靠地定量分析。

   结果与讨论

   根据合成气生产和转化过程典型气体组分的构成，本次实验所用气体标样由如下组分组成， 见下表：

   微型气相色谱仪由两个通道组成。通道为分子筛色谱柱，进样器为反吹型进样器；第二通道为PlotQ 色谱柱，进样器为固定体积型进样器。两个通道都采用微电子机械结构热导检测器。双通道都为恒温操作模式。通道分子筛色谱柱柱温设定为100°C，柱头压力为35psi。其反吹功能可以将水蒸气及C2 以上组分在设定时间反吹出分析系统，以保证分子筛色谱柱使用寿命及分析效果。第二通道PlotQ 色谱柱柱温设定为60°C 恒温，柱头压力为25psi，其固定体积进样避免了由于环境及样品压力所带来的进样干扰，从而大限度的保证了定量的准确重复。

   在分析过程中，由内置真空泵自动抽取样品气，样品气体流经过滤器后通过进样口平行分流，使不含固体颗粒物的气体样品同时进入两个通道并行分析。在分子筛色谱柱通道完成H2，N2，CH4 和CO 的分离，同时在第二通道完成CO2，C2H4 和C2H6 的分离。整个分析在90秒内完成，并实现所有待测组分基线分离，见下图：

   以上述配置及方法设定的参数，进行连续十次进样。所有组分的保留时间重复性均小于0.04%，峰面积重复性小于0.5%。具体保留时间及面积重复性结果可见下表：