如何设计一个成功的在线气体分析系统

如何设计一个成功的在线气体分析系统

     在线气体分析仪表能否可靠运行，大部分情况取决于气体取样系统是否完善。什么样的气体取样系统才算是一个好的系统，怎样才能设计一个好的气体取样系统。

1、气体取样系统简介
　　在线气体分析仪是一个仪表，它无需操作员干预而自动测量被分析物的化学组成或一些相应的物理性质或数量，在工艺操作中这个结果可作指示、记录、报警或控制之用。
　　一个取样系统是一些元件或设备的集合。它可完成从工艺过程取出足够有代表性的样品的功能。 处理好的样品直接进入在线气体分析仪， 通过分析器后排出去。足够有代表性是说一部分样品、尘、微粒和其它一些物质将被排空与去掉，而不会影响气体分析仪测量结果的有效性。取样系统通常也包括校验和真实气体分析仪的标准样品的引入接口。取样系统可由一个取样点和探头、导管或传送管线、减压或调压、过滤器、阀件、流量计、蒸汽发生器、冷凝器、雾水过了器、压力表或其它组件组成。
　　气体分析系统的设计要从气体分析仪的应用、选择和测量的对象就开始考虑。 这些决定了取样系统的设计标准。取样系统设计的主要目标是从工艺中取得足够有代表性的样品和用最少的时间传送到气体分析仪器。用户最需要的、最成功的系统应该具有长的维修间隔、少的日常维护、系统简单。只有在线气体分析仪表测量出可信的结果，系统的性能才能得到证实。

2、有代表性的样品
　　什么是足够有代表性的取样同测量的要求大有关系。在取样点就去掉样品中有问题的组成是取样系统中最常见的技术。但样品已经被改变。如果这些是在受控状态下，由此带来的样品组分的浓度偏差就会与工艺成比例，并能与工艺浓度作合理的可信的关联。这里就出现了‘有偏差的样品或没有偏差的样品’的概念。如果工艺过程中的一些确定的组分更应该是样品中的一个组分而不是与工艺样成一定比例，那么这种取样方式就是有偏差的。 当我们知道偏差的来源后，就可能设计一种方法将各组分全部取出来或者干脆允许偏差存在。如果两个取样系统设计都能取到有代表性的样品且都是无偏差取样，但往往其中一个结果的偏差会大于另外一个，那么偏差较小的方法是更有效的和更精确的。如果误差都是在可以预见的范围内，误差的范围和结果的有效性就可以定下来了。
　　另外一个经常遇到的问题是我们要取的工艺样品的可变性。通常较好的是当工艺样处于平衡和单相的状态取样。如果明知工艺中是多相、分层或易变的，那么就必须对测量可能得到的精度和经济性做出切实的评估。如果分析的结果没有重复性和不能被证实或类似其它的疑问，就要另外选择采样点或选用其它的分析方法。
 　　一个样品具有代表性，简单地说就是任何不被检测参数的变化都会在样品中引起相应等值的成比例或线性相关的变化。至关重要的是：取样系统带来的任何变化在整个测量范围内具有工艺上的一致性和并且是可重复的。

3、取样点和取样探头的确定
　　在取样系统的设计过程中，我们要充分考虑我们到底要测量什么，测量的标准、重复性、响应时间和想要的精度是多少？想要的临界值是怎样的，允许的偏差、误差又是多少？ 以下的问题是在设计中不可忽视：
    要充分考虑气体分析仪的要求来决定取样的形式和样品需要处理的程度。所需样品是气体还是液体，温度压力和流量的要求是多少？ 样品的返回（排出流出物）和其它的使用要求是什么？ 允许的最大颗粒物大小和是否存在腐蚀性或物质的兼容性问题？
     工艺条件、相态、流动性、温度压力密度及组分怎样？工艺条件是否稳定，其最小、正常及最大值是在预期的范围内？是否存在不完全的反应，是否在取样前在预期的工艺条件下已经完全反应？工艺干净吗？ 它们是否会起反应，是否有毒或具有危险性？
 其它需要考虑的事情包括工艺管道的管壁效应或组合管壁效应、混合、分层、或易变化。    今天山东新泽仪器有限公司把本文说明的重点放在样品的取出。最好能采取最近的抽取和就地处理的方法， 但只是少数的场合能这样做，而这些基本的原则则是普遍适用的。
 3.1　管道中的样品状态

　　如图一所示，在两种情况下管壁流速都比中心的速度要小。取样探头用来使取样点远离管壁避免管壁效应和低流速区域。如果可能最好在混合良好（紊流）的工艺流路上取样。层流的工艺管会出现分层和引入较大的样品密度的偏差。层流工艺取样要在充分的混合以后或创造一个紊流取样点。 除少数的情况外，取样探头插入深度应在管道内直径的25%~30%处，或在平均密度分布的地方。

　　如有可能取样时最好使用取样探头。下面先看一下两种典型的取样探头。
3.2.1 典型的可移动式取样探头
3.2.2 抽取、快速回路与过滤器的组合

3.2.3 取样探头的作用
　　无论在水平或垂直的工艺管道中，重力都是必须考虑的因素。在垂直的管道中向下流的样品比较容易处理。而烟道、烟囱、焚化炉等样品通常是向上流动，设计时需要特别小心。应该考虑到取样时存在的紊流加上分层、低压或负压、高露点和含尘等因素。过滤、速度和露点温度是极为苛刻的。通常探头必须加热到露点以上，并且抽取样品后就地将固体颗粒过滤掉. 烟气应用时通常遇到的困难在于样品温度高、露点高、含尘多。
取样探头的作用主要体现在：
·样品探头用来使取样点远离管壁，避免管壁效应和速度较低的区域。
·取样探头在气体样品中减少减压前的取样量，在液体样品中减少汽化前的取样量。
·取样探头用来阻挡或去掉固体杂质。
·取样探头用来选择性地控制样品流速。
3.3　斯托克斯定律在取样中的应用
3.3.1　斯脱克斯（Stokes）定律
　　斯脱克斯定律定义了重力场中粒子在流体中悬浮的情形。取样系统的部件中有许多都使用了这个定律，从可变面积的转子流量计到过滤器和取样探头。通过一定的设计斯脱克斯定律可为你所用，你如果忽视其存在就会找你麻烦。
　　最基本的，当有悬浮颗粒的移动流体速度变慢时，我们认为重力将粒子加速向下掉并不再悬浮。 因为这个原因，液体管道经常在第一个拐弯处堵塞。这是斯脱克斯定律在找你的麻烦。如果知道样品中有颗粒存在，就有可能利用斯脱克斯定律通过减小速度的办法使颗粒退出悬浮状态。
　　这里我们是一个利用斯脱克斯定律为我所用的例子。下面的例子是一个在取样点直接利用斯脱克斯定律阻止颗粒进入样气的方法。
3.3.2 斯托克斯定律应用实例:

　　如图五所示：管中的流体速度V2小于工艺管道中的流体速度V1，重力使悬浮的颗粒往下掉入到工艺管道中。
3.4　取样中的过滤方法
　　从样气中去掉颗粒还有其它的一些方法。使用过滤器是其中之一。一些过滤器综合使用了斯托克斯定律和布朗宁运动（Brownian Motion）进行紧凑（Impact）过滤，如伯森微纤维过滤器（Balston Microfiber）就是一个很好的例子。惯性过滤器如摩托管（Mott Metallurgica）和高分子（Perma Pure）快速旁路过滤器是另一实例。离心过滤器如旋风分离器（Swirlklean ）组合使用了离心压力和膜片过滤的原理。
　　如果必须向系统中引入没有过滤过的样品，流体的速度就要求很严格。颗粒物必须一直保持在悬浮状态，直到它们被从样品中去掉或返回到工艺中。图六所示的高温负压抽取式烟道氧气体分析仪是一个很好的例子。这里样品保持在流动状态，颗粒通过快速回路吹回到工艺管道中，而样品中速度较低的部分基本没有颗粒，被对流（热感应thermally induced）作用输送到测量室。这里我们也很好地利用了斯托克斯定律。

　　过滤，就是从想要的流路样品中除掉颗粒物。但我们也需要对有效过滤的方法、工艺流路、气体分析仪的精确需求和它的样品系统有充分的了解。
　　分级过滤是液体流路中常用的方法。快速回路过滤，通常是惯性过滤或离心过滤，用来从样品中除掉主要的杂质。第二级过滤是为满足气体分析仪的要求，在某些情况下在气体分析仪前面使用第三级过滤作为保护性过滤。
4、气体取样的特点
　　干净的气体取样
　　图七是一种最简单的取样设计。

　　请注意图中一部分的样品通过旁路排放以保证传输管线有足够的速度和增加系统的响应速度，减少滞后时间。 这里假定工艺压力能满足系统的需要。推荐使用过滤器，但这里并没有画出来。

气体系统的重要特点：
· 气体容易被压缩
· 气体流动力阻力低
· 气体温度容易快速达到平衡
· 气体密度因组成温度压力而不同
　　气体的样品系统设计成容量很小的系统，通常操作在较低的压力下，从而减少所需要的样品量，是为了：
·　保证系统的快速响应
·　减少样品的浪费
·　防止冷凝
5、气体取样系统设计
　　如图八所示是一个典型的单流路气体取样系统，包括预处理减压、快速旁路过滤、校验标定和排放口。

　　在工艺管道压力下减少样品容量的途径有用小直径的输送管、减少压力和使用最短的管线、减少样品预处理部件的尺寸和容量。这种尽量节省的设计还有如下的好处：
低的样品压力减少了部件局部的压力，有利于减少冷凝的可能性。
●　组合的管壁效应因表面接触样品量减少而得到减少。
●　样品速度因大气流速降低而增加。
●　过滤器负载因而减少。
●　滞后和响应时间减少。
●　样品排出量减少。
　　在高压的工艺中，探头与管的容量在减压前非常严格。因膨胀而冷却、减压、（H2是一个特殊）将使样品温度降低导致蒸汽压降低而产生冷凝问题。如果出现这种情况，就要减压时加热和减压前对样品管进行伴热和保温。
5.2　气体取样要考虑的问题
　　气体样品输送通常首先要考虑用专用气体取样管。选用气体取样管有利于选择最合适的最小的内径、最小的表面积和比普通管道平滑的内壁。通常气体取样内壁比普通管平滑。用压缩接头连接的气体取样也会减少漏的可能性。

   联合管道效应
　　联合管道效应是一个总的说法，包括对足够有代表性样品的多个限制现象。吸收和解吸是最常见的限制的现象。样品的一些组分粘到管壁或从管壁释放出来会带来磁滞现象。如果压力、温度或样品的速度改变，平衡就会被打破。这种影响还会因为一些样品组分的反应或极化而变得严重。酸性气体和水蒸汽是很明显的实例。样品管材质的选择（选用更为惰性的材料）将有利于减少这种现象。增加输送管/样品的温度和样品的流速也有助于减少这种现象。这种现象的存在使保证系统的平衡变成非常困难的事情。

    泄漏如何处理
　　泄漏是一个必须消除的常见的问题。不同的局部压力是一个巨大的推动力，并且要认识到是差压而不仅仅是系统压力决定了泄漏的方向。这个问题在作微量测量时越显严重。微量的氧和低浓度的温度测量是两个常见的泄漏会导致极大测量误差的例子。在这两个场合，由出口向内渗漏是一个问题。所以要求测量室出口必须没有背压扩散，或湿气与氧气从出口向内倒流。必须使用最小的镙纹管接头，推荐使用压缩（双层压环）接头。最好使用焊接的接头和整体性的VCO（SWAGELOK注册商标）接头。

   水分如何处理
　　低于露点温度时的冷凝是另外一个常见的问题。在所有的情况下，取样系统各部件的局部压力必须小于它们的蒸汽压以防止冷凝。在整个取样系统中都要保持系统较低的压力（低的局部压力）和高的样品温度（增加蒸汽压）以防止冷凝。在气体的系统中样品必须保持单相，也就是气相。必须注意的是颗粒和离子化射线能减少露点（提高露点温度）。温度必须始终保持在安全的方向（不结露）并有10°C 以上的保险区。

    压力如何处理
　　压力错误 – 大多的气体（蒸汽）测量是与局部压力（基于容量的）有关，测量结果会受到局部压力变化的影响。测量池的压力必须保持稳定，或采用压力补偿减少误差。通常大气压力是最稳定的参考压力，而在某些情况下这些小的压力感应误差对测量也影响很大，若误差不允许的范围内就须作修正。正因为这个原因，调节阀、压力调节器和流量控制器件通常放在所有的压力传感器的上游。而有毒、有害、危险性的样品是不能直接排放到大气压力的，这时必须使用样品的回收或处理装置。而系统成功的最重要的衡量标准是压力控制稳定。
　　死体积也就是说没有更新的体积：是取样系统中样品没有流动的体积。取样系统设计中必须避免死体积的存在或将其减到最小。死体积中的流动样品的平衡完全靠样品的扩散，这是个很慢的过程。所以它们会带来样品的滞后现象。

6、工艺过程的数据很重要
　　可靠的工艺数据是得到可靠设计的必须信息。因为样品预处理系统是连续运行的，所以设计时一定要考虑到工艺样品可能出现的异常情况。设计必须适应很宽的工艺波动范围。至少需要三种情况的数据：最小、正常和最大工艺条件。装置的开停工期间，工艺条件会超过实际的设计范围。如果在这种情况下，就必须切断样品预处理系统和工艺管道的连接。
　　如果同一工艺过程中样品的沸点范围特别宽，那么设计的要求就更高了。气体取样线中的冷凝液是一种污染物质，在固有的样品预处理系统运行的情况下会给样品带来偏差和干扰。液体系统中起沸点温度低不应认为是一种污染，但是在固有的样品预处理系统运行情况下会引起短期的偏差（分馏）和干扰。以上两种情形最好都要避免。当预计到有类似问题的系统时，要进行相平衡的计算。取样系统的设计和运行都要作适当的处理以避免类似的问题。
7 、新泽分析技术总结
　　气体分析仪的取样系统设计应以经济的、满足要求的解决方案为目标。而系统的可靠性不仅要求分析结果值得信任，同时也不排斥低维护和容易理解。我们经常会在现场对系统进行改变以消除不可靠的现象。这样做常常为使系统可被用户正确理解，但对改进性能却不是必要的。只有对系统的完全理解才能有正确的观察和并采取正确的干预行动而使性能得到改善。完成一个可靠的设计需要的概念并不困难，最简单的解决办法就是给出最好的全面的性能。在寻求最可靠系统时，用户条件和排放系统也是不可忽视的。安全和环保的考虑可能会增加系统的复杂性和费用，但对一个完善的系统来讲也是必须的。最后一点，可靠系统的唯一指标就是能得到的可信的分析结果。山东新泽仪器有限公司专业提供相关的气体分析仪、环境监测、VOCs监测相关的取样系统和分析仪产品。希望能为您服务！