甲烷红外分析仪预处理系统在制氢装置中的应用

    安装在生产过程中的在线分析仪表一般由两大部分组成,一是预处理系统;二是分析仪表主体。在线分析仪表能否长周期正常运行,不但决定于它的主体部分,而且在很大程度上更须要依赖预处理系统能否正常运行。1套完善的预处理系统应由取样、过滤、压力调节、温度调节、有害或干扰成分处理、流量调节等部分组成,有时根据需要还要增加多点切换、旁路系统、管线吹扫、排气、排凝等辅助环节。1套良好运行的预处理系统应把工艺样气变成符合仪表要求且不改变原有成分比例,连续、稳定流动的样气。

    1　预处理系统的应用特点及制氢装置的工艺原理

    1.1　预处理系统的特殊性

    由于过程分析仪表品种、型号、结构不同,样品种类繁多,工况复杂且各不相同,因此不可能有一个能适合各种要求和通用的样品预处理系统,应该根据工艺要求、样品组分特点、流量、压力、温度、黏度、腐蚀性、物性和选用的过程分析仪等进行单独设计。通常情况下,在工况复杂的装置上应用的在线分析仪表,预处理系统在供应商成套设计时,由于种种原因或者限制,一般在现场应用时都不太成功,甚至存在重大缺陷,导致过程分析仪表无法长周期正常运行,失去了指导工艺操作和质量控制的根本意义。因此作为分析仪表使用者来说,预处理系统的持续性、适应性改造显得尤为重要且不可或缺。

    1.2　制氢装置工艺特点

    制氢装置是利用水蒸汽与焦化或者催化干气按比例混合后进入转化炉,在转化炉管内的催化剂作用下反应生成H2,CH4,CO及大量的水等副产物。其中氢气的质量分数约为69%,甲烷的质量分数小于等于6.0%(干基)。正常情况下转化炉出口甲烷一般在3%~5%之间,水蒸气在30%左右,准确测量及控制甲烷的质量分数有利于优化工艺操作,提高原料利用率和工业氢纯度。

    2　甲烷红外分析仪的基本工作原理及原始预处理系统设计分析

    2.1　甲烷分析仪的基本工作原理^[1,2]

    甲烷红外分析仪主要是基于不同的气体会有选择性地吸收2~10μm波长的红外线亦即特征波长(CH4的特征波长为3.3~7.65μm)这一性质而制作的红外分析仪。

    根据郎伯2比尔定律:

    I=I0e^-KCl          (1)

式中　I———通过待测组分后的光强度;

    I₀———通过待测组分前的光强度;

    K———待测组分的吸收系数;

    C———待测组分的摩尔百分浓度;

    L———光线通过待测组分的长度。

    从式(1)中可以看出,当L和I₀一定时,而K对某种待测组分而言又是一个确定的常数时,这样状况下,I仅是C的单值函数,并且I随着待测组分浓度的增加而以指数规律下降,因此在一般红外分析仪器中,为了保证仪表的读数与浓度之间成线性关系,当被测气体固定后,K即固定,只能使C,L值较小。因此,须要测量的C不同,选用的L就不同。对于1台制造好了的红外线分析器,其样气组分已定亦即K一定,I一定,L一定,那么I₀只决定于气体中甲烷组分的浓度,直接或间接地测出I_0,便可知道样气组分中甲烷的浓度。