一种应用于工业过程控制与监控的质谱定量分析方法

　　1 引言

　　随着技术的不断革新，现代石油化工工艺过程监测与控制技术集成越来越高，实时、快速、确地获取被测组分数据是对工艺实施高效控制的关键。质谱定量分析方法分析速度快(少于1s)、准确性高、稳定性好，可以对工艺实施有效的闭环控制。

　　由于质谱仪具有分析速度快，交叉干扰小的特点，因此可以多流路、多组分同时分析，而不会产生干扰和分析时间滞后。如图1所示为质谱定量分析应用场景图。

　　质谱定量分析系统主要包含样品取样;样品预处理单元;质谱分析仪器;远程DCS系统以及分析小屋等几部分。不同检测流路的被测样品进入质谱分析仪器，先后经过质谱进样系统、离子源、质量过滤器、检测器、数据处理单元等几部分，经过数据处理转化为浓度信号后再传输到远程DCS系统，用于工艺监测与过程控制。

　　2 质谱进样系统

　　工业过程质谱分析仪中最常用的进样方式是毛细管直接进样法，主要由防交叉干扰流路、EFC流量控制器、毛细管等3部分构成，如图2所示质谱进样系统。

　　其主要作用是保证不同流路间的被测样品无滞后、不产生样品交叉干扰。毛细管一般采用直径在10～200μm，长度为几十mm的管路，为增强毛细管耐用性，同时降低对样品吸附，在其外部包裹一层聚合物包被层，内衬熔融石英。毛细管的主要功能为限制样品流量，降低流导，维持后端质谱分析仪真空腔体内部压力，一般要求在真空腔体内部，离子源工作压力≤1Torr，质量分析器压力≤10E-5Torr，可保证质谱分析仪能高效，稳定分析。

　　3 样品分析

　　被测样品由毛细管进入真空腔体内部，离子源对样品离子化，带电离子进入质量分析器分离，检测器检测相关的离子信号强度，经过数据处理后输出。质谱分析仪系统组成如图3所示。

　　以合成氨工艺为例，在合成氨工艺中需要对新鲜气，循环气出口气体组分浓度进行监控，用于工艺反馈控制，优化生产工艺。如表1所示，循环气出口典型的样品组分及其浓度信息。

　　离子源主要用于离子化被测样品，常用的EI电离源靠灯丝发射电子，加速后对样品进行轰击电离，典型的离子轰击能量在70eV左右，由软件自动控制，被离子化后的样品以不同碎片离子形式出现，如表2所示，碎片离子经过离子透镜聚焦后进入质量分析器分离。

　　从表2可以看出循环气出口样气经过离子源离子化后的碎片模型，对样气组分进行定量分析，主要是靠检测不同组分产生的碎片离子信号强度，因此首先需要确定不同组分的定量离子。