اصول کروماتوگرافی گازی
اصول کروماتوگرافی گازی :
کروماتوگرافی گازی یکی از گسترده ترین تکنیک ها برای تجزیه و تحلیل مخلوط های هیدروکربنی می باشد .یکی از بهترین مزایای
کروماتوگرافی گازی محدوده اندازه گیری است که در سطح ppm تا 100 % و تکرار پذیری خوب و….
شکل شماره یک
کروماتوگرافی گازی در آزمایشگاه ها به صورت مختلف از قبیل کروماتوگرافی آنلاین ، پرتابل (قابل حمل ) ،…….
اجزاء دستگاه :
سیستم نمونه(دستی ،اتوماتیک)، گاز حامل ، ستون ، محفظه تزریق ،آون ، آشکارساز(طبق شکل شماره یک)
کروماتوگرافی گازی برای نمونه های فرار و گازی یا جامد خشک با قطربسیارکوچک می باشد در غیر این صورت(محدویت های قابل توجه
برای جریان ) در این نوع از کروماتوگرافی همه نمونه ها با تحت فشار قرار گرفتن تبدیل به گازمیشوند.
در بیشتر کروماتوگرافی های گازی نیاز به کنترل فشارنمونه دارند این بازه فشار بین 15psi تا 30psi یا معادل آن ) 100 تا 200 KPa )
اثرجولز تامپسون باید فشار نمونه به داخل تنطیم شود یعنی دمای یک گاز کاهش می یابد درنتیجه فشار کاهش می یابد .
درحالی که مقدار کاهش دما بستگی به نوع و ترکیب گاز نمونه دارد ، گاز طبیعی 7درجه فارینهایت به ازای 100psi یا 5.6 سانتیگراد در
1000kpa دمای یک مخلوط گازهیدروکربنی در نهایت کاهش پیدامی کند ، برخی از اجزای هیدروکربن بزرگتر شروع به خارج شدن
خواهند کرد فاز گاز به فاز مایع تیدیل میشود.
فیلتر های درون خطی معمولا برای حذف ذرات جامد به اندازه دو میکرون استفاده می شود.)طبق شکل شماره دو(
شکل شماره دو
مایعات را می توان با استفاده از فیلترهای غشایی حذف کرد غشای طراحی شده تنها اجازه عبور گاز را می دهد .
آون کروماتوگرافی :
آون کروماتوگرافی اجزای آن شامل ) injector ، ستون ، دریچه ) valve ( ، آشکارسازهاست ( و در یک محفظه گرم محصور شده اند.
عملکرد و پاسخ ستون ها و آشکارسازها در کروماتوگرافی گازی بسیار حساس به تغییرات دما است .
دمای ستون باید چند درجه بالاتر از نقطه جوش دیر جوش ترین جزء موجود در نمونه باشد مثلا اگر بالاترین نقطه جوش 150 درجه سانتیگراد
باشد، دمای ستون 170 درجه سانتیگراد باشد. دمای injector باید چند درجه بالاتر از ستون و دمای دتکتور هم چند درجه بالاتر از injector باشد .
دمای آون بستگی دارد به نمونه برای مخلوط هیدروکربنی سنگین تر دمای آون گرم تر است . گاز طبیعی دمای آون در حدود 176 درجه
فارینهایت یا 80 درجه سانتی گراد. که این درجه حرارت آون معمولا در کارخانه قرار می گیرد .
ستون های کروماتوگرافی :
قلب دستگاه کروماتوگرافی ستون های کروماتوگرافی هستند این ستون ها مخلوط گازها را به اجزای جداگانه آن جدا می کنند .با استفاده از
برخی ویژگی های فیزیکی در مورد بیشتر هیدروکربن ها در ستون از نقطه جوش استفاده میشود یا تفاوت قطبی یا ناقطبی نمونه.
دو نوع ستون در کروماتوگرافی گازی به کار میروند یکی ستون مویین و دیگری ستون پرشده ، گاز حامل وارد ستون میشود فازمتحرک
)گازحامل ( که جز آن نیست )اندازه گیری نمی شود ( فاز ساکن یک جسم جامد جاذب و یا لایه نازکی از یک مایع غیر فرار است که به دیواره
داخلی ستون چسبیده است .
شکل شماره سه به عنوان یک گاز پس زمینه ای عمل میکند اجازه تشخیص آسان برای اجزای نمونه را می دهد تا اندازه گیری شود .
بطور معمول گاز هلیوم برای ترکیبات هیدروکربنی استفاده می شود با این حال ازگاز های هیدروژن و آرگون و نیتروژن بسته به کار برد آن
استفاده میشود.
همانطور که نمونه از طریق گاز حامل در ستون حرکت می کند اجزای نمونه که نقطه جوش پایین تری دارند با سرعت حرکت میکنند و خارج
میشوند و اجزای نمونه ای با نقطه جوش بالاتری دارند دیرتر خارج میشوند ، زمان این جدایی بستگی به ستون و طول ستون دارد.
شکل شماره سه(فاز ثابت و فاز متحرک)
از لحاظ تئوری یک ستون به تنهایی میتوند تمام اجزای نمونه را جدا کند و چون ستون بسیار طولانی خواهد بود و زمان تجزیه و تحلیل
نمونه بیش از 30 دقیقه زمان میبرد و برای سرعت بخشیدن به زمان تجزیه و تحلیل بیشتر زمان عملی از چند ستون استفاده می شود.
طیق شکل شماره چهار ستون اول ترکیبات سنگین هیدروکربنی های بالاتر C6 + نظیر هگزان و پنتان ها و هیدروکربن های متان و در ستون
دوم ترکیبات نظیر ایزوپنتان ، نرمال پنتان ، نئوپنتان ، نرمال بوتان ، ایزو پنتن و در ستون سوم نیتروژن و متان و کربن اکسید اتان جداشده اند.
شکل شماره چهار
آنالیز ولو (دریچه) :
ولو نمونه برای تزریق یک حجم قابل قبول نمونه به داخل می دهد مسیر جریان آنالیز در ابتدای چرخه آنالیز قبل از تزریق نمونه
)شکل شماره پنج (
شکل شماره شش)ولو بازاست ( شکل شماره پنج )ولو بسته است
طبق شکل شماره هفت بک فلش ) (back-flush ولو در جلو گاز حامل از طریق ستون چپ به راست جریان دارد و طبق شکل شماره هشت
بک فلش ) (back-flush ولو در پشت گاز حامل از طریق ستون راست به چپ جریان دارد.
شکل شماره هشت شکل شماره هفت
شکل شماره نه
دتکتورها )آَشکارسازها ( :
بعد از اینه اجزای نمونه در ستون از هم جدا شدن وارد دتکتور میشوند چندین نوع دتکتور برای کروماتوگرافی گازی موجود داره از جمله :
FID دتکتور یونیزاسیون شعله برای هیدروکربن ها درحد ppm
TCD دتکتور هدایت گرمایی برای ترکیبات گوگردی در حد ppm, ppb
برای دتکتور TCD گاز حامل از هلیوم استفاده می شود
مقاومت در برابر افزایش دمای آنها کاهش می یابد. مقاومت های گرمایی
هردو طرف به یک پل ویستون با یک ثابت متصل می شود شکل شماره ده
شکل شماره ده
سیستم کنترل کروماتوگرافی گازی شامل :
کنترل زمان بندی دریچه )ولو ( درجه حرارت آون .
انتخاب جریان
ذخیزه و آنالیز خروجی دتکتور )آشکارساز(
محاسبه خواص فیزیکی از ترکیب به عنوان مثال BTU
ارتباط با سیستم SCADA
شکل شماره یازده
همانطور که در شکل شماره یازده خروجی دتکتور یا آشکارساز مشاهده میشود زمان بندی دریچه )ولو( وزمان خروجی اجزای نمونه .
هر ترکیب اندازه گیری شده دارای یک پیک می باشد . طیق شکل شماره دوازده
شکل شماره دوازده
نتیجه گیری :
درحالی که دستگاه های کروماتوگرافی گازی تولیدکنندگان زیادی دارند وهمه دستگاه ها کار یکسانی میکنند اول نمونه باید تمیز و خشک
باشد یا فرار و گازی به دستگاه تزریق میشود ستون های مختلف کروماتوگرافی اجزای نمونه را جدا میکنند و ولوها یا دریچه ها تحلیلی تزریق
نمونه را کنترل و جریان را اندازه گیری میکنندو سیگنال به آشکارسازتوسط یک پردازش می شود آشکارسازها غلظت هرجزء نمونه را اندازه
گیری میکنند.سیستم کنترل کننده کروماتوگرافی گازی غلظت و سایر خواص فیزیکی نمونه را محاسبه می کند.
References
1- American Gas Association (n.d.) Natural Gas Glossary
www.aga.org
2- American Petroleum Institute (2006.) Manual of Petroleum
Measurement Standards.Chapter 14 – Natural Gas Fluids. Measurement.
Section 1 – Collecting and Handling of Natural Gas Samples for
Custody Transfer
3- Gas Processors Association (2000) Analysis for Natural Gas and
Similar Gaseous Mixtures by Chromatography
This paper was presented at the 2010 International School of
Hydrocarbon Measurement by Shane Hale, Natural Gas Business
Development Management, Emerson Process Management.