李莉萍,趙忠孝,朱正祥
(中國石油寧夏石化公司,寧夏銀川 750026)
寧夏石化公司化肥二廠合成氨裝置采用BASF 公司的脫碳液來完成脫碳工藝過程,脫碳的工藝效果與脫碳液的有效成分密切相關(guān),隨著脫碳液在工藝系統(tǒng)中運(yùn)行時間的延長和工藝條件的變化,其組成也相應(yīng)地發(fā)生變化。因此,快速準(zhǔn)確地測定脫碳液中的MDEA和PIP(哌嗪)等組分的含量,對正確指導(dǎo)工藝操作,提高脫碳效果具有重要意義。
此前,化肥二廠脫碳液中MDEA 和PIP 含量的測定均采用酸堿滴定法,只能測出活化劑的合量,而不能精確地對每個組分進(jìn)行定量。通過查閱相關(guān)資料,參照部分有機(jī)物的色譜數(shù)據(jù),筆者嘗試用氣相色譜儀測定脫碳液中的MDEA 和活化劑含量,經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)和大量對照實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了用色譜儀快速準(zhǔn)確地測定脫碳液中MDEA 含量和PIP 含量的目標(biāo),克服了容量法分析法的諸多缺點(diǎn),取得了預(yù)期的效果。
在適當(dāng)?shù)纳V條件下,以GDX-502 為固定相,采用程序升溫方式,依次將脫碳液中的H2O、活化劑1、PIP、MDEA 等組分分離,用TCD 檢測器依次進(jìn)行檢測,根據(jù)保留時間進(jìn)行定性,用面積歸一化法進(jìn)行定量,測得脫碳液中各個組分的含量。
載氣:高純氫;標(biāo)準(zhǔn)物:高濃度MDEA 脫碳液標(biāo)樣[其中含H2O:50.06 %(m/m),活化劑1:3.01 %(m/m),PIP:1.90 %(m/m),MDEA:44.96 %(m/m)]、哌嗪標(biāo)準(zhǔn)物、活化劑1 標(biāo)準(zhǔn)物。
安捷倫7820 型氣相色譜儀(配有熱導(dǎo)檢測器);數(shù)據(jù)處理:色譜工作站;色譜柱:內(nèi)徑3 mm,長度3 m 的不銹鋼色譜柱,以GDX-502 固定相(60~80 目)填充。
柱箱程序升溫 速率/(℃·min-1) 控制溫度/℃ 保持時間/min初始 - 240 4階升1 40 260 6柱流量程序改變 速率/(mL·min-2) 柱流量/(mL·min-1) 保持時間/min初始 - 10 4階升1 60 30 6
后進(jìn)樣器溫度:250 ℃;檢測器溫度(TCD 后):250 ℃;參比流量:15.00 mL/min;后尾吹流量:5.00 mL/min;前負(fù)極性關(guān)閉,熱絲開;自動進(jìn)樣器進(jìn)樣,進(jìn)樣量:1 μL。
根據(jù)MDEA 和PIP(哌嗪)的理化性質(zhì),配制一定濃度的脫碳液水標(biāo)液進(jìn)行色譜分析,采用規(guī)格化的正交表來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件,選擇對樣品分離和測定影響較大的汽化溫度、柱箱溫度、檢測室溫度和載氣流速四個主要項(xiàng)目為考察因子,對應(yīng)選取三個水平值作為實(shí)驗(yàn)條件,得正交表頭為L9(34),共進(jìn)行9 次實(shí)驗(yàn)(見表1)。
表1 實(shí)驗(yàn)條件因素水平表
根據(jù)正交表頭L9(34)的安排進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn),得到三個水平的試驗(yàn)條件數(shù)據(jù)(見表2)。
峰面積越大,表示測定靈敏度越高,測定的效果就越好。9 次條件試驗(yàn)中,水平組合A3,B1,C3,D2 實(shí)際測試效果較好,即汽化溫度250 ℃、柱箱溫度250 ℃、檢測室溫度250 ℃和載氣流速15 mL/min,適宜用作測定條件,但在此條件下測定化肥二廠A14 取樣點(diǎn)的脫碳液時,色譜峰出現(xiàn)拖尾,且第三個峰前多出一個雜質(zhì)峰,兩峰不能很好地分離,為此采用程序升溫的方法,初始柱溫設(shè)為240 ℃,保持4 min,再以40 ℃/min 的速率升溫至260 ℃,保持6 min;初始柱流量設(shè)為10 mL/min,保持4 min,再以60 mL/min2速率升至30 mL/min,保持6 min,消除了峰拖尾的問題(測定完畢后柱溫與流量自動回復(fù)初始狀態(tài)),使得分離度R>1.5,得到了滿意的色譜分析測定條件。
表2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表
分別取配制好的MDEA 標(biāo)準(zhǔn)溶液5.0 μL、2.5 μL、1.0 μL、0.5 μL,用液體自動進(jìn)樣器進(jìn)樣,觀察譜圖和分離效果,從色譜圖上看出,進(jìn)樣量越大,色譜峰拖尾越嚴(yán)重并且出現(xiàn)平頭峰,但進(jìn)樣量過小,又會引入較大的測定偏差,1.0 μL 進(jìn)樣量的測定效果最為理想。
配制不同濃度的MDEA 水溶液、活化劑1 水溶液、PIP 水溶液分別上機(jī)測定保留時間,再配制一定濃度的脫碳液標(biāo)樣上機(jī)分析,與純物質(zhì)的譜圖對照,根據(jù)保留時間對脫碳液的各個組分進(jìn)行定性。對照脫碳液標(biāo)樣和生產(chǎn)裝置在用的脫碳液分析譜圖,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)在用脫碳液的譜圖中PIP 峰前多流出一個雜質(zhì)峰,峰值大小和保留時間與PIP 峰相似,通過質(zhì)譜分析定性,確認(rèn)此峰為脫碳液中的PIP 在生產(chǎn)裝置運(yùn)行過程中的反應(yīng)產(chǎn)物:N-甲基哌嗪。
3.4.1 確定校正因子 取高濃度脫碳液標(biāo)樣與N-甲基哌嗪混配成含H2O:50.25 %(m/m)、活化劑1:2.25 %(m/m)、N-甲基哌嗪1.00 %(m/m)、PIP:1.50 %(m/m)、MDEA:44.00 %(m/m)的脫碳液標(biāo)樣,在上述操作條件下重復(fù)測定3 次,測得各個組份的峰高或峰面積和相對校正因子,作為面積歸一化法的定量依據(jù),數(shù)據(jù)(見表3)。
表3 脫碳液各組分的相對校正因子
3.4.2 試樣測定 取脫碳液試樣,與脫碳液標(biāo)樣同條件重復(fù)測定3 次,根據(jù)峰高或峰面積和表3 中的相對校正因子,用面積歸一化法計(jì)算各個組分的含量,色譜分析數(shù)據(jù)與容量法分析數(shù)據(jù)對照結(jié)果(見表4)。
表4 脫碳液樣品分析數(shù)據(jù)對照
由表4 可見,容量法中活化劑1、N-甲基哌嗪、PIP被滴定為合量,無法確定單個組分的含量。色譜法可使脫碳液中每個組分得到分離并逐一被定量,測定結(jié)果與容量法吻合良好。
表4 中第1 組數(shù)據(jù)MDEA 測定結(jié)果偏低較多,而第2 組、第3 組的MDEA 含量減幅遞增,估計(jì)是GDX-502 固定相對脫碳液有一定的吸附作用,第一次進(jìn)樣時試樣的吸附損失最大,而此后固定相對脫碳液的吸附作用逐漸減弱所致。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn),采用自動進(jìn)樣器間歇進(jìn)樣,使色譜柱保持吸附飽和狀態(tài),可以有效降低色譜柱對分析試樣的吸附作用,減小分析數(shù)據(jù)的偏差。
配制兩個不同濃度的脫碳液標(biāo)樣,每個試樣用色譜法分析2 次,結(jié)果(見表5)。兩個試樣的測定相對偏差在-0.46 %~0.38 %,能夠滿足生產(chǎn)控制監(jiān)測分析的需求(±0.5 %)。
表5 脫碳液的測定準(zhǔn)確度
表6 化肥二廠A14 取樣點(diǎn)脫碳液分析數(shù)據(jù)對照
用新建的氣相色譜法對脫碳液樣品中的PIP 和MDEA 含量進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,與容量法的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,分析數(shù)據(jù)吻合趨勢良好,部分?jǐn)?shù)據(jù)(見表6)。
氣相色譜法分析脫碳液,可使脫碳液中各個組分均得到分離并被檢測定量,具有靈敏度高,準(zhǔn)確度高,重現(xiàn)性好,測定效率高的特點(diǎn),細(xì)化到每個組分含量的分析數(shù)據(jù)更能反映脫碳工況的運(yùn)行細(xì)節(jié),對現(xiàn)場生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義。
[1] 汪正范編著.色譜定性與定量[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1999.
[2] 中國石油寧夏石化分析規(guī)程編寫組.中國石油寧夏石化分析規(guī)程[S].2005.