一种天然气中轻烃碳同位素富集分析装置的制作方法

1.本发明涉及一种同位素富集分析装置，尤其涉及一种天然气中轻烃碳同位素的富集分析装置。


背景技术：

2.天然气不同组分碳同位素可以准确的判识天然气的成因类型、评价天然气的成熟度，目前应用较多的主要集中于c1～c5组分碳同位素的研究，然而c1～c5组分分子种类有限而结构简单，其碳同位素所能提供的信息相对有限，在湿气中除了含有c1～c5组分外，c6～c8组分的轻烃可见率大，分子结构复杂，研究其碳同位素的系列单体碳同位素的特征，对探索和研究天然气的成因、鉴别气的类型和气源对比有重要意义。
3.由于天然气中轻烃的含量往往较小，准确分析天然气中c6～c8组分的轻烃同位素的难度较大，人们采用了碳同位素的在线分析技术，然而由于实际分析中进入检测器中的样品量较少，往往会产生数据的波动，当轻烃含量极低时，往往由于含量低于检测线，而无法检测，因此，开发新型的天然气中轻烃组分富集装置及方法，受到了大家的广泛关注。
4.常规的色谱分离方法中，通过调节色谱条件，可以实现天然气中多种气体组分的分离，然而，其中c5类气体组分与c6类气体组分保留时间的时间间隔较为有限，故在富集过程中，易导致富集的c6～c8组分中含有一定量的c5组分，由于部分c5组分的凝固点与部分c6组分的凝固点相近，因此在后续的冷阱中也无法做到c5组分与c6组分的完全分离。当进行轻烃的组分分析时其影响相对较小，然而，当进行轻烃组分的碳同位素分析时，由于相邻轻烃组分的保留时间相对较小，甚至无法完全分开，对后续的轻烃碳同位素的测试影响。
5.在同位素的富集中，经常使用各种冷肼。冷阱是一种阻止蒸气或液体从系统进入测量仪器，或从测量仪器进入系统的一种装置。它能提供一个非常低温的表面，在此表面上，分子能够凝聚，并能提高一至二个数量级的真空度。但是，不适当地使用冷阱能减少仪器的准确性，造成仪器或系统的破坏，产生一种物理事故。例如，冷阱中使用的许多脂的混合物有毒，处理不当时也能发生爆炸事故。冷阱蒸发的速率不仅受到摄入能量的影响，而且受到真空泵的泵速影响。较大的样品蒸发表面积是影响真空泵效率的瓶颈所在，而不是样品容量和数量。更为有效的是使用冷阱，而不是用更大的真空泵。由于冷阱的使用，一方面有利于水蒸气凝结，另一方面提高了有机溶剂蒸发密度，更易于凝结。
6.冷阱处理是一种冷却装置，用来收集某一熔点范围内的物质。把一支u形管放在冷冻剂中，当气体通过u形管时，熔点高的物质变成液体，熔点低的物质通过u形管，起到分离的作用。但单独冷肼的使用，由于天然气中组分复杂，常常无法达到令人满意的效果。各种实验的数据往往不够准确，且实验效率较低
7.有鉴于此，设计一种合理且有效改善上述缺失的天然气中轻烃组分碳同位素制样系统，同时引出全新的制样方法。


技术实现要素：

8.本发明为了解决上述存在的天然气中轻烃组分碳同位素分析不准确的问题，提供一种天然气中轻烃组分富集系统及方法，通过该方法实现天然气中轻烃类物质的富集，通过后续的碳同位素的检测，最终实现天然气中轻烃组分碳同位素的精确测试。
9.为实现上述发明目的，本发明提供了一种天然气中轻烃组分的富集分析测试系统和方法，采用了制备色谱，通过调节制备色谱的色谱条件，可以有效实现轻烃中c1～c5组分与c6～c8组分的完全分离。本发明采用色谱分离和多冷阱富集耦合分离方式，与常规的色谱分离将不同组分完全分开不同，本发明设置的色谱分离条件旨在实现c5组分与c6组分的保留时间的时间间隔尽量扩大，实现其完全分离。
10.当所有c6～c8组分完全富集时，采用多冷阱分离，实现不同碳数轻烃组分(c6与c
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组分的分离)的缓慢释放，可有效保证不同碳数轻烃组分的分离效果；
11.优化色谱条件，最终实现了不同轻烃组分碳同位素的准确测试。
12.具体实现方法为：
13.一种天然气中轻烃碳同位素富集分析装置，包括制备色谱，所述制备色谱连接氮气源和主管路，真空系统、气泡系统和测试系统分别连接在主管路上，所述真空系统包括真空计和真空泵，所述气泡系统包括气泡计，所述测试系统包括依次连接的冷肼一、冷肼二、冷肼三、和同位素分析测试系统。
14.优选所述氮气源与所述制备色谱之间、所述主管路与所述制备色谱之间、所述真空系统与所述主管路之间、所述气泡计与所述主管路之间、所述冷肼一与所述主管路之间、所述冷肼一与所述冷肼二之间、所述冷肼二与所述冷肼三之间、所述冷肼三与所述同位素测试系统之间分别设置有阀门。
15.优选所述阀门为真空阀。
16.优选所述冷肼一、冷肼二和冷肼三为不同的冷肼。
17.优选所述冷肼中至少包括一个液氮冷阱、一个干冰冷阱和一个酒精冷肼。
18.本发明具有以下有益效果：
19.采用了制备色谱分离方法，通过优化色谱条件，使色谱中c5组分与c6以上组分的保留时间间隔大于7min，实现了c6～c8组分与c1～c5组分的完全分离；
20.采用轻烃提纯方法，将轻烃中c6～c8组分完全保留的同时，进一步去除了c1～c5组分和天然气中的少量水分；
21.采用多类型冷阱，进一步实现了c6组分与c7以上组分的分离；
22.将富集分离轻烃进行在线同位素检测，防止了多次取样进样中碳同位素的分馏，保证了分析测试的准确性。
附图说明
23.图1为本发明所述碳同位素富集分析系统的结构示意图。
24.附图标记如下：
25.1.制备色谱；2.真空阀；3.氦气；4.真空阀；5.真空阀；6.真空计；7：真空泵；8.真空阀；9.气泡计；10.真空阀；11.冷阱一；12.真空阀；13.冷阱二；14.真空阀；15.冷阱三；16.真空阀；17.同位素分析测试系统
具体实施方式
26.有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
27.根据图1所示，天然气中轻烃组分单体烃碳同位素富集及分析装置，包括轻烃富集系统和分析检测系统，所述轻烃富集系统包括色谱，真空阀，真空泵、氦气气路，冷阱、气泡计和依次连接的真空阀；所述分析检测系统则主要由色谱和同位素质谱仪组成。
28.为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，天然气中轻烃组分碳同位素单体烃碳同位素检测，共分为五步：
29.(1)真空检测
30.首先对系统通入氦气，去除其中存在的杂质气体，再开启真空系统，通过真空计观察样品池中的真空度，直至真空度达到10-2
pa。
31.(2)色谱分离
32.将天然气注入制备色谱中，多次实验优化色谱条件，天然气通过制备色谱可以将轻烃c6～c8组分与c1～c5组分完全分离，其色谱条件为(色谱柱为propack q填充柱，程序升温条件为初始温度40℃，恒温1分钟，然后以10℃/min升温至145℃，恒温15分钟，然后以2℃/min升温至145℃，恒温15分钟，载气为氦气，流速为13ml/min)
33.(3)轻烃提纯
34.制备色谱分离得到的轻烃组分在两个冷阱中进一步纯化和富集，通过冷阱一实现水与烃类气体的分离，通过冷阱二实现c6～c8组分的富集，直至冷肼三。
35.(4)分级释放
36.基于不同冷阱(如第一冷肼液氮冷阱，第二冷肼酒精冷阱和第三冷肼干冰冷阱)温度的差异，首先将富集气体由液氮冷阱转移至干冰冷阱，实现轻烃组分中c6组分与c7以上组分的分离。
37.(5)分析检测
38.将释放的c6组分与c7以上组分引入同位素色谱-质谱检测系统中，轻烃组分单体烃通过色谱的分离、反应和检测，实现了天然气中轻烃单体烃的碳同位素分析，色谱条件为：al2o3毛细管柱，程序升温条件为初始温度40℃，恒温1分钟，然后以1.5℃/min升温至145℃，恒温20分钟，然后以2℃/min升温至280℃，恒温15分钟，载气为氦气，流速为3ml/min
39.相较于现有轻烃的富集和检测方法，首次采用了制备色谱分离和冷阱冷凝的两步富集方法，保证了轻烃c6～c8组分与c1～c5组分的完全分离，同时防止了轻烃的分馏，其次采用多类型冷阱，实现了轻烃气体的缓慢释放，最终耦合质谱仪，达到了轻烃c6～c8组分的最佳分离效果，最终实现了天然气中轻烃组分单体烃的富集和准确测试，
40.下面通过实际应用中的操作来说明本系统的富集和分析测试方法：
41.(1)闭合真空阀2、4、8、10、12、14和16，使氦气充满反应管路，当气泡计9中观察到连续的气泡时，断开真空阀2、8和16。
42.(2)开启真空阀5，对反应管进行抽真空处理；
43.(3)当样品管的真空度达到10-2
pa时，断开真空阀5、10、12和14；
44.(4)调节冷阱温度，将冷阱11为酒精液氮冷阱，冷阱13采用液氮冷阱，；
45.(5)取5ml天然气样品注入制备色谱1中，闭合真空阀8，使天然气中的c1～c5组分放
空，当色谱中观察到开始出现轻烃c6组分时，断开真空阀8，闭合真空阀10和12，通过冷阱11去除天然气中的微量水气，将天然气中轻烃c6～c8组分保留在冷阱13中；
46.(6)断开真空阀12，闭合真空阀14，将冷阱13缓慢升温；
47.(7)闭合真空阀2、4、10和12，在管路中注入氦气；
48.(8)闭合真空阀16，使轻烃中c6组分进入色谱中并反应和检测；
49.(9)断开真空阀14，将冷阱15缓慢升温；
50.(10)闭合真空阀16，使轻烃中的c7以上组分进入色谱和同位素质谱仪。
51.以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，在此基础上可进行灵活变通，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的实施方式加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的实施方式所进行的任何简单修改或等同置换，均属于本发明要求保护的范围。