Хроматограф для анализа природного газа. ГОСТ 31371. Выбираем лучшую комплектацию хроматографа.
02.06.2024
Природный газ – это одна из основ мировой экономики, а Россия одна из богатейших по запасам этого сырья стран. Природный газ — смесь углеводородов, преимущественно метана, с небольшими примесями других газов, образующаяся в природных процессах в недрах Земли. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды, преимущественно алканы. Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами: водород, гелий, сероводород, углекислый газ, азот и некоторые другие инертные газы. Газовая хроматография – идеальный метод для определения состава природного газа. Большое количество месторождений, газоперерабатывающих заводов и транспортирующих газ систем требуют внушительного парка хроматографов для контроля качества и состава газа. Хроматограф на природный газ – это прибор, с которым работает любой инженер нашей компании.
Основной метод для определения состава природного газа – ГОСТ 31371.7-2020. Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Методика измерений молярной доли компонентов. Полученные данные по составу используют для вычисления теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе по ГОСТ 31369.
ГОСТ 31371.7 описывает требования к хроматографу, но дает различные вариации в его конфигурации детекторами, колонками, кранами. Часто пользователи обращаются к нам за советом и просят рассказать о различиях и возможностях разных конфигураций, чтобы выбрать наиболее подходящий вариант для себя.
Изотермический или режим с программированием?
В статье мы рассматриваем только лабораторные комплексы, но на анализ природного газа используются и поточные хроматографы. Они устанавливаются на производственных площадках и анализируют пробы газа из потока трубы в автоматическом режиме. Особенностью таких приборов является низкотемпературный изотермический термостат колонок. Именно для них и были разработаны хроматографические системы анализа природного газа в изотермическом режиме. В таких системах применяются четко подобранные по длине колонки, переключающие краны. Система настраивается на заводе-изготовителе, как правило, под конкретный состав газа. Такие системы имеют более сложную газовую схему хроматографа, в сравнении с вариантами, работающими в программировании. Сравните сами:
Схема с аналогичными аналитическими возможностями, но режим в программировании температур колонок в ходе анализа:
В первом случае у нас система из 4-х насадочных колонок и трех кранов со сложной системой переключения. Во втором варианте один кран-дозатор и две колонки, плюс переключатель для получения группового пика С6+. Минус изотермического режима – это сложная газовая схемы.
В любой системе может возникнуть проблема, например негерметичность на одной из колонок или изменение хроматографических свойств колонки из-за старения сорбента. Как результат - времена удерживания сдвигаются. Восстановить такую систему сложнее и уровень квалификации специалиста должен быть достаточным для устранения этих проблем. Простые схемы с этой точки зрения выигрывают. Кроме этого, на изотермических схемах не стоит желать детального деления углеводородов тяжелее пентана в сложных по составу газах (попутном нефтяном, газе сепарации и других жирных газах). Чаще всего тяжелая часть определяется, как С6+. Для богатых углеводородами газов требуется капиллярная колонка и программируемый режим анализа.
Плюсы «изотермы» тоже есть – это скорость анализа. Схема для транспортируемого природного газа может дать результат через 8-10 минут и сразу же хроматограф готов анализировать новую пробу. Высокая скорость анализа дает большую производительность, что важно для лабораторий с высокой нагрузкой.
Вариант анализа природного газа по ГОСТ 31371 в изотермическом режиме.
Особенности комплектации хроматографа по ГОСТ 31371.7. Все основные варианты.
Рассмотрим наиболее популярные комплектации хроматографа по ГОСТ 31371.7 для режима с программированием термостата колонок. Можно выделить базовую (минимальную) комплектацию для анализа. Так для «сухого газа» можно использовать хроматограф с одним краном 10-портовым (Кат.№ КрД10.2-16(1.1).52.АТ-по или Valco), колонками М 3м*2мм, Hayesep R 80/100меш (Porapak R) и М 2м(3м)*3мм, NaX 60/80меш и двумя детекторами ДТП. Газ-носитель – гелий. Комплекс позволит анализировать O2, N2, CO2, C1-C6.Именно этот вариант был основным долгие годы. Кислород и азот разделяются на колонке с цеолитами, а диоксид углерода и углеводороды C1-C6 на колонке с полимерным сорбентом Hayesep R (Porapak R). Схема позволяет анализировать все компоненты дающие газу калорийность. Посмотрите насколько прост данный вариант:
Такой конфигурации достаточно для определения калорийности «сухого» или подготовленного для потребителя газа. В таких газах основной компонент метан составляет более 85%, на втором месте этан до 10%, а более тяжелые пропан и бутаны практически отсутствуют, их менее 0,2%. Разновидностью данной схемы может стать замена 10-ти портового крана двумя 6-ти портовыми. При этом канал с колонкой NaX можно сделать на ГН-аргон (хотя это будет отклонение от части 7 ГОСТ 31371) и анализировать дополнительно компоненты гелий и водород, но с меньшей чувствительностью по компонентам кислород и азот. Если после ДТП по колонке Hayesep R поставить детектор ПИД, то получится комплектация по рекомендациям ГОСТ 31371 часть 3. ПИД дает небольшое увеличение чувствительности по углеводородам.
Вернемся к нашей комплектации с 10-ти портовым и 2мя ДТП. Добавим к ней переключатель 4х портовый автоматический по каналу с колонкой Hayesep R. Переключатель позволит получить суммарный пик углеводородов тяжелее пентана. Эти компоненты выходят одним не полностью поделенным пиком С6+. Схему мы уже ранее привели, рис 2. Вариант с псевдокомпонетом С6+ описан в ГОСТ 31371.7 п.2.2 Метод Б.
Следующее дополнение к последней комплектации позволит добавить в список водород и гелий. Для этого потребуется еще один кран 6ти портовый, колонка М 3м*2мм NaX, ДТП и газ-носитель аргон. Полное описание комплектации здесь. Газовую схему приводим ниже. Этот вариант на сегодня, пожалуй, самый популярный. Именно с ним мы чаще сталкиваемся в практике.
Продолжаем усложнять. Любой жирный газ качественно разделить и проанализировать на предыдущем варианте не получится, колонка насадочная с Hayesep R не справится, поэтому добавляем капиллярную колонку и ПИД. Капиллярная колонка позволяет детально разделить углеводороды тяжелее пентана и получить хорошие высокие пики углеводородов С6, С7, C8. Схема последней конфигурации ниже, а комплектация по ссылке.
Такие приборы тоже не редкость и чаще полезны на месторождениях и газоперерабатывающих заводах. В принципе, это самый универсальный вариант и может применяться практически для любого типа газа.
Варианты по схемам №4 и №5 в настоящее время встречаются чаще всего. Их популярность связана с простотой и возможностями приборов. Наши специалисты всегда готовы помочь и ответить на возникшие вопросы.
