本文使你有机会较深入地了解资深专家针对这一技术难题的技术见解。

关键词：样气处理系统   在线分析工程技术  在线分析器   在线分析系统   样气处理部件

    1 21世纪前沿技术的视野

    过程气体分析器工程应用系统（以下简称在线分析系统，曾经叫作过程分析成套系统）在石油、化工、建材、冶金、制药、食品、能源、节能、环保、资源开发等行业得到广泛应用，为实现工艺优化控制、先进过程控制，安全监控、节能减排、提高生产效率和产能，质量控制，推进技改等方面作出了巨大贡献。其重要性以及在线分析系统（含分析小屋）的供货形式已经被工程界广泛接受和高度肯定。去年大型工程项目分析设备的总投入首次超过热工设备的总投入，就是一个十分有说服力的证明。
2007年11月，分析器器学会在北京召开“21世纪前沿技术——在线分析器器的应用和发展国际论坛”。这再清楚不过地表明：在线分析系统是21世纪的前沿技术，样气处理系统技术作为在线分析系统的核心和关键技术，在技术观上定义成“21世纪的前沿技术”是肯定站得住脚的。

    以21世纪前沿技术的视野，非常有必要对样气处理部件进行深度开发的创新设计，对样气处理系统进行有理论基础和实践根据的技术创新，对样气处理系统技术（设计技术＋工程应用技术）进行综合性的技术探索研究和推广应用。

    这就是重庆凌卡分析器器有限公司有远见的产业方向和倾力开展的科技工作。

    2 样气处理系统技术的新定义

    样气处理系统技术还真有些陌生，姑且将其分解成样气处理系统和样气处理技术，一个是硬件，另一个是软件。
    样气处理系统：Sampe Handing Syetems 
    样气处理技术：Sampe Handing Engineering
    样气处理系统的新定义：通过针对在线分析器工程现场应用条件和样气条件的专业化、规范化设计，所实现的样气处理部件与在线分析器之间的合理匹配与完善组合，这种能胜任在线分析器严格要求的体系性样气处理部件的总和，可称为样气处理系统。
    样气处理技术的新定义：样气处理系统的专业性设计技术和专业性工程应用及维护技术相结合的综合性技术，可称为样气处理技术。
    样气处理系统过去长期习惯称为“取样预处理装置”，极简单的一个 “预” 字将其在在线分析系统中的技术地位定格在附庸的低层。这种不恰当的技术歧视严重阻碍了它的健康发展。GB/T 19768-2005《在线分析器器样气处理系统性能表示》的国家标准才可能为其真正正名，因为可以合理引申出“样气处理系统”，但业界却似乎故意视而不见，照样说“取样预处理装置”、将样气处理部件叫做“功能部件”。
    样气处理系统在在线分析工程中的独立性。系统性、严密性怎么肯定都不为过，现在是它承担强力促进在线分析工程技术发展责任的时侯了，也定会得到高速的健康发展。

    3  样气处理部件的体系性简介

    3.1   取样探头（即采样探头）

    取样探头是样气处理系统中最为重要和关键的样气处理部件，它能实现对过程工业工艺气体样气的采样，是在不改变过程工业气体典型化学组分特征，即保持样气真实性的前提下来完成对样气流的分离。

    3.1.1  取样探头可简化成一根不太粗的不锈钢管，也可能是一套十分复杂、造价昂贵的大型成套设备，例如工程中被肯定和成为主流技术的“干法高温取样探头”。 取样探头完全是根据应用目的来设计或选择。

    任何取样探头的取样管都应无例外地伸入到工艺管道或工艺容器中去，插入深度按规范的要求是工艺管道直径的30～70％。探头管进样口的形状和倾斜安装的角度应该有利于样气污染物（如粉尘）的初步物理分离（即惰性分离）。其目的是使样气保持真实性并减轻其后级样气处理的难度。

    3.1.2  用于工业炉窑负压取样的取样探头大多采用“外”过滤器设计，能有效过滤粉尘，这一技术领域最能体现专业技术水平的高低和专业性的真假：
    
    ●   粉尘的高精度过滤：目前国际先进水平是≥0.3um  99%。而一些专业公司仍然停留在2～3um的早期保守水平。
    ●  过滤器的反吹技术：再优秀的过滤器用于高粉尘浓度取样都 有可能发生堵塞的危险，无一例外地要采用反吹技术。采用流体工程学精心设计的高温探头在2000g/m3的高粉尘下长期使用也不会堵塞。而一些专业公司的反吹气路和样气输送管路共用一段气路管道的技术方案是完全不正确的。
    ●  过滤器的加热反吹：过滤器电加热的目的，认为是防止在过滤器上出现冷凝而发生堵塞的看法是不正确的，至少不全面。主要还是0.6MPa的反吹压力在反吹口释放压力时，因Joule-Thompson （焦尔－汤普生）热衰减效应而使反吹气降温，为克服这一新难题，加热反吹是唯一的技术选择，恒温180℃左右的反吹才使本技术难题得到无反弹的彻底解决。
    ●  取样探头的维护：PLC程控脉冲内外反吹扫是很成熟的技术，使取样探头能接近于免维护地长期连续运行。

    3.1.3 应用取样探头的各在线分析系统制造商，几乎都采用自己设计的取样探头，令人遗憾的是，一些自称专业性的制造商或集成商并没有真正掌握干法取样探头深层技术的原理。
    
    重庆凌卡分析器器有限公司将推出多款技术成熟的取样探头，包括专有技术取样探头。

    3.2  样气输送管线

    3.2.1 样气输送管线由配管和列管组成：

    ●  配管是以其内径来分级，并通过螺纹、法兰接头来连接组成配管系统。所谓级别是指耐压和内径两方面。
    配管系统以螺纹最为常见，例如：4分水管是指内径为4/8〞（1/2〞）的管子：内径约Ø12.7，外径却是Ø21，因为G1/2〞管螺纹的大径尺寸为20.955。
    用螺纹可以密封的是圆锥外螺R和圆锥内螺纹Rc,也是以英寸表示规格。
    锥管螺纹NPT和管螺G都要求使用密封剂，才能保证密封性。
    配管系统应留有足够的安装和维护操作空间。
    ●  列管是按其外径来分级，一般为6m多长，普通列管的尺寸为Ø1.5～Ø12。
    ●  样气输送最常用的形式：列管最常用Ø6×1的不锈钢管，与配管系统的连接最常用双卡套螺母组件连接，多次重复拆装仍能保持优良的密封性能。
    ●   配管和列管的材质应根据样气的组分及样气条件来严格选择。

    3.2.2  样气输送管线的伴热

    为使样气输送过程中不发生冷凝，确保样气的真实性，大多要采取伴热措施，化工用蒸汽伴热的不少，其它行业更适合电伴热，典型的要求是伴热120℃左右。许多应用可采用高温窄型自控温电伴热带，能使样气保持135±5℃。更严格的地方则应采用整体电伴热管，只是成本过高，很难普遍采用。

    3.2.3 样气输出管线对分析系统反应速度的制约

    样气传输管线不要超过20m，但有些工程现场做不到。出于业内的一致看法，分析系统的总滞后时间T10≤60s。

    这里必须纠正一种错误的判断：认为管子粗反应速度更快，压力高反应速度更快。在特定样气流量不变的前提下，用Ø10×1的直管要实现≤60s是根本不可能的，因为它比用Ø6×1的直管的滞后时间T10要慢4倍。输送0.4MPa压力的样气比输送0.1MPa压力的样气也要慢约4倍。
    
    如果面对高纯微量样气的输送，而直管的质量等级又很低，滞后时间过长会导致过程检测分析的失败。此时要用溶剂清洗列管并采取伴热措施，美国公司曾有过将滞后时间由17min纠正缩短到30s的经典实例（反应速度提高34倍）。

    3.3   特殊过滤器

    3.3.1 特殊过滤器是指除探头过滤之外的各种过滤器，以滤除样气中的颗粒物和液雾等。颗粒物来自样气中的粉尘、工艺催化剂或列管、配管施工中的污染物等。在线分析器对样气的起码要求是≥2um的粉尘  ≤200ug/m3，当然是越低越好。

    3.3.2 过滤介质（即过滤元件）
    
    从材质讲有SiC多孔陶瓷，不锈钢粉末冶金，各种纤维过滤膜等。
    过滤元件以公称通径（um）评估其通过能力和过滤精度。
    不锈钢的过滤精度水平是≥0.5um，多孔陶瓷的过滤精度水平是≥0.3um，纤维过滤膜则≥0.1um，甚至＜0.1um。
    业界公认0.2um公称通径是“微滤”的标准，＜0.1um应属“超滤”或纳米的界定范畴了。

    3.3.3 过滤器的大致分类

    ●  用于在线分析器保护用的微型过滤器精度应优于0.5才有意义。直接置于机箱内或安装机箱后壁上。
    ●   样气处理系统前置过滤器，如旋风自洁过滤器和旋风凝结过滤器，旋风离心惯性分离对3～5um以上较大粒度的粉尘和液滴可分离90％，还是比较有效的，更适用于有旁路分流的正压样气处理系统。
    ●  样气处理系统后级高精度过滤器，现在能达到≥0.05um  99％的过滤精度。
几十微米的粗过滤器也有，常见于液体样品的过滤。

    3.4   样气冷凝器

    3.4.1 样气冷凝器用得很普遍，几乎是凡样气处理系统都必用。其目的是分离气相和液相，保护分析器不受液相物质的损坏，并保证分析器的分析准确度。

    样气中的颗粒污染物被有效分离后才能进行这种冷却，否则会发生堵塞过滤器等部件的危险。

    3.4.2 常用的样气冷凝器

    ●  压缩机式电子冷凝器，压缩机的强大制冷能力使入口样气温度＜140℃，而出口样气温度为2±0.5℃，价格高是采用最大的制约，另外体积也很大。
    ●  半导体致冷电子冷凝器，单路的入口样气温度只能达到＜40℃，因价格较低、体积也较小，所以用得也很普遍。
    ●  涡流致冷（兰克管）冷凝器：入口样气温度＜45℃，使用0.3MPa压缩空气，可使样气降温20℃以上，因是本安型，化工类有防爆要求的在线分析系统很乐意采用这种冷凝器。
    ●   水热交换器：严格地讲，水热交换器只是一种样气水冷却器而不是冷凝器。高效水冷却分离器以其高效率和较小体积的优点应该在样气处理系统中占有一席之地。

    3.4.3  样气冷凝的新途径

    为分离液相和液雾，样气处理系统采用冷凝器是传统的方法，也是经典的方法，人们（包括技术专家）已经不再顾及它们价格高、体积大、需要维护、耗能等诸多不足之处。

    ★  高效自吹洗综合过滤器

    采用纳米特性的聚合薄膜，研发出制造成本低、体积小、不耗能、本安型、使用维护简便等综合性技术优势的（液雾＋粉尘）综合过滤器，过滤精度为≥0.05um的粉尘和微小雾滴达到99％，有可能满足高端样气处理系统的苛刻要求。这是重庆凌卡分析器器有限公司研发的实用新型专利技术。

    3.5   抽气泵（即采样泵）
    3.5.1 抽气泵是样气处理系统的重点样气处理部件之一，它的功能是将＜0.01MPa的微正压或负压力样气增压后最终输送给在线分析器。以此为根据，使用抽气泵、哪怕它的压力是＋0.01MPa，也归入炉窑负压型样气处理系统。
    
    3.5.2 样气处理系统设计中，要尽可能避免使用抽气泵，因为它的价格较高，有振动和噪声，需要维护，限制了系统可靠性的提高。解决办法是尽可能利用工艺管路的现有压力或压差。

    3.5.3  抽气泵的种类
    
    ●  抽气泵的种类和规格多得数不过来，最常用的还是隔膜泵，当然真空泵也有人用。应特别指出的是：如果样气流量定格在60L/h，那么选用的抽气泵的抽气量应在250～500L/h（空载）为宜，过大抽气量的泵反而因轻负载容易出现损坏故障。
    
    ★  喷射泵：有时也会采用水、蒸汽、压缩空气为动力的喷射泵，其明显优势是本安型。其中用在分析器之后的空气喷射抽气泵即气动采样泵值得深入地实践研究。

    ●  蠕动泵用于排放冷凝液（＜0.3L/h），不受样气压力是否为负压的限制。

    3.6    气液分离器

    3.6.1  气液分离的目的是使气液分离并分流，使输送至在线分析器的样气是干燥的，露点在2～3℃时为最佳状态。

    3.6.2  气液分离器的种类
    
    ●  样气被样气冷凝器冷凝之后的气液分离，这种气液分析器是比较简单的圆筒形结构，样气的出入口都在上方、下方是排放冷凝液的出口。样气入口连着一根下端有45°斜口的管子。
    ●  样气低速通过气水分离器是提高分离效率的关键，因此分离器内的管径有必要大于分离器外的直管管径。
    ●  前述旋风自洁过滤器也可理解为是一种气液分离器，对粉尘和液滴的离心分离力大于重力的2500倍左右，也就是说对于5um粉尘的离心分离力，几乎相当于直径是90um的重力分离力。实用时的分离效果取决旋风速度和旋风室半径。
    ●   凝结分离过滤器是另一类气液分离器，在石化行业应用有非常成功的经典之作。

    3.7    流量的测量与控制

    3.7.1  流量的测量通常用直读式球形转子流量计，在线分析器需要的样气流量大多定格在60L/h。

    3.7.2  流量的调节通常用针阀，而流量计选用带针阀的流量计更方便合理。

    3.7.3  报警流量计可实现样气流量失常的报警，是所有报警中最值得重视的报警措施。

    3.7.4  流量控制会用到各种类型和规格的阀件，涉及隔离阀、调节阀、安全阀和定向阀等四大类。
   
    隔离阀用球阀很普遍，流量调节阀用针阀很普遍。而切换样气流向才要采用二位三通或二位五通切换阀。
    所有阀件的质量都是以可靠的密封性为重点，如美国Swagelok公司的五通切换阀号称有10万次不泄漏的长寿命。

    3.8    压力的测量与调节

    3.8.1  需要显示压力的技术环节使用压力表显得有些简单，但压力的调节在技术上十分重要，使得压力调节器（阀）的选型至关重要，关键是传送精度、切断能力和反应速度等三大技术特性。

    3.8.2  样气处理系统最常用的是隔膜式减压调节器（阀），即压力调节器（阀），用于标准气瓶的常称为减压阀。

    3.8.3  如果从工艺管道取样时的压力太高，当然即使是中低压力，都应在取样处工艺隔离切断阀（俗称根部阀）后立即实施减压，以避免高压样气在传输中或给后级样气处理带来潜在危险，同时也是避免大体积的高压气体过分延长了传输滞后时间。

    3.8.4  减压调节阀的应用技术涉及很复杂的技术内涵，值得认真关注：如过压保护的安全措施，泄漏引起的危险、材质引起的应用局限；应选用更小些的节流孔径，注意减压后引起的样气降温（有专蓍称差压每降低0.1MPa，温度会降低1℃）所以伴热保温防止凝结引发堵塞的危险就很有必要。

    3.9    样气处理部件材料的选择

    3.9.1  部件材料选择表面上过于简单，实质上却复杂得高深莫测。常常因见识少，国内技术基础差、信息渠道窄等原因而力不从心。
    
    3.9.2  以不锈钢管为例：304型最高使用温度为538℃，耐腐蚀性差。316不锈钢的最高使用温度为649℃，有较好的耐腐蚀性。而316L不锈钢的耐腐蚀性比316更好。多种工艺内壁抛光不锈钢管，表面粗糙度也不同，可减轻其对水分子的吸附，高纯气体分析很有必要采用。

    3.9.3  三种密封材料的比较

                   短期工作温度（手册）     强度        密封性
丁晴橡胶      －15～120℃         次之         次之
硅橡胶        －25～250℃         较差         较差
氟橡胶        －35～300℃         较好         较好 
连续使用温度更高的应采用表面包覆取四氟乙烯的氟橡胶。

    3.10    电气设备外壳

    3.10.1  定义：

    最简单的是仪表柜或仪表箱

    最常用的是带有控制板的机柜，一扇或两扇前开门，高度通常≥2m，随机配置有通风、加热及空调系统。这类机柜习惯称为仪表盘，装入控制板后称为控制柜，装入分析器后称为分析柜。

    另一类机柜应用在大型在线分析系统且仪表工可进入的仪表分析屋，习惯称为分析小屋。

    3.10.2 机柜的防护等级（IP＊＊）
   
    第一位数针对粉尘，第二位数针对水。无需防护相当于IP00。
例如IP56的级别相当高：能完全防止粉尘进入，能防止任意方向的低压水喷射。
IP24就比较一般：能防护12mm直径固体物质冲击，能防止任意方向的水濺射。

    3.10.3  机柜的防爆等级

    适用于在线分析系统的防爆级别最常见到的是：
    Ⅱ类  工厂用电气设备，（美国标准Class）。
    A、B、C三级（美国标准Grop）：A以甲烷为代表，B以乙烯为代表，C以H2为代表。
    最高表面温度为6组：其中常见的T4为135℃，T6为80℃。
    爆炸危险场所的分区，通常选用2区。
    例如某隔爆型分析器的防爆级别为dⅡCT6。
各项防爆配置完善的分析小屋称为防爆分析小屋，虽然造价很高，因别无良策,在石化、化工等防爆要求严格的工程现场，仍被广泛采用。

    3.10.4 机柜的气侯条件

    这包括机柜的通风和安全换气、冬天的加热升温，夏天的空调降温等，投入和维护等都颇为费事。

    3.11   标准物质

    3.11.1 在线分析器使用的标准物质，是专业厂生产的标准气，对工挰用户的供货形式常是带减压阀的8l铝合金钢瓶。

    在工业生产中承担连续检测计量任务的在线分析器，以标准气作为计量标准，其重要性不言而喩。现在标准气的水平和质量也在提高，例如零点气就有99.999％超纯N2。

    3.11.2 为了消除样气背景组分的干扰误差，可以采用配制三组分标准气的方法来基本消除。由于对背景气干扰及其危害缺乏应有的科学认识，这一简便易行的好办法却被忽视。

    3.12   快速回路

    3.12.1 反应速度是样气处理系统为数很少的几个技术指标之一，外行制造商没有水平也无责任心处理好这一技术命题。连美国专业厂商也出现过响应时间长达13min的设计失误。国内滞后时间在3～5min的恐怕不是个别现象，因为他们很少关注，也不理解其影响因素，更没有计算或测试过。

    3.12.2 提高反应速度的措施：

    ●  缩短分析柜与取样点之间的安装距离，以≤15m为宜；
    ●  取样点减压后才经样气传输管线向后输送，压力应≤0.12MPa；
    ●  以Ø6×1小管径的不锈钢管输送样气；
    ●  1～2路的快速旁路设计，旁路流应是分流流量3～5倍；
    ●  微量分析时，宜采用内抛光的不锈钢管，或用溶剂清洁原用不锈钢管；
    ●  全部采用更小死体积的样气处理部件；
    所有这些措施，将总滞后时间由≤60s减小到≤30s或许并不是难事。

    3.13  安全排放

    样气经分析器分析检测后的尾气排放，可直接用≥Ø12×1的不锈钢管，如有防爆要求和多台分析器，以及有快速旁路时，宜采用带阻火器的集管式安全放空罩。冷凝液的排放，也应用集管式（自动）安全排放。

    3.14  自控单元
    
    PLC自控单元
    完成反吹、切换气路、各项报警等多种自动控制功能。

    3.15  数据处理及远传单元

    GPRS 通讯部件（任选件）

    3.16  现场安装施工设计

    如水泥窑尾在线分析系统，干法高温取样探头系统的安装施工，本来就属于高温探头的有机组成部分。高温探头的设计图就包括高温探头的安装施工图。
 
    3.17  在线分析系统的工程现场投运技术
     
    这可以用名民间常用语来表述：会者不难，难者不会。

    4  重庆凌卡分析器器有限公司行走在样气处理系统技术的前沿

    4.1  重庆凌卡分析器器有限公司是科技创新型民营股份制企业，以发展在线分析工程技术和样气处理系统技术，推进在线分析系统的工程应用为已任，已开通“中国在线分析系统网”电子商务平台。

    4.2  重庆凌卡分析器器有限公司的技术优势与创新能力

    ●  技术总监金义忠先生是分析器器行业创新意识很强的资深专家，曾经承担并完成四项国家级科技攻关项目，对样气处理技术有36年之久的工程实践经验，曾两次去德国H&B公司技术考察，对国外先进技术有深入的了解，对工程应用也有独特感悟。
    ●  研发团队于2008年申请一项发明专利和实用新型专利，并很快转入生产研制。
    ●  研发LKS 1500系列在线分析系统。
    ●  凌卡公司以“创新、持续创新”作为企业核心竞争力。

    4.3  重庆凌卡分析器器有限公司的产业优势
     
    ●  系列化探头是其第一重点，LKP 103通用型中温取样探头和LKP 104型可拆式化工取样探头是其代表。
    ●  系列化过滤器是其第二重点，最具特色的是高效自吹洗综合过滤器（实用新型专利技术）。
探头高精度过滤器的过滤精度≥0.3um   99%，此为行业先进水平；
后级高精度过滤器的过滤精度是       ≥0.3um   99.9999%
                                       ≥0.05um   99%   这也属行业先进水平。
    ●  整合和创新后样气处理系统，代表性是“本安型样气处理系统”。
    ●  集成了多项创新技术要素，引入了“15年寿命周期”工程设计新理念的LKS 1500系列在线分析系统。

    5  面对样气处理系统技术的沉思

    本 “新论”实质是极简单的概论，文章虽长，却远未说完、说透，细想沉思之余，仍有诸多感慨：

    ●  样气处理系统技术，是无法界定其边界的21世纪前沿技术，它漫无边际。
    ●  样气处理系统技术，是无法探测其深度的21世纪前沿技术，它高深莫测。
    ●  样气处理系统技术，是前途无量的21世纪前沿技术，既传统，更年青，它活力无限。
    ●  样气处理系统技术，是以工程应用为目的的实用技术，实践工程学是它的灵魂。
    ●  样气处理系统技术，是项费力不讨好的艰难责任，对真才实学也是一种苛刻的考验。为了人类净空、净地、净水乃至净餐的梦想，凌卡才会有如此的责任感和创新的冲动，不顾样气处理系统技术的漫无边际与高深莫测，竟然纵身进入这一科技前沿探险。