Он-лайн Анализ азотсодержащих соединений в сложных углеводородных матрицах
5 августа 2016 г.
Способ объединения комплексную двумерная газовой хроматографии с обнаружением хемилюминесценции азота был разработан и применен к оперативного анализа азотосодержащих соединений в сложной углеводородной матрице.
Общая цель этого эксперимента заключается в обнаружении и количественном определении азотсодержащих соединений в сложной углеводородной матрице. Этот метод решает вопросы в области химического машиностроения и нефтехимической промышленности, такие как полный анализ потока сточных вод установки парового крекинга или других нефтехимических потоков. Главное преимущество данной методики в том, что она является комплексной и количественной.
Применение этого метода распространяется на спектр обнаружения продуктов слежения за паром, поскольку он обеспечивает надежный количественный анализ азотсодержащих соединений в потоке сточных вод реактора. Этот метод дает представление о химии азотсодержащих углеводородов, но он также может быть применен к другим процессам, таким как быстрый паралич биомассы. Как правило, исследователи, не знакомые с этим методом, будут бороться с проблемами, связанными с отбором проб при высоких температурах.
Чтобы начать эту процедуру, взвесьте два стеклянных флакона с помощью аналитических весов и запишите измеренные значения. Добавьте примерно 25 миллиграммов внутреннего стандарта, 2-хлорпиридина, в первый флакон. После этого нанесите на баланс первый флакон и добавьте примерно 1 100 миллиграммов образца сланцевого масла.
Аккуратно встряхните флакон, чтобы перемешать смесь. Поставьте второй флакон на весы и затарьте остаток. Перелейте примерно 25 миллиграммов приготовленной смеси во второй флакон, а затем добавьте примерно 450 миллиграммов исходного образца сланцевого масла.
Выполните двумерный анализ ГХ-НЦД с помощью двумерного прибора ГХ, оснащенного двухступенчатым криогенным модулятором жидкого углекислого газа. Во-первых, подключите неполярную колонку PONA первого размера непосредственно к колонке BPX50 средней поляризации второго размера. Примените двумерные рабочие условия, оптимизированные для обнаружения азотсодержащих соединений в сланцевой нефти, задав параметры в программном обеспечении.
Для NCD установите скорость потока на уровне 5 и 11 миллилитров в минуту для водорода и кислорода соответственно, сохраняя при этом температуру горелки на уровне 925 градусов Цельсия на двойном плазменном контроллере детектора. Затем введите образец с помощью автоматического пробоотборника, начав анализ с помощью программного обеспечения. Во время онлайн-эксперимента по анализу подается гептан и вода с помощью роторного насоса, управляемого компьютером, путем установки расхода с помощью программируемого логического контроллера или ПЛК, и вводится пиридин в конвекционную секцию реактора, вручную устанавливая скорость поршневого насоса.
Перед реакционной секцией печи выпаривается и смешивается исходное сырье в двух отдельно нагреваемых зонах, которые поддерживаются при температуре 500 градусов Цельсия. Теперь наложите температурный профиль на реактор из легированной стали длиной 12,4 метра и внутренним диаметром 9 мм, установив температуру в пяти зонах нагрева с помощью ПЛК. Затем добавьте жидкий азот внутрь духовки GC, чтобы снизить температуру до минус 40 градусов по Цельсию.
Для NDC вручную установите скорость потока на уровне 5 и 11 миллилитров в минуту для водорода и кислорода соответственно, сохраняя при этом температуру горелки на уровне 925 градусов по Цельсию. Затем возьмите пробу сточных вод пилотной установки на линии при температуре от 400 до 500 градусов Цельсия, сначала повернув пневматический шестиходовой двухходовой клапан в положение продувки с помощью ПЛК и промыв контур отбора проб в течение не менее двух минут. После этого поверните пневматический шестиходовой двухходовой клапан в положение впрыска с помощью ПЛК.
Для внутреннего стандартного приготовления растворите два хлорпирадина в гексане и вручную перемешайте смесь. Добавляйте внутренний стандарт непрерывно, прокачивая подготовленную смесь через капиллярную линию переноса, которая расположена в центре потока продукта перед пробоотборной системой. Представлена хроматокграмма, полученная с помощью автономной двумерной ГХ-НКД для определения характеристик азотсодержащих соединений в сланцевой нефти.
Было идентифицировано несколько соединений и определены их концентрации. Анализируемый образец содержал 4,21 вес.% азотсодержащих соединений, в основном относящихся к классу пиридинов. Для идентификации продуктов реакции и установления времен удержания соединения соединения для выбранных хроматографических условий был использован поточный двумерный анализ газосостояния реактора во время пиролиза пиридиново-гептановой смеси.
Двухмерный анализ ГХ FID был использован для определения состава притока реактора при использовании пара в качестве разбавителя. Полученные концентрации продукта перечислены здесь. Метод on-line двухмерного GC-NCD был протестирован в условиях, выбранных для предотвращения разложения пиридина, и концентрация пиридина 819 частей на миллион массы была измерена с использованием полученного отклика детектора и известной внутренней стандартной концентрации.
Относительная погрешность измерения составила менее трех процентов. Здесь представлены двумерные хроматограммы FID и GC NCD эксперимента по паровому крекингу гептана с пиридином. Было обнаружено несколько азотсодержащих соединений, а концентрация азота и интенсивность реакции были определены на уровне 124,5 частей на миллион веса, что соответствует извлечению азота в 98,5 процента.
После освоения этого метода можно получить точные результаты даже для следовых концентраций азотсодержащих компонентов. При попытке выполнить эту процедуру важно не забывать добавлять количество внутренних стандартов, которое даст концентрацию, аналогичную концентрации обнаруживаемых продуктов. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области химической кинетики паралича азотсодержащих углеводородов.
И это с существенно более высокой точностью. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как предотвратить дискриминацию соединений с высокой температурой кипения во время отбора проб на линии. Высокая разделительная способность двумерного газового хроматографа в сочетании с очень чувствительным и селективным детектором позволяют нам выйти далеко за рамки современного уровня техники и получить результаты, которые поддаются количественной оценке, являются точными и воспроизводимыми.
Не забывайте, что работа с азотсодержащими соединениями может быть крайне опасной. Растворы и образцы следует готовить в проветриваемом помещении.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод, который сочетает в себе полноценную двухмерную газовую хроматографию с обнаружением хемилюминесценции азота для анализа соединений, содержащих азот, в сложных углеводородных матрицах. Эта техника особенно актуальна для применения в химическом машиностроении и нефтехимической промышленности.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Химическое машиностроение
- Нефтехимический анализ
- Экологическая химия
Предыстория
- Обнаружение соединений, содержащих азот, имеет важное значение в различных промышленных процессах.
- Потоки сточных вод от паровых крекеров требуют тщательного анализа для соблюдения экологических норм.
- Существующие методы могут не иметь всеобъемлющих количественных возможностей.
- Отбор проб при высоких температурах представляет собой проблему для исследователей.
Цель исследования
- Разработать надежный метод для обнаружения и количественного определения соединений, содержащих азот.
- Улучшить понимание химии, связанной с углеводородами, содержащими азот.
- Предоставить знания, применимые к другим процессам, включая конверсию биомассы.
Используемые методы
- Полноценная двухмерная газовая хроматография.
- Обнаружение хемилюминесценции азота.
- Онлайн-анализ сложных углеводородных матриц.
- Количественная оценка потоков сточных вод.
Основные результаты
- Метод позволяет проводить полный анализ соединений, содержащих азот.
- Он предоставляет надежные количественные данные для нефтехимических потоков.
- Полученные знания могут помочь в обнаружении продуктов следования пара.
- Были выявлены проблемы, связанные с отбором проб при высоких температурах.
Выводы
- Разработанный метод значительно улучшает анализ соединений азота в углеводородных матрицах.
- Он имеет широкое применение для нефтехимической промышленности и мониторинга окружающей среды.
- Будущие исследования могут быть направлены на преодоление проблем с отбором проб.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This method enables comprehensive and quantitative analysis of nitrogen-containing compounds in complex hydrocarbon matrices, addressing a critical need in petrochemical process optimization and environmental compliance. By providing reliable detection of species that influence thermal process operations and pose environmental hazards, it supports mechanistic de-risking in steam cracking and related unit operations. The technique enhances predictive confidence in feedstock evaluation and reaction pathway understanding for downstream processing decisions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of nitrogen-containing compound behavior in hydrocarbon systems, supporting hypothesis testing around reaction mechanisms and degradation pathways.
- Operational Value: Provides standardized, reproducible quantification using internal calibration with 2-chloropyridine, reducing variability in effluent stream analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates comprehensive chromatographic profiles via GC×GC-TOF-MS/FID/NCD, facilitating identification of reaction products and establishment of retention times for targeted compound monitoring.
- Operational Value: Delivers quantitative nitrogen concentration data with <3% relative error, enabling reliable compound evaluation and process control in pyrolysis experiments.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports continuity from discovery through validation by characterizing nitrogen compound transformations under pyrolysis conditions, informing risk assessment for thermally driven processes.
- Operational Value: Enables replication of analytical conditions across pilot plant and laboratory settings, fostering cross-functional consistency in data generation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery workflows by providing quantitative effluent analysis that informs reaction optimization and feedstock selection, particularly for nitrogen-containing hydrocarbon systems under thermal stress.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by quantifying nitrogen-containing compound formation and degradation, clarifying reaction pathways in complex matrices.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs via NCD with internal standardization, enabling reliable comparison of compound concentrations across experimental conditions.
- Analytics: Provides multi-detector readouts (TOF-MS, FID, NCD) that deliver complementary identification and quantification data for comprehensive effluent characterization.
- Translational Research: Connects laboratory-scale pyrolysis studies to pilot plant validation, supporting scale-up decisions for thermally driven processes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable analytical platform for nitrogen compound monitoring applicable to diverse hydrocarbon feedstocks and reaction systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in nitrogen hydrocarbon chemistry through selective, sensitive detection of trace nitrogen-containing species.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized sampling, internal standardization, and optimized GC×GC conditions, supporting reliable longitudinal studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in process development by providing accurate nitrogen recovery data (e.g., 98.5% recovery demonstrated) and quantifying environmentally relevant species.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of feedstocks and reaction conditions based on quantified nitrogen compound profiles and associated operational hazards.
Implementation Considerations
- Expertise in comprehensive two-dimensional gas chromatography operation and maintenance, including cryogenic modulation and dual-column configuration.
- Access to GC×GC instrumentation equipped with NCD, TOF-MS, and FID detectors, along with automated sampling systems capable of high-temperature effluent extraction.
- Standardization of internal standard preparation (e.g., 2-chloropyridine in n-hexane) and continuous infusion protocols for accurate quantification.
- Adaptation considerations for varying hydrocarbon matrices, requiring optimization of temperature profiles and sampling points to prevent thermal degradation or discrimination of high-boiling compounds.
- Practical limitations include challenges related to high-temperature sampling and the need for ventilated preparation areas due to hazards associated with nitrogen-containing compounds.
