一种天然气氖同位素组成测量装置及方法与流程

本发明涉及天然气的氖含量和氖同位素组成的分析方法，尤其涉及一种天然气氖同位素组成测量装置及方法。

背景技术：

稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙和氡，其中氦、氖、氩、氪和氙的稳定同位素组成常用稀有气体质谱仪分析，为了得到准确的数据，通常将氦、氖、氩、氪和氙从气体样品中制备出来并按组分分离，然后通过稀有气体质谱仪分析各组分的同位素组成。将气体样品制备成仅含稀有气体的过程称为净化。

大气、地壳和地幔的稀有气体氖同位素组成具有不同的数值，由此可以获得稀有气体氖同位素来源等信息。天然气中氖的含量很低，远低于天然气中氦或氩的含量，通常为氦含量的1/1000或氩含量的1/100以下。各实验室在检测天然气中的稀有气体同位素组成时，往往一次进样，先将天然气净化为纯的稀有气体，然后分离各组分，进行同位素组成质谱检测，净化需要的化学试剂通常有海绵钛、锆铝吸气剂和活性炭等，并使用电炉。为了满足氖同位素组成质谱检测的要求，须净化大量的天然气，而只有很少一部分净化后的气体用于氦或氩同位素组成检测。一次进样净化所有稀有气体的过程需要大量的化学试剂和时间，而取很少一部分净化后的气体用于氦或氩同位素组成检测的方法不利于氦和氩含量的分析，也容易产生同位素分流。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量结果更精确、无干扰的天然气氖同位素组成测量装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种天然气氖同位素组成测量装置的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种天然气氖同位素组成测量装置，其特征在于：该装置包括稀有气体质谱仪、活性炭冷阱ⅰ、活性炭冷阱ⅱ和天然气钢瓶；所述天然气钢瓶通过高真空管线经所述活性炭冷阱ⅰ连有高真空系统；所述高真空管线通过管线连有超高真空管线，该超高真空管线的一端依次连有所述活性炭冷阱ⅱ、所述稀有气体质谱仪，其另一端连有超高真空系统；所述天然气钢瓶与所述活性炭冷阱ⅰ之间的所述高真空管线上依次设有减压阀、高真空阀ⅰ、高真空阀ⅱ、薄膜真空计；所述活性炭冷阱ⅰ经高真空阀ⅲ与所述高真空管线相连；所述高真空系统与所述管线之间的所述高真空管线上设有高真空阀ⅳ；所述管线上设有超高真空阀ⅰ；所述超高真空系统与所述管线之间的所述超高真空管线上设有超高真空阀ⅱ；所述活性炭冷阱ⅱ经超高真空阀ⅲ与所述超高真空管线相连；所述稀有气体质谱仪与所述活性炭冷阱ⅱ之间的所述超高真空管线上设有超高真空阀ⅳ。

所述天然气钢瓶上设有阀门。

所述活性炭冷阱ⅱ的控制温度为30k~300k。

如上所述的一种天然气氖同位素组成测量装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴关闭超高真空阀ⅰ和超高真空阀ⅳ，打开高真空阀ⅰ、高真空阀ⅱ、高真空阀ⅲ、高真空阀ⅳ，打开超高真空阀ⅱ、超高真空阀ⅲ，抽真空；同时活性炭冷阱ⅰ与活性炭冷阱ⅱ分别升温到室温；

⑵关闭所述超高真空阀ⅲ；所述活性炭冷阱ⅱ设30k，开始降温；

⑶将减压阀出口压强设为0.1mpa，关所述高真空阀ⅰ，开天然气钢瓶的阀门，等10s，关所述阀门；关所述高真空阀ⅱ，开所述高真空阀ⅰ，等10s，关所述高真空阀ⅰ；关所述高真空阀ⅲ、所述高真空阀ⅳ，开所述高真空阀ⅱ，等10s，关所述高真空阀ⅱ；记录气体的压强，开所述高真空阀ⅲ，用液氮冷冻所述活性炭冷阱ⅰ，等3min；

⑷关所述超高真空阀ⅱ，关所述高真空阀ⅲ，开所述超高真空阀ⅰ，等10s，关所述超高真空阀ⅰ，将气体导入样品超高真空区；

⑸开所述超高真空阀ⅲ，所述活性炭冷阱ⅱ达到30k后再等待10min；开所述超高真空阀ⅱ，等1min，关所述超高真空阀ⅱ；

⑹所述活性炭冷阱ⅱ设70k，达到70k后等10min；

⑺关所述超高真空阀ⅲ，开所述超高真空阀ⅳ，等10s，关所述超高真空阀ⅳ，测量²⁰ne质谱峰高和氖同位素组成，计算天然气中氖的含量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对天然气中氖含量远低于氦或氩含量的特点，单独制备天然气氖同位素组成质谱检测用样品，样品量更适合氖同位素组成检测的要求，因此测量结果更精确。

2、本发明用液氮冷冻的活性炭冷阱ⅰ除去了天然气中的氩、氪、氙及活性气体，活性炭使用后可以再生，无需消耗除液氮以外的化学试剂，并使进入质谱仪的样品尽量满足氖同位素组成的检测要求，而不必顾虑氦和氩是否满足检测要求，因此定量更精确。

3、本发明用活性炭冷阱ⅱ分离氩、氦和氖，并两次使用活性炭冷阱(ⅰ和ⅱ)分离除氩，一次使用活性炭冷阱(ⅱ)分离除氦，氖气单独进入质谱进行分析，与其它稀有气体测量互不干扰，特别是消除了⁴⁰ar的二次离子对²⁰ne质谱峰的干扰。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1—稀有气体质谱仪；2—活性炭冷阱ⅰ；3—活性炭冷阱ⅱ；4—天然气钢瓶；40—阀门；5—高真空管线；51—高真空阀ⅰ；52—高真空阀ⅱ；53—高真空阀ⅲ；54—高真空阀ⅳ；6—高真空系统；7—超高真空管线；71—超高真空阀ⅰ；72—超高真空阀ⅱ；73—超高真空阀ⅲ；74—超高真空阀ⅳ；8—超高真空系统；9—减压阀；10—薄膜真空计。

具体实施方式

如图1所示，一种天然气氖同位素组成测量装置，该装置包括稀有气体质谱仪1、活性炭冷阱ⅰ2、活性炭冷阱ⅱ3和天然气钢瓶4。

天然气钢瓶4通过高真空管线5经活性炭冷阱ⅰ2连有高真空系统6；高真空管线5通过管线连有超高真空管线7，该超高真空管线7的一端依次连有活性炭冷阱ⅱ3、稀有气体质谱仪1，其另一端连有超高真空系统8；天然气钢瓶4与活性炭冷阱ⅰ2之间的高真空管线5上依次设有减压阀9、高真空阀ⅰ51、高真空阀ⅱ52、薄膜真空计10；活性炭冷阱ⅰ2经高真空阀ⅲ53与高真空管线5相连；高真空系统6与管线之间的高真空管线5上设有高真空阀ⅳ54；管线上设有超高真空阀ⅰ71；超高真空系统8与管线之间的超高真空管线7上设有超高真空阀ⅱ72；活性炭冷阱ⅱ3经超高真空阀ⅲ73与超高真空管线7相连；稀有气体质谱仪1与活性炭冷阱ⅱ3之间的超高真空管线7上设有超高真空阀ⅳ74。

天然气钢瓶4上设有阀门40。

活性炭冷阱ⅱ3的控制温度为30k~300k。

一种天然气氖同位素组成测量装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴关闭超高真空阀ⅰ71和超高真空阀ⅳ74，打开高真空阀ⅰ51、高真空阀ⅱ52、高真空阀ⅲ53、高真空阀ⅳ54，打开超高真空阀ⅱ72、超高真空阀ⅲ73，抽真空；同时活性炭冷阱ⅰ2与活性炭冷阱ⅱ3分别升温到室温；

⑵关闭超高真空阀ⅲ73；活性炭冷阱ⅱ3设30k，开始降温；

⑶将减压阀9出口压强设为0.1mpa，关高真空阀ⅰ51，开天然气钢瓶4的阀门40，等10s，关阀门40；关高真空阀ⅱ52，开高真空阀ⅰ51，等10s，关高真空阀ⅰ51；关高真空阀ⅲ53、高真空阀ⅳ54，开高真空阀ⅱ52，等10s，关高真空阀ⅱ52；记录气体的压强，开高真空阀ⅲ53，用液氮冷冻活性炭冷阱ⅰ2，等3min；此步骤除去了天然气中的氩、氪、氙及活性气体，仅保留氦和氖；

⑷关超高真空阀ⅱ72，关高真空阀ⅲ53，开超高真空阀ⅰ71，等10s，关超高真空阀ⅰ71，将气体导入样品超高真空区；

⑸开超高真空阀ⅲ73，活性炭冷阱ⅱ3达到30k后再等待10min，；开超高真空阀ⅱ72，等1min，关超高真空阀ⅱ72；此步骤分离氦和氖，并除去氦；

⑹活性炭冷阱ⅱ3设70k，达到70k后等10min；

⑺关超高真空阀ⅲ73，开超高真空阀ⅳ74，等10s，关超高真空阀ⅳ74，测量²⁰ne质谱峰高和氖同位素组成，计算天然气中氖的含量。

取下天然气钢瓶4和减压阀9，从高真空阀ⅰ51处引入参考气体(空气)，用同样的步骤测量参考气体的压强、²⁰ne质谱峰高和氖同位素组成，用比较法计算天然气中氖的含量及其同位素组成。

本发明在单独进行天然气氦和氩同位素分析时，只需少量样品，不必和氖同位素组成同时进行，对各自的检测都有改进。

实施例1以塔里木盆地某天然气样品的氖同位素组成测量为例说明，一种天然气氖同位素组成测量装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴关闭超高真空阀ⅰ71和超高真空阀ⅳ74，打开高真空阀ⅰ51、高真空阀ⅱ52、高真空阀ⅲ53、高真空阀ⅳ54，打开超高真空阀ⅱ72、超高真空阀ⅲ73，抽真空；同时活性炭冷阱ⅰ2与活性炭冷阱ⅱ3分别升温到室温；

⑵关闭超高真空阀ⅲ73；活性炭冷阱ⅱ3设30k，开始降温；

⑶将减压阀9出口压强设为0.1mpa，关高真空阀ⅰ51，开天然气钢瓶4的阀门40，等10s，关阀门40；关高真空阀ⅱ52，开高真空阀ⅰ51，等10s，关高真空阀ⅰ51；关高真空阀ⅲ53、高真空阀ⅳ54，开高真空阀ⅱ52，等10s，关高真空阀ⅱ52；记录气体的压强ps，开高真空阀ⅲ53，用液氮冷冻活性炭冷阱ⅰ2，等3min；此步骤除去了天然气中的氩、氪、氙及活性气体，仅保留氦和氖；

⑷关超高真空阀ⅱ72，关高真空阀ⅲ53，开超高真空阀ⅰ71，等10s，关超高真空阀ⅰ71，将气体导入样品超高真空区；

⑸开超高真空阀ⅲ73，活性炭冷阱ⅱ3达到30k后再等待10min；开超高真空阀ⅱ72，等1min，关超高真空阀ⅱ72；此步骤分离氦和氖，并除去氦；

⑹活性炭冷阱ⅱ3设70k，达到70k后等10min；

⑺关超高真空阀ⅲ73，开超高真空阀ⅳ74，等10s，关超高真空阀ⅳ74，测量²⁰ne质谱峰高²⁰is和氖同位素组成(r20/22)s、(r21/22)s。

取下天然气钢瓶4和减压阀9，从高真空阀ⅰ51处引入参考气体(空气)，用同样的步骤测量参考气体的压强p0、²⁰ne质谱峰高²⁰i0和氖同位素组成(r20/22)0、(r21/22)0。

计算参数：

p0=183pa，ps=76800pa，i0=22.5v，is=2.1v

(r20/22)s=7.8，(r21/22)s=0.056，(r20/22)0=9.9，(r21/22)0=0.029；

计算结果：

天然气氖含量=(²⁰is/ps)/(²⁰i0/p0)×1.8×10^-5=4×10^-9

天然气²⁰ne/²²ne=(r20/22)s/(r20/22)0×9.8=7.7

天然气²¹ne/²²ne=(r21/22)s/(r21/22)0×0.029=0.056。