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一、前言

赛默飞（Thermo Fisher Scientific）FLASH 2000 CHNS 元素分析仪是一款用于测定有机样品中碳（C）、氢（H）、氮（N）及硫（S）含量的高精度仪器。其工作原理基于动态燃烧法（Dynamic Flash Combustion），通过在高温下使样品充分氧化还原，分析产物气体中的各组分以计算元素含量。

气体系统是 FLASH 2000 CHNS 的核心组成部分。气体流路的稳定、洁净与密封性直接决定了分析结果的准确性和重复性。本文将以文字形式系统讲解该仪器的气路结构、流动路径、功能模块及维护要点，为使用者提供全面、系统的气路认识。

二、气路系统的总体结构

FLASH 2000 CHNS 的气路由载气、助燃气、分离气和检测气四个子系统构成。整个系统以氦气为主载体，通过一系列阀门、管路、反应管和检测器，实现气体的输送、混合、分离和检测。

整体气路可以分为以下几个部分：

1. 载气供给与控制系统

2. 燃烧气体（氧气）供给系统

3. 反应与净化系统（燃烧管与还原管）

4. 干燥与分离系统

5. 检测与排气系统

其基本流程为：
样品 → 燃烧管 → 还原管 → 干燥管 → 分离柱 → 检测器（TCD） → 排气口。

每个模块都具有特定的气路功能，下面将逐一讲解。

三、载气系统（Helium Line）

1. 功能与作用

氦气是整个系统的主载气，用于传输燃烧产物、维持气流平衡并作为检测器的平衡气。
载气必须具有极高的纯度（≥99.999%），否则会引入杂质，导致基线噪声增大、信号漂移或峰形异常。

2. 主要组成

• 氦气瓶与减压阀：控制输入压力在 0.3–0.5 MPa；

• 过滤器与干燥器：去除水分与杂质；

• 质量流量控制器（MFC）：精确控制载气流量（一般为 110–130 mL/min）；

• 自动阀组：在进样与燃烧过程中切换气流方向；

• 稳压管路系统：由不锈钢毛细管组成，确保气流平稳。

3. 气体流向说明

气体自氦气瓶进入系统后，依次经过：
过滤器 → 干燥器 → MFC → 分配阀 → 燃烧管入口。
燃烧完成的气体在被还原与干燥后，经分离柱送入检测器。

4. 注意事项

• 启动前必须确认氦气瓶压力充足；

• 保持管路密封，避免微漏；

• 定期更换过滤器与干燥剂；

• 不得使用替代气体（如氮气）以防信号干扰。

四、助燃气系统（Oxygen Line）

1. 功能

氧气是燃烧系统中的关键气体，用于支持样品在高温下的完全燃烧反应。氧气的纯度与脉冲体积直接影响碳、氢、硫的氧化效率。

2. 系统构成

• 氧气瓶与减压装置：输出压力控制在 0.3–0.5 MPa；

• 脉冲阀：在进样瞬间自动注入设定体积的氧气（一般为 1.0–1.5 mL）；

• 反应区接口：氧气从顶部进入燃烧管，与样品瞬间反应；

• 安全阀与止回阀：防止回火与过压。

3. 气体流向

氧气在载气作用下被定量注入燃烧区，与样品及助燃剂（如氧化钨 WO₃）反应生成气体产物：CO₂、H₂O、SO₂、NOₓ 等。随后产物随氦气流向还原系统。

4. 操作要点

• 确保氧气瓶固定牢靠；

• 禁止油污接触氧气接头；

• 使用高纯度气体，防止燃烧不完全；

• 脉冲阀动作应灵敏，定期进行功能测试。

五、燃烧与还原系统气路

（一）燃烧系统

燃烧系统是气路的反应中心。样品经自动进样器投入燃烧管后，与脉冲注入的氧气迅速反应。

1. 燃烧管结构

燃烧管内部装有：

• 石英棉（防止粉尘逸出）；

• 氧化铜层（促进氧化反应、吸收多余氧气）；

• 银丝层（吸收卤素与硫化物副产物）。

2. 气体反应过程

样品 + O₂ → CO₂ + H₂O + NOₓ + SO₂

产物随氦气进入还原管，未反应的氧气被氧化铜吸收。

（二）还原系统

还原管的作用是去除燃烧产物中多余的氧气，并将 NOₓ 还原为 N₂。

1. 主要组成

• 还原管体（高温石英管）；

• 还原铜填料；

• 石英棉固定层。

2. 化学反应

2NO + 2Cu → N₂ + 2CuO
多余的 O₂ 也被还原铜吸收生成 CuO。

生成的气体包括 CO₂、H₂O、N₂、SO₂ 等，为后续检测提供基础。

3. 气体路径

燃烧产物 → 还原管 → 干燥器 → 分离柱 → 检测器。

六、干燥与净化系统

燃烧与还原后的气体中仍含有一定的水蒸气与其他杂质。干燥与净化系统的功能是去除这些干扰气体，确保检测信号纯净。

1. 捕水剂系统

通常使用 P₂O₅、硅胶或分子筛作为干燥剂。
气体通过干燥管后，H₂O 被吸收，防止检测器受潮。

2. 化学吸附层

• 银丝：吸收氯化物和卤素；

• 铜氧化物：进一步去除还原过程中残余气体；

• 吸附剂柱：吸收硫化氢和有机残余物。

3. 气路方向

还原管 → 捕水剂 → 吸附剂柱 → 分离柱入口。

4. 维护要求

• 捕水剂颜色变化（透明变为白或黄）即需更换；

• 每周检查气路连接是否通畅；

• 防止水汽逆流进入还原管。

七、气体分离系统

1. 功能

分离系统负责将混合气体（CO₂、H₂O、N₂、SO₂ 等）按保留时间分离，使检测器能依次识别每个组分。

2. 主要部件

• 气相色谱柱（GC Column）：采用填充型色谱柱，柱温一般为 60–80°C；

• 温控模块：保持恒温，防止分离峰形变化；

• 载气控制：稳定的流量保证分离精度。

3. 气体路径说明

干燥后的混合气体进入分离柱：
不同气体分子按与柱填料的作用力不同被依次分离。
检测顺序通常为：
N₂ → CO₂ → H₂O → SO₂。

4. 优化建议

• 定期校准柱温与流量；

• 每半年进行柱清洗或更换；

• 保持载气洁净以延长柱寿命。

八、检测与排气系统

1. 检测系统

FLASH 2000 CHNS 采用**热导检测器（TCD）**作为检测单元。TCD 通过比较气体导热率差异检测信号强度，计算气体组分浓度。

主要组成：

• 检测池（双通道结构）；

• 恒温电桥与电源；

• 信号放大与数据采集系统。

检测过程：

分离柱输出的气体进入检测池，与参考气体（纯氦）比较导热率变化，产生电信号。信号强度与气体浓度成正比。

2. 排气系统

检测后的气体通过排气管排入安全排风管道。
排气系统要求：

• 通畅无阻；

• 避免冷凝液回流；

• 排口应远离火源与样品区。

九、气路的逻辑控制与切换

仪器内部通过自动阀控制气体流向和切换。常见阀门包括：

1. 进样阀：控制样品燃烧时的气流切换；

2. 氧气脉冲阀：在特定时间点注入氧气；

3. 旁路阀：用于空白或维护模式下的气体旁通；

4. 排气阀：控制废气流向。

系统运行时，阀门切换由软件自动完成，操作者无需手动干预，但需确保阀体清洁与动作灵活。

十、气路图解说明（文字版）

以下为 FLASH 2000 CHNS 的简化气路结构逻辑图示（文字描述形式）：

css复制编辑[氦气瓶] → [过滤器] → [干燥器] → [流量控制器] → [自动阀组]
                    ↓                [燃烧管] ← [氧气脉冲阀] ← [氧气瓶]
                    ↓                [还原管]
                    ↓                [干燥管（捕水剂）]
                    ↓                [吸附剂柱]
                    ↓                [分离柱（色谱）]
                    ↓                [热导检测器（TCD）]
                    ↓                [排气口]

此流程体现了气体自供给到检测的完整路径，所有气体在流动过程中均处于恒流控制状态。氦气负责传输，氧气提供燃烧能量，检测器完成信号采集。

十一、气路维护与清洁

1. 日常维护

• 每日检查气体压力、流量与纯度；

• 每周执行一次系统泄漏测试；

• 保持干燥器与吸附剂状态良好；

• 定期运行空白样确认基线稳定。

2. 定期维护周期

3. 气路污染预防

• 禁止使用未经净化的压缩气体；

• 拆装气管时应使用无尘布遮盖接口；

• 若仪器长期停用，应关闭气瓶并排空残气。

十二、气路系统常见故障与排查

十三、气路设计的技术特点

1. 模块化设计
   各系统独立分区，维护与更换方便。

2. 短路径结构
   气体传输距离短，降低扩散与响应时间。

3. 高精度流量控制
   使用电子质量流量控制器（MFC），精度可达 ±1%。

4. 惰性材料管路
   采用不锈钢或石英管，避免气体吸附与污染。

5. 安全保护机制
   设置止回阀与过压阀，防止回火与气体倒流。