Знайте свои потоковые анализаторы: рамановские анализаторы

Типы анализаторов: рамановские анализаторы

Майк Штробель (Mike Strobel), руководитель по развитию бизнеса, Swagelok

Знайте свой анализатор

 

• Рамановский анализатор
  Скоро…
• Фотометрические инфракрасные
  и УФ-анализаторы
• Анализаторы плотности
  технологической среды
• Анализаторы содержания
  кислорода в технологической среде
• Анализаторы содержания влаги
  в технологической среде

Точный анализ технологического процесса необходим на каждом химическом заводе или перерабатывающем предприятии. Возможность проверки технологических условий и состава технологической среды является ключевым условием обеспечения оптимальной производительности и экономичности. Чем лучше вы знаете свою технологическую среду, тем больше вы сможете ее оптимизировать с помощью соответствующих мер контроля.

Таким образом, потоковые анализаторы являются крайне необходимыми инструментами на современных предприятиях. Однако существуют различные типы потоковых анализаторов, каждый из которых отличается уникальными преимуществами.

Поэтому мы готовим серию статей, посвященных различным типам анализаторов и соответствующим областям применения. А начнем мы с рамановских потоковых анализаторов — относительно нового типа потокового анализатора, в котором применяется рамановская спектроскопия для получения подробной информации о химическом составе технологической среды.

Узнайте об аналитических контрольно-измерительных системах

Что такое рамановский анализатор и как он работает?

Схема анализа пробы с помощью рамановского анализатора.

1. Лазер подсвечивает пробу.
2. Рамановский анализатор отфильтровывает рэлеевское рассеяние света.
3. Свет, рассеянный с помощью комбинационного рассеяния, попадает в прибор для измерения.
4. Рамановскому отпечатку присваивается значение (значения).

Рамановский анализ — это неразрушающий процесс, позволяющий получить подробную информацию о химическом составе пробы жидкости, твердого вещества или газа. Для подсвечивания пробы с неизвестным составом используется монохроматический лазер видимой ближней инфракрасной или ближней ультрафиолетовой области спектра. Свет возбуждает молекулы вещества, вынуждая их переходить из основного колебательного состояния в виртуальное колебательное состояние.

В ходе этого процесса происходит упругое и неупругое рассеяние света. Упругое, или рэлеевское, рассеяние, означает, что излученные фотоны обладают таким же количеством энергии, что и падающие фотоны. Неупругое, или рамановское, рассеяние происходит в двух случаях: Первый — когда молекула переходит в возбужденное состояние, сохраняя часть энергии, поглощенной из света. Поэтому излученный фотон рассеянного света имеет немного меньше энергии, чем падающий фотон, и большую длину волны. Второй — когда молекула, возбужденная до повышенного колебательного состояния, возвращается в основное состояние после возбуждения. Излученные фотоны получают энергию, и длина их волны становится короче.

Рамановский спектр, создаваемый с помощью рассеивания света, часто называют рамановским отпечатком пробы. Как и отпечатки наших пальцев, каждый рамановский отпечаток уникален. Ему присваивается значение или значения на основе математических моделей, созданных для измерения. Модели могут создаваться пользователем в лаборатории, однако многие производители создают теоретические модели, чтобы уменьшить время реализации. Следует отметить, что правильное создание и применение моделей имеет первостепенное значение для обеспечения точности рамановских измерений.

Преимущества рамановских анализаторов

Рамановская спектроскопия является эффективным средством для постоянного контроля состояния технологического процесса. С ее помощью можно проверять химический состав на каждом этапе, чтобы обеспечить оптимальное течение процессов. Доработки и отходы можно свести к минимуму, поскольку продуманная рамановская система позволяет практически мгновенно принимать решения по результатам анализа. С помощью рамановской спектроскопии также можно контролировать готовую или почти готовую продукцию, чтобы свести к минимуму переработку продукции, не соответствующей техническим условиям.

Для рамановских анализаторов практически не требуется предварительная подготовка проб, что позволяет сократить затраты на пусконаладочные работы и текущие эксплуатационные расходы.

Имеются и другие эксплуатационные выгоды, в том числе:

• Практически не требуется предварительная подготовка проб, что позволяет сократить затраты на пусконаладочные работы и текущие эксплуатационные расходы.
• Практически не требуется время для транспортировки проб, что значительно сокращает задержки и позволяет выполнять анализ практически в реальном времени.
• Не требуется калибровка вручную.
• Минимальная потребность в обслуживании в течение срока службы анализатора, что позволяет сосредоточить усилия на других задачах.

Узнайте, как сократить задержки

Недостатки рамановских анализаторов

Главным недостатком рамановских анализаторов является их зависимость от моделей в процессе получения результатов измерения. Компоненты газовой смеси можно легко дифференцировать с помощью линейно-регрессионного анализа, однако анализ жидкостей намного сложнее. Разработка моделей для жидкости может занимать месяцы и даже годы, что может задержать реализацию и дорого стоить в плане первоначальных затрат.

Кроме того, рамановские спектрометры менее чувствительны в сравнении с другими технологиями и обычно могут производить измерения с точностью всего лишь до нескольких сотен миллионных долей. Это означает, что рамановский анализ может быть менее точным, поэтому он не очень хорошо подходит для некоторых областей применения, в которых требуются высокоточные измерения.

Основные сферы применения рамановского анализа

Рамановские спектрометры подходят для многих технологических процессов.

Смешивание бензина.

Рамановские спектрометры зарекомендовали себя в сфере смешивания бензина. Октановое число, точка кипения, упругость паров по Рейду — все это можно эффективно измерить с помощью рамановской спектроскопии при смешивании бензина. Благодаря быстрому отклику и точному анализу операторы могут, например, обеспечить оптимальное октановое число готовой продукции и минимизировать отходы.

Измерение качества природного газа.

Содержание углеводородных компонентов в природном газе может варьироваться от ничтожно малого количества до почти 100% смеси. Инертные газы, присутствующие в смеси природного газа, могут снижать его удельную энергоемкость, а значит и стоимость. Рамановская спектроскопия является хорошим выбором для быстрого и точного измерения природного газа, поскольку она не требует разделения компонентов, в отличие от традиционного метода газовой хроматографии.

Гидроочистка и гидрокрекинг.

В этих операциях нефтепереработки водород играет важнейшую роль. Рамановская спектроскопия является хорошим выбором в случае необходимости в полном анализе состава. После установки адсорбции с перепадом давления рамановский анализ в реальном времени может помочь операторам обеспечить надлежащее удаление водорода до того, как неоптимальный продукт отправится дальше по технологической линии. Кроме того, рамановские спектрометры обычно могут выполнять измерения при более высоком давлении, чем другие устройства. Это повышает вероятность возвращения среды в технологический процесс, а не в факел, что способствует снижению эксплуатационных расходов.

Разведочное бурение.

В процессе поиска месторождений нефти и газа оптимизация процесса бурения и обеспечение безопасности операторов имеют первоочередное значение. Для повышения скорости бурения требуется быстрое получение результатов измерений, что не могут обеспечить традиционные технологии измерения, такие как газовая хроматография. Благодаря способности рамановского спектрометра одновременно измерять углеводородные и неуглеводородные молекулы также снижается потребность в дополнительных аналитических контрольно-измерительных системах.

Исследование свойств бурового раствора.

Исследование свойств бурового раствора —это измерение и систематизация выбуренной породы, бурового раствора и газов, извлекаемых на поверхность при бурении скважин. Контроль состава и характеристик бурового раствора необходим для оптимизации процесса бурения и проверки на наличие взрывоопасной газовой смеси. Постоянный контроль, который обеспечивает рамановский спектрометр, помогает операторам принимать информированные решения, что способствует повышению эффективности работы и безопасности операторов.

Пример использования: топливный газ собственной выработки

Например, рамановский спектрометр используется для постоянного контроля химического состава топливного газа собственной выработки, который обычно представляет собой смесь природного газа и восстановленного факельного газа.

Качество топливного газа может быстро меняться в зависимости от состава восстановленного факельного газа, что приводит к неэффективной работе оборудования, использующего смесь топливного газа. В частности, при резком повышении уровня водорода в топливном газе в котлах может возникнуть нестабильность пламени.

Небольшое время отклика рамановского анализатора, измеряющего уровень водорода в топливном газе, позволяет осуществлять постоянный контроль смеси топливного газа и быстро вносить изменения, благодаря чему можно свести к минимуму попадание газа с высоким содержанием водорода в технологическое оборудование и повысить производительность процесса.

***

Ваши требования к анализу технологического процесса зависят от вашего производства, и рамановские технологические анализаторы могут стать одним из решений, которое поможет их удовлетворить. Если вы не уверены, подходит ли вам эта система, или если вы хотите изучить эту тему более детально, наши специалисты готовы к дальнейшему обсуждению. Они помогут оценить ваши потребности, определить наиболее результативные места применения анализа технологического процесса и расскажут о самых эффективных технологиях анализа среды для вашего бизнеса.

Посетите информационный ресурс Swagelok, где вы найдете информацию о том, как усовершенствовать процесс отбора проб на всех участках вашего предприятия, и не пропустите следующую статью, посвященную анализаторам технологического процесса.

Получите ценную информацию об отборе проб технологической среды