在線(xiàn)Raman分析器改進(jìn)石化產(chǎn)品的質(zhì)量

Huntsman Petrochemicals公司在英國Wilton的工廠(chǎng)每年生產(chǎn)360kt對二甲苯。對二甲苯是制造聚酯和化纖的關(guān)鍵原材料，聚酯和化纖被廣泛用于生產(chǎn)服裝、薄膜、飲料瓶和食品容器。產(chǎn)品的純度在于分離另外兩種二甲苯的異構體鄰二甲苯和間二甲苯。通過(guò)冷卻過(guò)程中的選擇性結晶和離心懸浮。通過(guò)控制進(jìn)料的化合可以達到最好的純度。

以前用于監控化合過(guò)程的設備是在線(xiàn)熔點(diǎn)分析器，需要經(jīng)常取得樣品，送到實(shí)驗室作分析確認。數據傳輸上的時(shí)滯會(huì )造成給料合成2％～3%的變化。在2003年初安裝的Rosemount Analytical Raman 分析器，可以全面在線(xiàn)監控合成，由于合成信息每分鐘就更新一次，生產(chǎn)變化降低到0.25%，顯著(zhù)的改進(jìn)了生產(chǎn)的穩定性。

“Raman分析器的確改進(jìn)了生產(chǎn)質(zhì)量”對二甲苯生產(chǎn)廠(chǎng)的負責人Tom Liddle說(shuō)：“通過(guò)減少合成過(guò)程中的變化，我們可以達到最優(yōu)化的生產(chǎn)條件，提高了穩定性，首次達到了99.7%的質(zhì)量水平?！?

Huntsman Petrochemicals公司的工藝工程師Steve Gill是首先使用Raman在線(xiàn)光譜儀的，他說(shuō)：“我對它的效果非常滿(mǎn)意。凈化控制的主要好處是將一致的固材料給分離機。此外，由于穩定了，就可以看到在前面工序發(fā)生變化為后工序所帶來(lái)的影響。我們以前一直沒(méi)有能力實(shí)時(shí)監控?！?

Tom Liddle也很高興看到工廠(chǎng)運轉更順暢了：“沒(méi)有Raman的在線(xiàn)控制時(shí)，生產(chǎn)中的變化有時(shí)會(huì )導致分離機中載入過(guò)量的固體，造成振動(dòng)和潛在的軸承損壞?，F在我們以最大的產(chǎn)量生產(chǎn)，并且降低了離心機的磨損?！?

激光探測

Raman光譜儀使用單一波長(cháng)的激光來(lái)探測樣品。在分子級的水平上，光強在非常微小的片段發(fā)生散射，這些散射光發(fā)生于相同的激光波長(cháng)(Rayleigh散射),更小部份的入射光被轉移為較長(cháng)的波長(cháng)(Raman散射)。這種激光的轉移代表與小分子的能量轉換。Raman散射中波長(cháng)轉移的模式和強度上可以得到定性(分子片段)和定量(濃度)的信息。在實(shí)際應用中需要開(kāi)發(fā)一種多變量的校正模型，來(lái)實(shí)現多種成份的分析。

在Wilton使用的Raman分析器將被同時(shí)用于測量四個(gè)分開(kāi)的生產(chǎn)位置：給料、回收材料和兩個(gè)最終產(chǎn)品線(xiàn)中對二甲苯純度的監控?！拔覀內匀辉趯W(xué)習分析器的使用”Tom Liddle說(shuō)：“對在線(xiàn)檢測有了更多的認識?！?

分析器被安放在控制室中。激光通過(guò)光導纖維傳到四個(gè)測量位置：光探針提供至生產(chǎn)線(xiàn)的接口。在每一個(gè)探針，樣品產(chǎn)生的散射光被收集并通過(guò)返回光纖傳回分析器。最初的分析和濃度數據經(jīng)由Modbus送達Emerson DeltaV生產(chǎn)控制系統，從而控制給料稀釋。

安裝需求

Raman分析器的設計標準與實(shí)驗室用儀器差別很大。它不僅僅是一個(gè)“耐用的實(shí)驗儀器”，整個(gè)系統從分析器到探針、光纖都需要適合生產(chǎn)線(xiàn)安裝的要求。

考慮到連續使用的長(cháng)期穩定性，分析數據的重復性，樣品接口、在線(xiàn)診斷和預防性維護、激光的安全性、適當的數據輸出協(xié)議和相關(guān)的成本控制，都是基本設計的基礎。

激發(fā)源采用NIR多模式半導體激光，以最小化熒光干涉并且連續運轉的情況下，使用壽命較長(cháng)(一般的兩年半)。這種激光的線(xiàn)形相對較寬，返回的光譜分辨率較低。模式跳躍造成的線(xiàn)形不穩定通過(guò)使用一個(gè)內部參考來(lái)進(jìn)行補償。

單色輻射經(jīng)過(guò)光導纖維、光學(xué)濾鏡和Raman探針傳到樣品上，探針也收集被樣品散射回來(lái)的光。Rayleigh和Raman散射經(jīng)過(guò)不同的光導纖維傳回到分析器，光學(xué)濾鏡被用來(lái)濾過(guò)未知的波長(cháng)。Raman散射光被分散為光譜圖，由高度敏感的CCD相機記錄。Rayleigh纖維的終點(diǎn)在一個(gè)光電二極管，作為分析品的激光安全功能的一部分。

激光、控制器和探測器的幾何布置（光譜攝制儀和相機）結合起來(lái)使Raman分析器可以用一個(gè)光譜攝制儀和CCD相機，同時(shí)測量四個(gè)工業(yè)生產(chǎn)液流（并記錄內部的參考光譜）。

專(zhuān)利技術(shù)的相間校正流程產(chǎn)生一個(gè)標準的光譜，使內部通道具有可比性。它的優(yōu)點(diǎn)是校正可以換移到多個(gè)監控點(diǎn)，并且避免了更換光學(xué)器件時(shí)再重新校正。此外，基于因數的標準化可以幫助去除散裝樣品的變化，例如氣泡。標準化流程和內部參考的組合可以確保光譜結果有良好的可重復性。

對于定量分析，通過(guò)采用多變量的校正方法(典型的如Partial Least Squares regression)將光譜數據轉化為成份的含量。數據處理由分析器完成，因此在一分鐘的更新時(shí)間內就可以得到成份含量的真實(shí)數據。Rosemount Analytical Raman服務(wù)小組在亞特蘭大的兩邊工作，與Huntsman Petrochemicals公司的工程師一同提供早期的項目指導和咨詢(xún)，工程應用和校正。Emerson的工程師在俄亥俄遠程監控Rosemount Raman分析器，完成在線(xiàn)調試和校正模式的遠程優(yōu)化。