СИСТЕМА ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТАВОВ ГАЗОВЫХ И/ИЛИ ЖИДКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Настоящая полезная модель относится к устройствам для анализа состава газовых и/или жидких технологических потоков химических производств непосредственно «в потоке».
В химическом производстве для определения нескольких характеристик одной единственной пробы технологического потока обычно проводят несколько анализов с использованием различных видов оборудования и соответствующих калибровочных моделей.
Анализ спектроскопическими методами «в потоке» позволяет получить информацию практически без задержки во времени, поскольку время регистрации спектра составляет единицы секунд, но не дает непосредственно значений концентраций компонентов и связанных с ними характеристик и требует дополнительной градуировки (построения калибровочной модели). Для правильной калибровки (построения калибровочной модели) аналитических приборов необходимо определить соответствие между характеристикой (в частности, составом) образца и непосредственно измеряемой величиной (например, состав потока - спектр). Производственные потоки часто имеют сложный многокомпонентный состав, который, к тому же, быстро изменяется из-за происходящих в нем реакций, что существенно затрудняет калибровку, поскольку отобранный образец производственного потока меняет состав во время транспортировки до аналитического прибора, используемого для создания калибровочной модели.
Традиционные оптические кюветы не могут обеспечить пробоотбор с одновременным получением данных для калибровки, таких как: температура, спектр и данные по составу, которые необходимы для подготовки калибровочных моделей.
Кроме того, разница температуры исследуемого образца, отобранного из потока и калибровочной модели, может привести к существенной погрешности в результате анализа. Любое отклонение измеренной температуры исследуемого образца по отношению к фактической температуре образца «в потоке» приводит к дополнительной погрешности при создании калибровочной модели. Используемые в настоящее время устройства для анализа состава технологических потоков химических производств непосредственно «в потоке» не настроены на работу с такими температурными градиентами.
При измерении оптической плотности при определенной температуре пробы измерительную кювету помещают в термостат. Если в анализируемой среде протекает химическая реакция с выделением тепла, также необходимо его отвод. Такие кюветы описаны в патентах США №5296195 [опубликовано 22.03.1994] и №5162236 [опубликовано 10.11.1992]. Указанные измерительные устройства не обладают высокой прочностью, поэтому неприменимы в условиях высоких давлений и значительных механических нагрузок, которые имеют место при использовании в производственных условиях.
В условиях технологического процесса появляются дополнительные требования к измерительным устройствам из-за высоких механических нагрузок при высоком давлении и большой скорости производственных потоков, а также разрушающего действия среды. Большинство измерительных устройств применяется для решения именно таких технических задач. Для уменьшения механических нагрузок на стекла кюветы в патенте РФ №80240 [опубликовано 27.01.2009] предусмотрены специальные каналы для ввода и вывода анализируемой жидкости, расположенные под углом к осевому отверстию для прохождения светового луча. В патенте РФ №2263303 [опубликовано 27.10.2005] описана измерительная кювета, которая прочно закреплена в корпусе оригинальной конструкции. Каналы ввода и вывода жидкости также расположены под углом. Прочный корпус может быть выполнен из нейтральной пластмассы, что увеличивает срок службы при контакте с разрушающими потоками. В патенте США №6297505 [опубликовано 02.10.2001] описана измерительная кювета для проведения оптических измерений в условиях высокого давления, окна которой выполнены из особо прочного материала.
Все описанные в указанных патентах проточные кюветы предназначены исключительно для оптических измерений и не предусматривают возможности одновременной съемки спектра и отбора пробы анализируемой среды, что необходимо для точного соответствия между спектром и анализом, проведенным независимым методом.
В настоящем описании предложена система оптического анализа составов газовых и/или жидких технологических потоков химических производств, при использовании которой устраняется вышеуказанный недостаток, что позволяет проводить спектральный анализ «в потоке» и параллельно проводить анализ этой пробы независимым методом с минимальной разницей по времени.
Предложена система для анализа составов технологических потоков химических производств, включающая оптическую кювету с оптическими элементами соединенную с оптическим анализатором, состоящую из корпуса с внутренней камерой имеющей вход и выход исследуемого технологического потока, насос.
При этом система содержит:
- устройство для измерения и регулирования температуры оптической кюветы, соединенное с оптической кюветой;
- смешивающее устройство, соединенное с насосом;
- емкость для хранения анализируемой пробы, соединенная с насосом;
- анализатор, соединенный с емкостью для хранения анализируемой пробы;
- емкость для хранения;
- дополнительный насос, соединенный со смешивающим устройством и емкостью для хранения,
- оптическая кювета дополнительно имеет отвод для отбора проб.
Система для анализа включает оптическую кювету, которая имеет внутреннюю жидкостную камеру, определяемую внутренней поверхностью корпуса. Оптическая кювета может быть настроена, как система анализа ближнего инфракрасного спектра, однако могут использоваться другие конфигурации и спектры анализа.
Внутренняя жидкостная камера может иметь любую форму и размер для измерения различных характеристик жидкостей.
Система для анализа включает оптический элемент, настроенный на направление электромагнитного излучения через часть жидкости, проходящей через внутреннюю жидкостную камеру. Оптический элемент может содержать оптоволокно, либо один или несколько, либо оптоволокно и коллиматор.
Система для анализа включает объемный насос, либо насосы поршневого или шприцевого типа.
Насос может быть соединен с отводом для отбора проб и емкостью для хранения анализируемой пробы через клапан, контролирующий вход и выход пробы в насос.
Дополнительный насос, может быть соединен со смешивающим устройством и емкостью для хранения реагента через клапан, контролирующий вход и выход пробы из емкости для хранения реагента в насос.
Система для анализа включает устройство для измерения и регулирования температуры оптической кюветы, которое состоит из датчика температуры, осуществляющего измерение температуры во внутренней жидкостной камере, либо контроллера температуры, осуществляющего контроль температуры в оптической кювете, либо датчик и контроллер. Температура оптической кюветы устанавливается в требуемом температурном диапазоне или точке температуры. В качестве контроллера температуры может использоваться нагреватель, кулер, теплообменник и т.д. Также температура может контролироваться алгоритмом управления, выполняемым через компьютер для управления процессом.
Электромагнитное излучение, проходящее через жидкость внутренней жидкостной камеры системы для анализа, имеет длину оптического пути приблизительно от 0,1 мм до приблизительно 100 мм.
Система для анализа может находиться в жидкостном взаимодействии с элементом окисления, концентратором, реактором на установке химической переработки, емкостью на установке химической переработки, емкостью на установке производства пищевых продуктов, емкостью медицинских проб, или комбинацией названного.
Система для анализа может находиться в жидкостном взаимодействии с узлом окисления кумола, узлом концентрирования гидропероксида кумола (ГПК), узлом разложения ГПК, узлом очистки фенола, узлом очистки ацетона, узлом переработки α-метилстирола (АМС), стадией очистки, гидрирования, стадией производства паракумилфенола, или узлом очистки паракумилфенола, или комбинацией названного.
Система для анализа может включать анализатор, осуществляющий анализ, по крайней мере, части, содержимого емкости для анализируемой пробы. Анализатор может осуществлять спектральный и химический анализ, а также определять физические характеристики анализируемой пробы.
Отдельные (самостоятельные) элементы системы, по которым проходят жидкие либо газообразные вещества соединены между собой технологическими линиями (капиллярами, трубками, трубопроводами). Технологические линии могут иметь небольшую длину для того, чтобы временная задержка проходящих через них веществ была минимальна.
В качестве смешивающего устройства может использоваться статический смеситель, при использовании которого происходит равномерное, воспроизводимое и надежное перемешивание реагента и пробы.
В емкости для хранения может содержаться растворитель и/или реагент прекращающий реакцию.
На фиг. 1 изображена схема системы для анализа 100.
Система для анализа 100 включает:
- оптическую кювету 102, которая имеет внутреннюю камеру 104, корпус 106, технологический вход 108, технологический выход 110;
- датчик температуры 134;
- котроллер температуры 136;
- оптический элемент 112, состоящий из оптоволокна 114, соединенного с коллиматором 116 для направления электромагнитного излучения через внутреннюю жидкостную камеру 104, возвратное оптоволокно 118, соединенное с возвратным коллиматором 120;
- отвод для отбора проб 122;
- шприцевой насос 126;
- емкость для хранения 130;
- шприцевой насос 124;
- смешивающее устройство 132;
- емкость для хранения анализируемой пробы 128;
- анализатор 138.
Пример 1.
Работа системы для анализа 100 осуществляется следующим образом.
Для проведения анализа часть технологического потока (пробу) пропускают через внутреннюю камеру 104. Проба поступает во внутреннюю камеру 104 по технологическому входу 108 и возвращается обратно в технологический поток в неизмененном виде по технологическому выходу 110.
Пробу анализируют методом абсорбционной спектроскопии при использовании оптического элемента 112, встроенного в камеру 104. При этом электромагнитное излучение, поступает от источника-оптоволокна 114 через коллиматор 116 и проходит через анализируемую пробу. Часть электромагнитного излучения возвращается к оптическому анализатору через возвратное оптоволокно 118 и возвратный коллиматор 120. Полученный спектр хранится и анализируется программным обеспечением.
Одновременно по отводу для отбора проб 122 из оптической кюветы насосом 124 отбирают часть пробы, которая поступает в смешивающее устройство 132, куда также поступает прекращающий реакцию реагент и растворитель из емкости для хранения 130.
Вещества из емкости для хранения 130 подают в устройство 132 при использовании насоса 126. Насос 126 соединен трубкой с емкостью для хранения 130 и снабжен трехходовым клапаном, через который происходит его наполнение реагентом и растворителем из емкости 130.
Как только насос 126 наполнен необходимым количеством реагента и растворителя, трехходовой клапан переключают для подачи по трубке его содержимого по направлению к оптической кювете в смешивающее устройство 132.
Поскольку оба насоса являются объемными, насос 124 работает со скоростью меньшей, чем скорость насоса 126. Разница в скоростях соответствует количеству отобранной пробы и соотношению прекращающего реакцию реагента или растворителя к полученной пробе.
Часть пробы, смешанная с прекращающим реакцию реагентом и растворителем в смешивающем устройстве 132 по трубке поступает в емкость для хранения анализируемой пробы 128 для анализа в анализаторе 138 (например, ядерно-магнитный резонанс, ИК-излучение, жидкостная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография, газовая хроматография и т.д.).
В процессе проведения анализа датчик температуры 134 измеряет температуру во внутренней жидкостной камере 104, а контроллер 136 поддерживает температуру оптической кюветы 102 в требуемом диапазоне. Датчик температуры 134 находится в тепловом контакте с камерой 104. Контроллер 136 получает данные с датчика температуры 134 и регулирует температуру в оптической кювете 102.