ПРОТОЧНАЯ КЮВЕТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОТОКЕ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКИХ И/ИЛИ ГАЗОВЫХ ФАЗ

Настоящая полезная модель относится к устройствам для анализа состава технологических потоков химических производств непосредственно «в потоке», точнее, к анализу состава методом абсорбционной спектроскопии.
Для проведения анализа в производственном потоке используют специальные проточные кюветы или встраиваемые оптические датчики, через которые протекает технологический поток или его часть, которую специально отделяют от общего потока, чтобы обеспечить требуемый гидродинамический режим, обеспечивающий точное измерение. (Process Analytical Technology, edt. Katherine A. Bakeev, Blackwell Publishing, 2005, p.474). После выхода потока из проточной кюветы его, как правило, возвращают обратно в технологический процесс, что позволяет избежать потерь продуктов на анализ и необходимости утилизировать их после проведения анализа. Технологический поток, в котором следует проводить анализ, может быть дополнительно обработан, прежде чем он попадет в проточную кювету, при помощи оборудования для пробоподготовки.
Любая известная проточная кювета или оптический датчик имеет окно для ввода светового потока, окно для его вывода и оптические системы для направления электромагнитного излучения через слой вещества (технологический поток). Для измерений «в потоке» как правило, используют волоконно-оптические кабели для подвода электромагнитного излучения к проточной кювете и его отвода после частичного поглощения к измерительному прибору. Такие устройства позволяют устанавливать измерительное оборудование, например, спектрофотометр в месте, удаленном от аппарата или трубопровода, в котором производят измерения.
В пространство между пластинами направляется поток анализируемой жидкости, а расстояние между ними равно толщине поглощающего слоя. Такие кюветы используются, например для проточного анализа биологических жидкостей (заявка на патент РФ №94037116, патент США №5455177), коллоидно-дисперсных систем (патент РФ №63066), углеводородных продуктов (патент США №5452232). Кюветы, описанные в перечисленных патентах имеют простую конструкцию и могут применяться для анализа проб, не требующих дополнительной пробоподготовки. Если перед измерением оптической плотности необходимо обеспечить определенную температуру 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 и №5162236. Указанные измерительные устройства не обладают высокой прочностью, поэтому неприменимы в условиях высоких давлений и значительных механических нагрузок.
Оптические измерения в потоке часто проводятся в анализе методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и капиллярного электрофореза. При этом появляются особые требования к конструкции измерительной кюветы, такие как прочность и малый объем при малой толщине поглощающего слоя. 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 предусмотрены специальные каналы для ввода и вывода анализируемой жидкости, расположенные под углом к осевому отверстию для прохождения светового луча. Патент РФ №2263303 описывает измерительную кювету, 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 описана измерительная кювета для проведения оптических измерений в условиях высокого давления, окна которой выполнены из особо прочного материала. Для измерения оптической плотности жидкостей малых объемов предлагается использовать кюветы, представляющие собой капилляры из прочного материала. Например, в патенте РФ №96974 для оптических измерений предлагают использовать никелевый капилляр, внутренняя поверхность которого отполирована для многократного отражения оптического излучения. Для анализа биологических объектов методом капиллярного электофореза в патенте США №5741412 оптические измерения проводят в кювете, представляющую собой систему капилляров, выполненных из прочного материала, что позволяет отбирать для анализа малые объемы пробы. Однако кюветы с толщиной оптического пути менее 1 мм удобно использовать, если измерения проводятся в диапазоне УФ, ИК и видимой области спектра, где наблюдаются большие значения оптических плотностей. В области ближнего ИК-диапазона электромагнитного излучения значения оптических плотностей относительно невысокие, и использование кювет с толщиной поглощающего слоя менее 1 мм приводит к увеличению погрешности измерения.
При повышенном давлении жидкие пробы могут содержать растворенные газы, которые могут мешать измерению. В патенте РФ 2173452 предлагается устройство для аналитического контроля проб металлургических производств. Для отделения газовой фазы перед измерительной кюветой ставят воздухоотделительную емкость.
Все описанные устройства позволяют проводить оптические измерения уже подготовленных проб, однако они не подходят для измерения оптической плотности проб, имеющих несмешивающихся фазы, на границе раздела которых происходит рассеяние электромагнитного излучения, а соотношение количества фаз в пределах оптического пути кюветы неконтролируемо варьируется в значительных пределах, вызывая неприемлемые ошибки измерений.
С целью измерения концентрации компонентов технологического потока, в котором содержится более одной фазы предложена проточная кювета, представляющая собой систему сообщающихся сосудов, в которых происходит разделение фаз, а измерения поглощения электромагнитного излучения производить в каждой фазе отдельно, либо только в той фазе, в которой это необходимо. При этом можно проводить оптические измерения в любой из разделенных фаз.
Принципиальная схема потоков в проточной кюветы, предназначенной для измерений поглощения электромагнитного излучения в технологическом потоке, содержащем две несмешивающиеся жидкие фазы и газовую фазу, представлена на фиг.1.
Фигура 1. Схема потоков в проточной кювете для измерения поглощения электромагнитного излучения в потоке с несколькими фазами.
Проточная кювета представляет собой систему из ряда последовательно соединенных сообщающихся сосудов E1-Е4, разделенных перегородками, в которых происходит разделение фаз, причем отделяются части потока, содержащие только одну фазу, в которой производят измерение.
Распределение потоков внутри предлагаемой проточной кюветы осуществляется следующим образом.
Технологический поток, содержащий как минимум две несмешивающиеся фазы поступает в емкость Е1, в которой происходит разделение фаз. Тяжелая фаза попадает в емкость Е2 через нижний канал, а легкая - через верхний. Из нижней точки емкости Е2 обе фазы попадают в емкость Е3. В емкости Е2 проводят измерения поглощения электромагнитного излучения. Выше нижнего канала имеется только легкая жидкая фаза, которая движется сверху вниз. Таким образом, граница раздела фаз не искажает результаты измерения. Из емкости Е3 тяжелая фаза попадает в емкость Е4 через нижний канал, а легкая - через верхний. В емкости Е4 проводят измерения поглощения электромагнитного излучения в тяжелой фазе. Ниже верхнего канала имеется только тяжелая жидкая фаза, которая движется снизу вверх.
Газовая фаза, содержащаяся в исходном потоке, перетекает в выходящий поток через общее газовое пространство всех емкостей E1-Е4, в котором при необходимости также могут проводиться измерения.
На выходе из емкости Е4 все фазы собираются вместе и могут быть возвращены обратно в технологический поток в неизмененном виде.
Если исходный поток содержит эмульсию, в емкость Е1 устанавливают пористую перегородку, в которой происходит расслаивание эмульсии до такой степени, чтобы как минимум та фаза, в которой будет проводиться измерение, стала нерассеивающей для электромагнитного излучения, поглощение которого следует измерять.
Проточная кювета дополнительно может иметь обходную линию, через которую проходит часть анализируемого потока, для снижения скорости потока через проточную ячейку до оптимального значения.
Эффективность применения предложенной полезной модели подтверждается на примере анализа технологического потока окисления кумола в гидропероксид для его последующего разложения на фенол и ацетон:
Технологический поток окисления кумола кислородом воздуха представляет собой мутную жидкость, содержащую органическую и водную фазы, а также растворенные газы и газы в виде пузырьков (компоненты воздуха), причем гидропероксид кумола содержится практически только в органической фазе. Непосредственное измерение концентрации гидропероксида кумола (ГПК) при помощи спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК, диапазон длин волн 900-2500 нм) при длине оптического пути 2 мм дает среднее значение 25% и стандартное отклонение 12,5% при измерении в течение 10 часов 1 раз в 45 секунд. Измерение концентрации ГПК в том же потоке при помощи проточной ячейки, изображенной на фиг.2, являющейся вариантом описанной ячейки, но предназначенной для измерения концентрации при помощи спектроскопии в БИК диапазоне только в легкой фазе (ГПК в кумоле) в течение 10 часов 1 раз в 45 секунд дало среднее значение концентрации 13,2% и стандартное отклонение менее 0,1%, что соответствует значению, полученному независимым методом - иодометрическим титрованием.