利用在线近红外光谱技术对工业气体进行实时分析

近红外光谱技术是一种快速、无损的产品分析方法，可以消除产品损失，实时控制质量。该技术快速、无损，能够对工业气体进行实时分析。此外，近红外光谱还可用于跟踪不同类型的样品，如液体、固体、泥浆和膏体。它可以用于那些需要实时分析或高吞吐量的应用程序。NIR提供实时结果，使其成为过程控制的完美分析工具。它还提供了几个优点，如高精度，高精度，高吞吐量，并能够在短时间内跟踪一系列物理和化学性质.

近红外光谱用于生产的不同阶段，如多工艺流的在线或在线分析、原料鉴定和最终产品的鉴定。本文探讨了使用近红外光谱技术通过高压气池对工业气体进行实时和在线分析。虽然重点是在乙烯生产过程中研究的气体，近红外光谱也可以证明适用于一系列工业过程。本研究的目的是评估近红外光谱技术在线、实时分析工业气体的可行性，结果表明，该技术是跟踪气体浓度的理想方法。在1atm下测定气体浓度的检出限和精密度约为1%。在较高的压力下，可以在较窄的范围内测量浓度，达到较高的精度。

背景：近红外技术在乙烯生产中的应用

乙烯是一种有机材料，在工业水平上大量生产。每年大约生产1.5亿吨乙烯。原料，如石脑油或轻气体，如丙烷和乙烷，最初被加热到升高的温度，以便原料分解成微小的碳氢分子。一旦产品已经冷却，他们通过一系列的分离过程与一个单一的产品流的许多高纯度乙烯产品。优化工艺的一个方法是提高乙烯和其他类似商业产品的产量。近红外光谱等工艺分析在工艺优化中发挥着重要作用，可以提供工艺中不同点的实时气体浓度。光纤能够使用一个仪器从多达九个位置(如进料、产品流、循环流等)进行实时顺序测量，从而允许对过程进行快速调整，以考虑温度、进料等差异。将近红外技术集成到工艺中的总体好处是提高了工艺再现性，提高了产能，提高了产品质量，提高了工厂安全性，减少了过程中测试。

分析气体

本分析中使用了以下材料：欧洲杯足球竞彩

• 乙烯（C_2.H_4.)
• 二氧化碳（CO_2.），
• 丙烷（CH_3.中国_2.中国_3.)
• 乙炔(一家)
• 丁烷（CH_3.中国_2.中国_2.中国_3.)

高压气体电池及其应用米氏近红外XDS过程分析仪本研究中使用了单光纤仪器。图1显示了实验装置，其中Metrohm NIR过程分析仪通过50米长的单光纤将光中继到气室。

图1。米特姆近红外XDS过程分析仪(左)与高压气体电池(右)。

气体浓度由不同的气体流速控制，而气体流速是用流量计测量的。发送到气相电池的光通过路径长25cm的充满1atm气体的电池传输。未被吸收的光被重新送入近红外分析仪，而近红外分析仪又记录近红外吸收光谱。还可提供路径长度可达10cm的在线传输电池，额定压力为5000psi，温度为300℃。对于在线分析，气体可以直接在流动池内流动。在某些情况下，需要调整温度、流量和/或压力。

实验

本实验的目的是获得表中列出的各种气体的近红外光谱分析气体只有当每种气体的吸收光谱不同时，才有可能监测每种气体的浓度。

本实验的下一个目标是确定近红外气体浓度预测的近似精度和可能的检测限。应注意的是，NIR吸光度值与气体浓度成正比。在该分析中，指定气体的浓度在不同增量下不同，并通过NIR进行研究。该数据有助于测量最低规定增量，该增量将提供气体吸收的明显变化，并最终有助于近似浓度预测的精度和可能的检测极限。

结果和讨论

图2显示了1%和10%CO的近红外光谱_2.与空单元格相比。在1960nm和2010nm附近的光谱中可以看到明显的变化。在图3中，这部分的扩展显示，即使在1%的CO下，差异也是可见的_2.. NIR光谱通常采用行业标准的数学处理，以最小化散射效应并突出目标吸收特征。然后对光谱进行二阶导数数学处理。图4显示了不同浓度CO的1900-2100nm区域_2.，表明即使CO相差1%，近红外光谱仍有重大的可重复变化_2..以便将二阶导数光谱值与CO关联_2.集中，可以开发一种回归技术。近红外预测很可能具有低于1% CO的精度和检测限_2..

图2。空气室、含1%CO的气室的近红外光谱_2.，以及含10%CO的电池_2..

图3。图2的展开部分显示了CO的吸光度_2..

图4。2.^钕不同CO含量的近红外光谱导数_2.在气体细胞。

还分析了更多气体的吸收。图5显示了不同浓度丙烷的类似吸收变化，最强吸收发生在1695nm处。

图5。气体电池中不同含量丙烷近红外光谱二阶导数的选择区域。

检测限和精密度与CO类似_2.预计在1atm时约为1%。观察到乙炔在1528nm附近表现出强烈的吸收。本分析研究了更广泛的气体浓度范围，从0%到81.8%不等。图6显示了各种气体浓度的二阶导数光谱。

图6。选择气室中不同数量乙炔的NIR光谱的二阶导数区域。

为了将乙炔浓度与光谱变化联系起来，开发了一个线性回归模型。发现校准的标准误差（SEC）为1.8%。与校准集的准确值相比，NIR值如图7所示。

图7。近红外值(y轴)比较坦克值(x轴)。

接下来，记录更多气体的光谱，包括丁烷和乙烯。表1列出了单个气体的高强度吸收波长。其他工业气体的光谱如图8所示。

表1。各种工业气体的近红外光谱吸收特征波长

气体	1600-1650nm	1650 - 1700 nm	1700-1750nm
乙烯	1624	1680	1748
丙烷	-	1696	1748
丁烷	-	1698	1752
乙炔	-	1678	1732

图8。乙烷、乙烯和丙烯的近红外光谱。

对于个别气体，可以发展回归模型，同样可以用来监测个别气体的浓度。选择合适的波长，或使用偏最小二乘回归，或两者的结合也可以帮助确定混合物气体的精确浓度。

影响气体测量的因素

在改进时，有许多因素必须考虑在内近红外测量的气体。首先，根据比尔斯定律，吸光度与路径长度直接相关:

��=语言学校

其中“A”表示吸光度，“e”表示特定气体的摩尔吸光度保持不变，“L”表示路径长度，“c”表示浓度。随着路径长度的增加，吸光度也会增加。路径长度对乙烯吸光度的影响如图9所示。

图9。0、1和3cm路径长度的乙烯近红外光谱。

为了确保最佳结果，关键是在适当的压力和温度下优化路径长度，使目标吸光度在2 AU以内。

压力和温度是需要考虑的其他主要参数。压力和温度的任何差异都会显著影响定量吸光度。根据交易气体法，气体浓度与压力和温度的关系如下：

其中，c代表浓度，n/V代表摩尔数/单位体积，R代表气体常数，P代表压强，T代表温度。随着温度的升高或降低，气体的吸收和浓度也增加。同样，随着压力的减小或增加，吸收和浓度也会增加或减少。压力对丙烯近红外吸收光谱的影响如图10所示。

图10。不同压力下丙烯的近红外光谱。

此外，压力和温度的差异可能会影响波段分布和峰值位置，导致近红外预测的偏差。因此，在适当的条件下，气体的温度和压力将在整个分析过程中继续保持恒定。

结论

本文展示了如何获得不同浓度的各种工业气体的近红外光谱近红外光谱适用于监测气体浓度。结果表明，与固体和液体光谱相比，单个气体的NIR光谱重叠较少，每种气体的光谱不同。NIR模型具有更好的特异性，不易受到基质效应的影响。气体浓度的检测限值和精密度预计在1atm下的夹带测定约为1%。在较高压力下，气体浓度可在较窄的范围内准确测定。为了获得最佳结果，气室内的压力应稳定并优化。将NIR用于工业气体监测有助于提高工艺再现性并缩短循环时间。NIR允许精确和实时的结果，可用于过程控制和优化，从而提高产品质量和提高工厂安全性。

本信息来源、审查和改编自Metrohm AG提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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