應用近紅外測量技術分析PVC樹脂水含量的新方法

王婷，段燕飛，李瑛，史明利

(內蒙古君正化工有限責任公司，內蒙古 烏海 016041)

近紅外光譜技術最早于20世紀60年代被用來檢測谷物中的水含量，因其具有快速、無損、方便的特點而得到快速發展，廣泛應用于環保、軍事、生物醫學工程和能源等領域。近紅外在線揮發分分析儀是美國PSC公司專為石化行業設計的一款可同時測量3種不同組分的高品質智能分析儀，采用透射或反射方式直接對樣品進行分析，在測量過程中不產生污染，通過光纖可對樣品進行遙測。因此，近紅外分析技術也是一種環境友好的綠色快速分析技術，日益受到人們的重視。

1 近紅外分析儀工作原理

某些特定的分子鍵會吸收特定波長的光,這些分子鍵所對應的特定波長的光在材料中被吸收的程度與材料中所含的這些分子的數量呈比例關系。

在分析儀中，光源通過高速旋轉的濾光片形成一系列窄波段的光脈沖，其中至少一個波段與被測成分所吸收的波段有關，而其他波段光不會被這種成分吸收。這些特定波段的光照射在被測物體上，散射的光由溫控PbS感光元件檢測。感光元件將光信號轉換成電信號輸出，經由處理器分析得到被測組分在被測物體中的含量，數值以百分比顯示。

常見分子鍵吸收特定波長光的光譜圖見圖1。

圖1 常見分子鍵吸收特定波長光的光譜圖Fig.1 Spectra of light of certain wavelengths absorbed by common molecular bonds

2 近紅外分析儀的種類

近紅外分析儀一般由光譜元件、取樣器、計算機及軟件組成。近紅外線光譜范圍是偏離了紫外線到可見光的電子光譜范圍，進入分子振動光譜范圍，近紅外線光譜范圍一般為800～2 400 nm。由于許多分子的特征振動高次諧頻會使一些電磁波頻率被吸收而產生吸收頻帶，因此，近紅外線吸收光譜可用于鑒定分子的種類，測定油品、飲料、農作物的組成或物理性質等。近紅外線的能量輸出比中紅外線的能量輸出高，檢測器的信噪比高。根據分光方式不同，近紅外分析儀可分為濾光片型、光柵掃描型、傅立葉變換型、固定光路多道檢測器型和聲光調諧濾光器型等幾種。

分析儀內部分析原理見圖2。

圖2分析儀內部分析原理圖
Fig.2Diagramofinternalanalysisprincipleofanalyzer

3 近紅外分析儀特點

NIR960近紅外在線揮發分分析儀是美國PSC公司專為PVC行業設計的一款智能分析儀器，適用于PVC粉、糊樹脂等所含揮發分中水含量的在線監測和過程控制，具有如下特點。

(1)具有專業智能獨立探頭、高度集成化主板，數據直接從智能化獨立探頭輸出，不需要任何中間轉換裝置。

(2)單探測器。單PbS感光元件，可避免雙探測器因溫度、時間變化而產生不對等漂移。

(3)主板采用了激光覆膜技術，具有防氧化、防灰塵、防濕氣的功能，達到了免維護級別。

(4)探測器采用半導體制冷恒溫控制技術。

(5)采用雙核CPU處理技術。一個核心用于管理光學信號，另一個核心用于計算與通訊。

(6)采用雙光束光學設計，對光學系統進行監控和補償，消除因溫度、濕度變化對探測器產生的影響。

(7)采用美國軍用光學系統，提高了測量精度及穩定性。

(8)內部安裝冷卻裝置，可在最高80 ℃環境下工作。

4 近紅外光譜分析過程

近紅外光譜分析一般分為如下4步。

(1)數據收集，確定最佳波長范圍、信號平均值，選擇操作模式(如穿透式、反射式或穿透反射式)。

(2)數據處理。

(3)數據校準。

(4)化學計量。近紅外分析儀軟件有偏最小二乘法、傳遞標定軟件和化學建模軟件。

在譜圖預處理的基礎上，用一組已知的樣品建立光譜數據與性質或組成數據間的關系。偏最小二乘法除可對光譜進行分解外，還可對濃度進行分解，并引入相互間的信息。

光譜定量分析是間接測量方法，影響模型預測能力的因素很多，主要是校正集濃度數據的準確性、精度、變化范圍及光譜測量誤差等。因此，要求校正集具有代表性，應在化學成分上接近被分析的未知樣品，校正集濃度變化范圍應覆蓋未知樣品濃度變化。在模型建立前，應對樣品進行必要的篩選，以保證所建立的模型具有較好的適應能力。光譜分析比一般標準測量方法具有更好的重現性和精度。

化學計量學光譜定量分析軟件是近紅外光譜快速分析的核心技術，具有校正、測量和報表等功能，可進行批處理、快速分析、模式識別，能根據樣品光譜信息自動調用相應的校正模型進行樣品的類型識別，以確保測量結果的精度和可靠性。

5 近紅外分析儀在PVC干燥系統中應用的意義

(1)質量控制。在線連續測量PVC粉揮發分中的水含量，可以實時監控水分值變化。分析儀可輸出4～20 mA信號給DCS， 通過PLC或人工控制，將含水質量分數控制在0.20%～0.35%，從而增加產量。

(2)隨著水含量的提高，可降低干燥床、送料管壁PVC粉的靜電，減少洗床次數和停機時間，進一步增加產能。同時因水含量的提高，也可以減少客戶由于靜電而影響配料方面的投訴。

(3)水含量由現在每1 h人工檢測1次變為連續不間斷測量，減少了人為因素的影響，保證了產品質量在可控范圍內，降低了操作人員的勞動強度。

(4)經濟效益。樹脂成品水含量的增加，相當于提高了樹脂產量，降低了生產成本。

6 近紅外分析儀的應用實例

(1)內蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司氯堿化工分公司。

內蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司氯堿化工分公司PVC產能為40萬t/a ，分為一、二期各20萬t/a PVC生產系統。2016年1月，該公司同時采購2臺近紅外水分在線分析儀，安裝在聚合干燥A/B線旋轉下料閥下(見圖3)，并進行了應用對比，結果見表1。

從表1可以看出：在線水分分析儀測得的水含量與現場快速分析測得的水含量，數據之差在±0.05百分點的測量次數與總測量次數的比率，1月24日為80%，1月25日為73%，1月26日為87%，平均為80%，說明基本可實現實時監控。

(2)內蒙古伊東集團東興化工有限責任公司。

內蒙古伊東集團東興化工有限責任公司PVC產能為30萬t/a，2015年6月采購1臺近紅外水分在線分析儀，安裝在聚合干燥旋轉下料閥下(見圖4)，并進行了應用對比，結果見表2。

從表2可以看出：在線水分分析儀測得的水含量與現場快速分析測得的水含量，數據之差在±0.05百分點的測量次數與總測量次數的比率，7月9日為67%，7月10日為83%，7月11日為92%，平均為81%，說明基本可實現實時監控。

圖4 內蒙古伊東集團東興化工有限責任公司近紅外水分在線分析儀安裝位置Fig.4 Installation site of on-line near infrared water analyzer at Dongxing Chemical Co., Ltd. of Inner Mongolia Yidong Group 表2 2015年干燥水含量分析數據對照Table 2 Contrast of analysis data of water content in a drying unit in 2015 %

7 近紅外分析儀在內蒙古君正化工有限責任公司應用情況

(1)近紅外分析儀應用的必要性。

內蒙古君正化工有限責任公司聚合裝置2條干燥生產線采用旋風干燥床，樹脂成品的水含量不好控制，常常因水含量低導致靜電大，冷風送料系統經常出現送料風機電流高報、包裝因成品靜電大而撒料的問題，增加了操作人員的工作量，且灑落的樹脂成品全部歸入掃地料，造成了一定的經濟損失。同時樹脂成品水含量過低，增加了每袋樹脂的填裝量，也造成一定的經濟損失。

(2)近紅外分析儀在干燥系統的應用。

2016年10月，內蒙古君正化工有限責任公司采購2臺PVC樹脂近紅外分析儀，安裝在聚合干燥二樓一級振動篩處，每條線各1臺，并且將在線檢測數據傳送至聚合裝置DCS操作控制系統，時時記錄運行數據，近紅外在線分析儀與人工分析數據對比見表3、表4。

表3 干燥1線近紅外在線分析儀與人工分析數據對比Table 3 Comparison between analysis data on drying line 1 obtained by on-line near infrared analyzer and that by manual analysis

表4 干燥2線近紅外在線分析儀與人工分析數據對比Table 4 Comparison between analysis data on drying line 2 obtained by on-line near infrared analyzer and that by manual analysis

從表3、表4數據可以看出：設備運行2個月后，近紅外在線分析儀測量范圍在0～0.4%，通過對近紅外在線分析儀進行調整，數據有效率逐步提高。截至2106年12月，近紅外在線分析儀檢測水分值與質計部水分儀測量數據偏差范圍在±0.05百分點內的數據在94%以上(注：近紅外在線分析儀測量干燥振動篩樹脂的水含量，質計部測量包裝成品樹脂水含量)。

(3)應用效益分析。

截至2017年7月，水含量超標樹脂成品共計2 161 t(即308.71 t/月)，較2015年全年水含量超標樹脂成品9 183 t(765.25 t/月)減少456.54 t/月，年減少5 478.48 t，按照水含量超標樹脂與優等品樹脂差額50元/t計，年經濟效益為50×5 478.48≈27.39(萬元)。同時減少了因靜電導致的撒地料，改善了現場工作環境，降低了操作人員的勞動強度，并減少了巡檢檢驗樹脂水含量的頻次(目前僅偶爾驗證在線水分分析儀數據)，極大減少了巡檢工作強度。

(4)須改進方向。在本項目的試運行過程中，近紅外在線水分分析儀測量數據受環境溫度、物料流動、物料厚度、測量高度等多方面影響，需要經常標定，并加強巡檢，以保證分析儀運行環境；同時，因分析儀安裝位置到樹脂成品包裝之間，還要通過羅茨風機、輸送管道、包裝料倉工序，導致近紅外在線分析儀數據與樹脂成品水含量數據存在差異，但兩者之間存在一定關系，因此近紅外在線水分分析儀對樹脂水含量控制有直接的指導意義。

8 結語

在線近紅外光譜分析技術是當前比較先進且具有發展前途的過程分析技術之一，它與先進控制技術結合，可明顯提高工業生產效率。西方許多發達國家的石化公司都已采用了在線近紅外油品分析儀，用于原油蒸餾、汽油調合、催化裂化、蒸汽裂解和乙烯裂解等裝置的生產監測與控制。在線測量數據可及時指導工藝操作，實現了質量的“卡邊”控制，保證了產品質量，提高了生產管理水平。在線近紅外光譜分析技術的應用為國際石化工業帶來了巨大的經濟效益，將會受到越來越多石化企業的青睞。