应用近红外测量技术分析PVC树脂水含量的新方法

王婷，段燕飞，李瑛，史明利

(内蒙古君正化工有限责任公司，内蒙古 乌海 016041)

近红外光谱技术最早于20世纪60年代被用来检测谷物中的水含量，因其具有快速、无损、方便的特点而得到快速发展，广泛应用于环保、军事、生物医学工程和能源等领域。近红外在线挥发分分析仪是美国PSC公司专为石化行业设计的一款可同时测量3种不同组分的高品质智能分析仪，采用透射或反射方式直接对样品进行分析，在测量过程中不产生污染，通过光纤可对样品进行遥测。因此，近红外分析技术也是一种环境友好的绿色快速分析技术，日益受到人们的重视。

1 近红外分析仪工作原理

某些特定的分子键会吸收特定波长的光,这些分子键所对应的特定波长的光在材料中被吸收的程度与材料中所含的这些分子的数量呈比例关系。

在分析仪中，光源通过高速旋转的滤光片形成一系列窄波段的光脉冲，其中至少一个波段与被测成分所吸收的波段有关，而其他波段光不会被这种成分吸收。这些特定波段的光照射在被测物体上，散射的光由温控PbS感光元件检测。感光元件将光信号转换成电信号输出，经由处理器分析得到被测组分在被测物体中的含量，数值以百分比显示。

常见分子键吸收特定波长光的光谱图见图1。

图1 常见分子键吸收特定波长光的光谱图Fig.1 Spectra of light of certain wavelengths absorbed by common molecular bonds

2 近红外分析仪的种类

近红外分析仪一般由光谱元件、取样器、计算机及软件组成。近红外线光谱范围是偏离了紫外线到可见光的电子光谱范围，进入分子振动光谱范围，近红外线光谱范围一般为800～2 400 nm。由于许多分子的特征振动高次谐频会使一些电磁波频率被吸收而产生吸收频带，因此，近红外线吸收光谱可用于鉴定分子的种类，测定油品、饮料、农作物的组成或物理性质等。近红外线的能量输出比中红外线的能量输出高，检测器的信噪比高。根据分光方式不同，近红外分析仪可分为滤光片型、光栅扫描型、傅立叶变换型、固定光路多道检测器型和声光调谐滤光器型等几种。

分析仪内部分析原理见图2。

图2分析仪内部分析原理图
Fig.2Diagramofinternalanalysisprincipleofanalyzer

3 近红外分析仪特点

NIR960近红外在线挥发分分析仪是美国PSC公司专为PVC行业设计的一款智能分析仪器，适用于PVC粉、糊树脂等所含挥发分中水含量的在线监测和过程控制，具有如下特点。

(1)具有专业智能独立探头、高度集成化主板，数据直接从智能化独立探头输出，不需要任何中间转换装置。

(2)单探测器。单PbS感光元件，可避免双探测器因温度、时间变化而产生不对等漂移。

(3)主板采用了激光覆膜技术，具有防氧化、防灰尘、防湿气的功能，达到了免维护级别。

(4)探测器采用半导体制冷恒温控制技术。

(5)采用双核CPU处理技术。一个核心用于管理光学信号，另一个核心用于计算与通讯。

(6)采用双光束光学设计，对光学系统进行监控和补偿，消除因温度、湿度变化对探测器产生的影响。

(7)采用美国军用光学系统，提高了测量精度及稳定性。

(8)内部安装冷却装置，可在最高80 ℃环境下工作。

4 近红外光谱分析过程

近红外光谱分析一般分为如下4步。

(1)数据收集，确定最佳波长范围、信号平均值，选择操作模式(如穿透式、反射式或穿透反射式)。

(2)数据处理。

(3)数据校准。

(4)化学计量。近红外分析仪软件有偏最小二乘法、传递标定软件和化学建模软件。

在谱图预处理的基础上，用一组已知的样品建立光谱数据与性质或组成数据间的关系。偏最小二乘法除可对光谱进行分解外，还可对浓度进行分解，并引入相互间的信息。

光谱定量分析是间接测量方法，影响模型预测能力的因素很多，主要是校正集浓度数据的准确性、精度、变化范围及光谱测量误差等。因此，要求校正集具有代表性，应在化学成分上接近被分析的未知样品，校正集浓度变化范围应覆盖未知样品浓度变化。在模型建立前，应对样品进行必要的筛选，以保证所建立的模型具有较好的适应能力。光谱分析比一般标准测量方法具有更好的重现性和精度。

化学计量学光谱定量分析软件是近红外光谱快速分析的核心技术，具有校正、测量和报表等功能，可进行批处理、快速分析、模式识别，能根据样品光谱信息自动调用相应的校正模型进行样品的类型识别，以确保测量结果的精度和可靠性。

5 近红外分析仪在PVC干燥系统中应用的意义

(1)质量控制。在线连续测量PVC粉挥发分中的水含量，可以实时监控水分值变化。分析仪可输出4～20 mA信号给DCS， 通过PLC或人工控制，将含水质量分数控制在0.20%～0.35%，从而增加产量。

(2)随着水含量的提高，可降低干燥床、送料管壁PVC粉的静电，减少洗床次数和停机时间，进一步增加产能。同时因水含量的提高，也可以减少客户由于静电而影响配料方面的投诉。

(3)水含量由现在每1 h人工检测1次变为连续不间断测量，减少了人为因素的影响，保证了产品质量在可控范围内，降低了操作人员的劳动强度。

(4)经济效益。树脂成品水含量的增加，相当于提高了树脂产量，降低了生产成本。

6 近红外分析仪的应用实例

(1)内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司氯碱化工分公司。

内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司氯碱化工分公司PVC产能为40万t/a ，分为一、二期各20万t/a PVC生产系统。2016年1月，该公司同时采购2台近红外水分在线分析仪，安装在聚合干燥A/B线旋转下料阀下(见图3)，并进行了应用对比，结果见表1。

从表1可以看出：在线水分分析仪测得的水含量与现场快速分析测得的水含量，数据之差在±0.05百分点的测量次数与总测量次数的比率，1月24日为80%，1月25日为73%，1月26日为87%，平均为80%，说明基本可实现实时监控。

(2)内蒙古伊东集团东兴化工有限责任公司。

内蒙古伊东集团东兴化工有限责任公司PVC产能为30万t/a，2015年6月采购1台近红外水分在线分析仪，安装在聚合干燥旋转下料阀下(见图4)，并进行了应用对比，结果见表2。

从表2可以看出：在线水分分析仪测得的水含量与现场快速分析测得的水含量，数据之差在±0.05百分点的测量次数与总测量次数的比率，7月9日为67%，7月10日为83%，7月11日为92%，平均为81%，说明基本可实现实时监控。

图4 内蒙古伊东集团东兴化工有限责任公司近红外水分在线分析仪安装位置Fig.4 Installation site of on-line near infrared water analyzer at Dongxing Chemical Co., Ltd. of Inner Mongolia Yidong Group 表2 2015年干燥水含量分析数据对照Table 2 Contrast of analysis data of water content in a drying unit in 2015 %

7 近红外分析仪在内蒙古君正化工有限责任公司应用情况

(1)近红外分析仪应用的必要性。

内蒙古君正化工有限责任公司聚合装置2条干燥生产线采用旋风干燥床，树脂成品的水含量不好控制，常常因水含量低导致静电大，冷风送料系统经常出现送料风机电流高报、包装因成品静电大而撒料的问题，增加了操作人员的工作量，且洒落的树脂成品全部归入扫地料，造成了一定的经济损失。同时树脂成品水含量过低，增加了每袋树脂的填装量，也造成一定的经济损失。

(2)近红外分析仪在干燥系统的应用。

2016年10月，内蒙古君正化工有限责任公司采购2台PVC树脂近红外分析仪，安装在聚合干燥二楼一级振动筛处，每条线各1台，并且将在线检测数据传送至聚合装置DCS操作控制系统，时时记录运行数据，近红外在线分析仪与人工分析数据对比见表3、表4。

表3 干燥1线近红外在线分析仪与人工分析数据对比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线近红外在线分析仪与人工分析数据对比Table 4 Comparison between analysis data on drying line 2 obtained by on-line near infrared analyzer and that by manual analysis

从表3、表4数据可以看出：设备运行2个月后，近红外在线分析仪测量范围在0～0.4%，通过对近红外在线分析仪进行调整，数据有效率逐步提高。截至2106年12月，近红外在线分析仪检测水分值与质计部水分仪测量数据偏差范围在±0.05百分点内的数据在94%以上(注：近红外在线分析仪测量干燥振动筛树脂的水含量，质计部测量包装成品树脂水含量)。

(3)应用效益分析。

截至2017年7月，水含量超标树脂成品共计2 161 t(即308.71 t/月)，较2015年全年水含量超标树脂成品9 183 t(765.25 t/月)减少456.54 t/月，年减少5 478.48 t，按照水含量超标树脂与优等品树脂差额50元/t计，年经济效益为50×5 478.48≈27.39(万元)。同时减少了因静电导致的撒地料，改善了现场工作环境，降低了操作人员的劳动强度，并减少了巡检检验树脂水含量的频次(目前仅偶尔验证在线水分分析仪数据)，极大减少了巡检工作强度。

(4)须改进方向。在本项目的试运行过程中，近红外在线水分分析仪测量数据受环境温度、物料流动、物料厚度、测量高度等多方面影响，需要经常标定，并加强巡检，以保证分析仪运行环境；同时，因分析仪安装位置到树脂成品包装之间，还要通过罗茨风机、输送管道、包装料仓工序，导致近红外在线分析仪数据与树脂成品水含量数据存在差异，但两者之间存在一定关系，因此近红外在线水分分析仪对树脂水含量控制有直接的指导意义。

8 结语

在线近红外光谱分析技术是当前比较先进且具有发展前途的过程分析技术之一，它与先进控制技术结合，可明显提高工业生产效率。西方许多发达国家的石化公司都已采用了在线近红外油品分析仪，用于原油蒸馏、汽油调合、催化裂化、蒸汽裂解和乙烯裂解等装置的生产监测与控制。在线测量数据可及时指导工艺操作，实现了质量的“卡边”控制，保证了产品质量，提高了生产管理水平。在线近红外光谱分析技术的应用为国际石化工业带来了巨大的经济效益，将会受到越来越多石化企业的青睐。