Ик-спектрометрия как самое надежное и точное аналитическое решение для нефтепереработки

Современное человечество не может себе представить быт без продуктов переработки нефти. Из них изготавливают резиновые и пластмассовые изделия, волокна синтетические, стиральные порошки и другие средства гигиены, а наиболее известные представители — дизельное топливо и бензин. Для скрининга примесей нефтепродуктов в природных водах активно используется спектральный анализ.

Понимание химической структуры нефтяного сырья критически важно для оптимизации процессов нефтепереработки, решения проблем добычи, транспортировки и хранения. Для этого применяются различные инструментальные методы, включая газожидкостную хроматографию, инфракрасную спектрометрию (ИКС) и масс-спектрометрию. Эти анализы предоставляют информацию о составе нефти, позволяя определить её качественные характеристики и коммерческий потенциал.

Инфракрасная (ИК) спектрометрия основана на взаимодействии инфракрасных лучей с веществом, регистрируя их отражение, поглощение и рассеивание. Этот метод выявляет колебательные связи, связанные с атомом водорода, что позволяет классифицировать молекулы по функциональным группам. ИК-спектрометрия является универсальным инструментом для определения химического состава различных веществ: жидких, газообразных, твердых, органических и неорганических. В нефтепереработке она используется для анализа сырья, промежуточных и конечных продуктов, предоставляя ценные сведения о молекулярном строении, функциональных группах и структурных фрагментах.

Наиболее популярен метод спектрального исследования «Инфракрасная Фурье-спектроскопия». Эти анализаторы позволяют проводить как качественный, так и количественный анализ компонентов смесей.

При исследовании нефти ИК-спектрометрия помогает определить:

• групповой химический состав — выявление различных групп соединений и их соотношения;
• функциональные группы — обнаружение карбонильных, гидроксильных, карбоксильных, амидных, аминогрупп;
• непредельные фрагменты — идентификация двойных и тройных углерод-углеродных связей, ароматических систем;
• степень ароматизированности — анализ полос поглощения в диапазоне 1500-1600 см⁻¹;
• наличие примесей и загрязнений — распознавание продуктов окисления и посторонних компонентов.

В отношении бензина ИК-спектроскопия позволяет определить:

• содержание бензола (по пику поглощения при 673 см⁻¹) и других ароматических углеводородов, олефинов, спиртов;
• состав фракций;
• детонационная стойкость бензина (с использованием хемометрики);
• ДНП, плотность;
• цетановый индекс (в дизельном топливе).

Лабораторные исследования нефти до и после внедрения Инфракрасной спектроскопии

Анализаторы, регистрирующие спектры последовательно или одновременно по участкам (многоканальные), выдают данные о молекулярном строении. Сравнение полученных сканов с библиотекой эталонных образцов, осуществляемое с помощью ПО, позволяет идентифицировать вещества.

Для проведения исследований используют различные участки ИК-спектра, но для цели рутинного контроля наиболее востребован средний ИК-диапазон. Компьютерные технологии и хемометрика являются ключом к обработке информации и идентификации компонентов.

Значения волновых диапазонов электромагнитных излучений и видимого света

Для проведения исследований используют различные участки ИК-спектра, при этом для рутинного анализа более востребован средний ИК-диапазон. Современная хемометрика, основанная на принципах работы нейронных связей в мозге млекопитающих (Искусственная нейросеть), играет основополагающую роль в идентификации веществ.

В средней ИК области (400-4000 см⁻¹), наблюдается возбуждение колебаний атомов вещества и изменение вращательного движения молекулы на той или иной длине волны, что дает уникальный спектр, характерный для конкретного компонента (молекулы белка, жирных кислот, влаги и др).

Сравнение спектров образца со спектрами из библиотеки эталонных стандартных образцов, (которая может быть наработана самим пользователем или приобретена в готовом виде), дает возможность с помощью компьютерной программы идентифицировать органическое вещество.

Основные направления применения

С помощью ИК-спектрометрии изучают спектральные свойства индивидуальных углеводородов, определяют структурно-групповой состав нефтяных систем. Это помогает оценить групповой химический состав нефтей разных месторождений и проанализировать превращения, которые они претерпевают в процессах переработки. Метод широко используется для контроля показателей качества различных топлив и масел, например:

• определение содержания присадок — в моторных маслах ИК-спектрометрия позволяет идентифицировать и количественно определять антиокислительные, депрессорные и моющие присадки по характерным полосам поглощения в спектрах;
• анализ дизельных топлив — метод помогает оценить степень ароматизированности (по полосам поглощения в области 1500-1600 см⁻¹), определить фракционный состав и другие параметры;
• контроль содержания бензола в бензинах и топливах;
• контроль технологических процессов для мониторинга параметров в реальном времени, например, существуют системы парофазного контроля, которые анализируют состав паровой фазы над жидкой смесью в резервуаре и выявляют изменения при нарушении равновесия;
• идентификация примесей и загрязнений — метод позволяет обнаруживать и определять тип загрязнителя, например, продуктов окисления или внешних загрязнений;
• исследования в области нефтехимии — ИК-спектрометрия в сочетании с хемометрическими методами (математическим анализом данных) позволяет предсказывать эксплуатационные характеристики нефтепродуктов, такие как плотность, температура вспышки, цетановое число.

Особенности применения

• Исследования проводятся в ближней, средней и дальней областях ИК-спектра. Для рутинного контроля на производстве чаще используется средний ИК-диапазон.
• Для обработки спектральных данных, идентификации веществ и построения градуировочных моделей применяются компьютерные программы и хемометрические методы.
• Методика ближней ИК-спектроскопии (БИК) с применением оптоволоконных кабелей и датчиков позволяет проводить быстрые дистанционные измерения и контролировать качество нефтепродуктов в непрерывном потоке.
• Необходимость градуировки: при использовании некоторых методик требуется градуировка приборов с помощью эталонных образцов состава.

Примеры оборудования

На практике применяются различные модели ИК-Фурье-спектрометров, например: NIRS DS3, Foss в специальной модификации для анализа нефтепродуктов.

Аналитическая система NIRS DS3 производства Foss

Аналитическая система NIRS DS3 применяется для работы с нефтепродуктами. Её ключевое преимущество — технология ближней инфракрасной спектроскопии (БИК), которая позволяет быстро определять ключевые параметры состава и качества нефтепродуктов.

Анализатор NIRS DS3, Foss

Прибор измеряет поглощение ИК света различными компонентами образца. На основе этих данных система анализирует химический состав органических компонентов.

Некоторые особенности применения в контексте нефтепродуктов:

• работа с жидкими образцами — для анализа жидкого масла используется специальная кювета с золотым отражателем, что обеспечивает точный возврат инфракрасного света;
• быстрая сортировка и контроль — прибор позволяет быстро оценивать качество поступающего сырья, контролировать процессы переработки и проверять соответствие готовой продукции стандартам;
• интеграция в производственные процессы — NIRS DS3 можно устанавливать как в лаборатории, так и непосредственно на производственной линии (at-line) для непрерывного контроля;
• удалённое управление.

Для эффективной работы с нефтепродуктами критически важна качественная калибровка прибора. В комплекте идут готовые глобальные калибровочные модели ANN FOSS, построенные на тысячах образцов, но также возможна разработка собственных моделей с помощью ПО.

Чашки для образцов соответствуют стандарту ISO 12099 в отношении кварцевого окна, что помогает устранить эффект высыхания взаимодействующего поверхностного слоя образца.

Спектрометр NIRS DS3 помогает в мониторинге качества топлива, обеспечивая:

• скростной и высокоточный анализ различных параметров продукта;
• входной контроль при приёмке топлива — позволяет быстро оценить качество поступающего топлива, исключая возможность использования некондиционного сырья;
• мониторинг состава топлива в процессе производства — помогает в режиме он-лайн контролировать состав смесей, обеспечивая точное соблюдение рецептур;
• мониторинг качества на топливных складах и заправках — c помощью NIRS можно измерять многие параметры качества топлива, что важно для регулирующих органов;
• анализ на месте — не нужно транспортировать образцы в лаборатории для тестирования.

Таким образом, использование NIRS DS3 позволяет уменьшить потери от выпуска бракованной продукции и снизить лабораторный расходы.

Не имеющая аналогов четырех-канальная хроматографическая система SARA для автоматического анализа нефтей и тяжелых нефтепродуктов. SARAlyzer Elite для скоростного и аккуратного анализа битума, асфальтенов, насыщенных, ароматических углеводородов, смол согласно международным и Российским стандартам.

Анализ фракций на SARAlyzer Elite — необходим в ходе следующих исследований:

• поведения нефти при переработке — контроль вязкости, стабильности, склонности к коксованию;
• анализа качества готовых продуктов (к примеру, свойств битума для строительства дорог);
• промышленного технологического проектирования (например, для оптимизации крекинга).

Сравнение методов анализа концентрации продуктов переработки нефти в водах

Анализ содержания следовых количеств нефти и продуктов ее переработки в водах является задачей, критически важной для здоровья населения.

В таблице 1 перечислены общепринятые методы анализа содержания продуктов переработки нефти в водных пробах.

Таблица 1. Методы анализа содержания нефтепродуктов в воде.

Наименование характеристики	Название метода
	ИК-спектроскопия	Флуориметрия	Газовая хроматография	Гравиметрия
Диапазон анализируемых параметров, мг/дм³	от 0,05 до 50	от 0,005 до 50	0,1(0,02)-150	Не менее 0,3
Определяемые вещества	Органические соединения, соли неорганические (с ковалентной связью)	Много-компонентные органические вещества	Малополярные и неполярные углеводороды	Все классы веществ
Объем пробы, см³	До 2000	100	1000	3000
Экстрагент	Четырех хлористый углерод CCl₄	Гексан C₆H₁₄	C₆H₁₄, C₅H₁₂, изогексан, петролейный эфир	CHCl₃, C₆H₁₄, CCl₄, C₅H₁₂, петролейный эфир
Область определения, см⁻¹	4000-400	50000-5000
Погрешность определения при P=0,95	До 0,5 мг/дм³=50% От 0,5 мг/дм³=25%	До 0,01 мг/дм³=65% До 0,5 мг/дм³=40% До 50 мг/дм³=25%	До 0,5 мг/дм³=50% От 0,5 мг/дм³=25%
Норматив воспроизводимости	До 0,5 мг/дм³=65% От 0,5 мг/дм³=35%		До 0,5 мг/дм³=25% От 0,5 мг/дм³=13%
Время анализа	до 1 мин		Несколько минут	От нескольких мин до часов

Перспективы

Среди множества задач, ежедневно встающих перед химиками-аналитиками, наиболее актуальной является идентификация материалов природного и техногенного происхождения, идентификация субъекта загрязнения окружающей среды, установление происхождения и аутентичности материала.

Инновации в сфере детектирования и анализа в инфракрасном диапазоне, в частности, разработка новых типов детекторов с повышенной чувствительностью и скоростью отклика, позволяют сократить время анализа до минимума, что критически важно при работе с быстро меняющимися химическими процессами. Новые разработки в области ИК-детекторов, включая массивы пироэлектрических, болометрических или охлаждаемых фотопроводящих элементов, постоянно расширяют границы чувствительности и скорости. Усовершенствования в материаловедении и схемотехнике позволяют снизить уровень шумов и увеличить сигнал, что особенно важно для низких концентраций анализируемых веществ. Адаптивные системы управления детектором, подстраивающиеся под условия окружающей среды, минимизируют влияние температурных флуктуаций и других помех, гарантируя стабильность измерений. Внедрение миниатюрных, высокопроизводительных ИК-спектрометров на базе микроэлектромеханических систем (МЭМС) открывает новые возможности для создания компактных, энергоэффективных приборов, пригодных для интеграции в различные аналитические платформы.

Мультиспектральные ИК-камеры, охватывающие широкий диапазон длин волн от ближнего ИК (NIR) до среднего (MIR) и дальнего (FIR), предоставляют уникальную возможность одновременного получения информации о различных функциональных группах и связях в молекулах. Это позволяет создавать детальные "спектральные отпечатки" сложных смесей, недоступные при использовании одноканальных детекторов.

Ближняя ИК-спектроскопия, благодаря своей способности к дистанционным измерениям и использованию волоконной оптики, открывает перспективы для мониторинга в режиме реального времени непосредственно на промышленных объектах. Возможность непрерывного анализа состава нефтепродуктов в технологических линиях позволяет оперативно реагировать на любые отклонения от нормы, предотвращать аварийные ситуации и оптимизировать производственные параметры для достижения максимальной эффективности и безопасности.

Интеграция с другими аналитическими методами, создание интеллектуальных систем анализа и расширение функциональных возможностей приборов позволят решать все более сложные задачи в таких областях, как контроль качества, безопасность, экологический мониторинг и разработка новых материалов.

См. также:

Анализаторы азота, белка по Къельдалю
Анализаторы (экстракторы) жира
Анализаторы тяжелых нефтей и нефтепродуктов
Бюретки
Весы
Весы складские и производственные
Вискозиметры
ВЭЖХ
Лабораторные системы очистки воды
рН метры
Рефрактометры лабораторные
Титраторы
Хроматография
Хроматомасс спектрометры газовые
Экстракторы жидкостные

Ниже вы можете задать вопрос или оставить запрос в свободной форме: