آنالیز رامان در صنایع پتروشیمی

آنالیز رامان: استاندارد جدید در آزمایشگاه‌ های نفت، گاز و پتروشیمی

برای انجام آزمایش‌ های تحلیلی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، آزمایشگاه‌ ها به تکنیک ها و ابزارهای آنالیز مختلف، از جمله آنالیز رامان، کروماتوگرافی (گاز، مایع، یون)، اسپکتروفتومتری (UV-Vis، FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی، تیتراسیون و سایر تکنیک‌ ها مجهز هستند.

آنالیز رامان یک تکنیک تحلیلی قدرتمند است که به طور گسترده در حوزه آنالیزهای پتروشیمی استفاده می شود و اطلاعات ارزشمندی در مورد ساختار مولکولی و ترکیب فرآورده های نفتی ارائه می دهد.

اکثر پالایشگاه‌های بزرگ، کارخانه‌ های پتروشیمی و مجتمع‌ های پایانه ذخیره‌ سازی دارای یک آزمایشگاه داخلی هستند که آنالیز رامان را به‌ عنوان یک ابزار تحلیلی ضروری مورد استفاده قرار می دهند.

آنالیز رامان اعلب برای تعیین ترکیب و غلظت اجزا در سوخت‌ های نفتی تصفیه‌ شده، آروماتیک‌ ها، پتروشیمی‌ ها، گازهای نفتی مایع (LPG)، گاز طبیعی، روان‌کننده‌ ها، مواد افزودنی، مواد اولیه، واسطه‌ ها و محصولات هیدروکربنی در این مراکز به کار می رود.

داده های تحلیلی حاصل، برای تصمیم گیری آگاهانه در مورد کیفیت محصولات، حفاظت از زیرساخت، انطباق با مقررات و سایر عوامل کلیدی که در نهایت سود آوری را تحت تاثیر قرار می دهند، حیاتی است.

با ما همراه باشید تا در مورد نقش این تکنیک بسیار کلیدی در حوزه صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بیشتر آشنا شویم.

اسپکترومتر رامان

تعریف آنالیز رامان

طیف سنجی رامان یک تکنیک آنالیز اپتیکی مبتنی بر لیزر است که برای اندازه‌ گیری و تشخیص خواص مواد، از طریق خواص ارتعاشی مولکول‌ ها استفاده می‌ شود.

از زمان کشف رامان در دهه 1920، آنالیز رامان نشان داده است که عملکردی غیرمخرب و قابلیت اندازه‌گیری ترکیب نمونه های مختلف را دارد.

با این حال، حضور گسترده‌ تر این تکنیک نتیجه پیشرفت‌ در پایداری سیستم‌ های رامان و توسعه فناوری در حوزه لیزر، اپتیک‌ و آشکارسازها است که آنالیز رامان را سریع‌ تر و در دسترس‌ تر از همیشه کرده است.

در آنالیز رامان، نمونه ها با استفاده از یک لیزر با طول موج منحصر به فرد و نزدیک به فرکانس ماده مورد بررسی، تحریک می شود و نور حاصل، توسط یک کاوشگر تماسی جمع آوری می شود.

نور حاصل از آنالیز رامان، طیف منحصر به فردی تولید می کند که ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی محصول نفت یا گاز را شناسایی می کند.

شماتیک کلی آنالیز رامان

مبنای فیزیکی آنالیز رامان

آنالیز رامان، بر اساس اثر رامان کار می کند که زمانی رخ می دهد که  یک نور لیزر تک رنگ، به یک نمونه تابانده می شود و پدیده پراکندگی رخ می دهد.

نور پراکنده به دلیل برهمکنش با مولکول های نمونه دچار تغییر فرکانس می شود و طیف رامان به‌ دست‌ آمده، اطلاعاتی در مورد حالت‌ های ارتعاشی مولکول‌ ها ارائه می‌ کند و حضور گروه‌ های عاملی خاص و پیوندهای شیمیایی را آشکار می‌ کند.

در حقیقت، در طیف حاصل، توزیع پیک ها ترکیب مولکول را توصیف می کند، در حالی که شدت سیگنال به صورت خطی با غلظت ارتباط مستقیم دارد.

علاوه بر این، طیف‌ سنجی رامان می‌ تواند بینش‌ هایی را در مورد سایر ویژگی‌ های نمونه، مانند ساختار بلورین، انتقال فاز، و آنالیز تنش-کرنش ارائه دهد.

برای جزئیات بیشتر، به مقاله طیف سنجی رامان مراجعه فرمایید. در آنجا، به طور مفصل مکانیزم طیف سنجی رامان توضیح داده شده است.

مبنای فیزیکی آنالیز رامان

چرا گفته می شود آنالیز رامان غیر مخرب است؟

اسپکتروفتومتر رامان غیر مخرب است زیرا به نمونه مورد تجزیه و تحلیل تغییر یا آسیب نمی رساند. این تکنیک شامل تابش پرتو لیزر بر روی نمونه و سپس، آنالیز نور پراکنده شده است.

لیزر مورد استفاده در آنالیز رامان به طور معمول دارای قدرت کم است و آنالیز به صورت غیر تماسی انجام می شود. در نتیجه، نمونه دست نخورده باقی می ماند و می توان آن را بیشتر و دقیق تر ارزیابی کرد یا پس از آنالیز، برای اهداف دیگر استفاده کرد.

ماهیت غیر مخرب بودن تکنیک آنالیز رامان است که این اسپکتروفتومترها را در زمینه های مختلف از جمله در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بسیار کاربردی کرده است.

اهمیت آنالیز غیر مخرب در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

تجزیه و تحلیل غیر مخرب به چند دلیل برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی مهم است:

ایمنی

پالایشگاه ها و کارخانه های پتروشیمی با مواد خطرناک و بالقوه انفجاری سر و کار دارند. تکنیک های تجزیه و تحلیل غیر مخرب امکان بازرسی و ارزیابی اجزای حیاتی را بدون به خطر انداختن یکپارچگی آنها  را فراهم می کند.

مقرون به صرفه بودن

روش های تجزیه و تحلیل مخرب معمولاً نیازمند تخریب یک نمونه یا جزء برای به دست آوردن اطلاعات در مورد خواص آن است. تکنیک های غیر مخرب، مانند آنالیز رامان می توانند بینش های ارزشمندی را بدون نیاز به تخریب نمونه، صرفه جویی در زمان و منابع ارائه دهند.

کنترل کیفیت

تکنیک های تست غیر مخرب امکان شناسایی عیوب، نواقص و تخریب مواد در تجهیزات و مواد پتروشیمی در خطوط لوله یا مخازن ذخیره سازی را فراهم می کنند. با تشخیص زودهنگام مشکلات، می توان تعمیرات و نگهداری مناسب را برای اطمینان از یکپارچگی و قابلیت اطمینان مداوم تجهیزات انجام داد.

به حداقل رساندن زمان توقف

تاسیسات پتروشیمی اغلب به طور مستمر کار می کنند و هرگونه تعطیلی یا توقف برنامه ریزی نشده می تواند پرهزینه باشد. روش‌ های آنالیز غیرمخرب، شناسایی مشکلات بالقوه مانند ضعف‌ های ساختاری را قبل از اینکه به‌ عنوان خرابی تجهیزات ظاهر شوند، امکان‌ پذیر می‌ سازند.

رعایت مقررات

صنعت پتروشیمی تابع مقررات و استانداردهای سختگیرانه ای است تا ایمنی عملیاتی و زیست محیطی را تضمین کند. تکنیک‌ های تحلیل غیرمخرب می‌ توانند با ارزیابی وضعیت تجهیزات، تأیید کیفیت مواد و اطمینان از رعایت استانداردهای عملکردی،در پیروی از این مقررات کمک کنند.

موارد کلی آنالیز رامان در حوزه پتروشیمی و صنایع مربوطه

کاربردهای آنالیز رامان در حوزه نفت، گاز و پتروشیمی

در اینجا برخی از کاربردهای کلیدی آنالیز رامان در حوزه صنایع پتروشیمی آورده شده است:

کنترل کیفیت

آنالیز رامان می تواند برای ارزیابی کیفیت و خلوص محصولات پتروشیمی از جمله سوخت، روان کننده ها و پلیمرها استفاده شود.

بنابراین با این تکنیک می توان ناخالصی ها، آلاینده ها و محصولات تخریب را شناسایی کند و به تولیدکنندگان کمک کند تا استانداردهای با کیفیت بالا را حفظ کرد.

با استفاده از تکنیک طیف سنجی رامان، یک تکنسین آزمایشگاهی می‌ تواند چندین آنالیز از جمله اکتان، فشار بخار و گراویتی API را در چند ثانیه انجام دهد. بنابراین، این مقادیر را می توان بر روی یک ابزار واحد و بدون نیاز به متخصص اختصاصی در روش آزمایش استخراج کرد.

آنالیز رامان به صورت بر خط، در بخش کنترل کیفی

به عنوان مثال، در باربندهای پالایشگاه، کامیون های تانکر اغلب باید منتظر بمانند تا آزمایشگاه پیش از شروع بارگیری، تست اکتان 2 تا 3 ساعته را برای تأیید RON و MON انجام دهد.

در عین حال، با یک اسکن سریع با استفاده از آنالیز رامان، گواهی محصول و مدارک تکمیل می شود. همین امر در مورد سایر فاکتورها نیز صدق می کند، زیرا بنزین بر روی باربند و کشتی بارگیری شده، در مخازن ساحلی تخلیه می شود یا از طریق خطوط لوله توزیع می شود.

آنالیز و شناسایی ترکیبات

طیف‌سنجی رامان می‌تواند ترکیب مخلوط‌های هیدروکربنی پیچیده موجود در فرآورده‌های نفتی را تعیین کند. می تواند بین انواع مختلف هیدروکربن ها (مانند آلکان ها، آروماتیک ها و الفین ها) تمایز قائل شود و سطوح غلظت آنها را به صورت کمی تجزیه و تحلیل کند.

آنالیز رامان و تعیین ترکیب مواد

نظارت بر واکنش

طیف‌ سنجی رامان می‌ تواند برای نظارت بر واکنش‌ های شیمیایی فرآیند های پتروشیمی استفاده شود زیرا می تواند در زمان واقعی در مورد پیشرفت واکنش ها، واسطه های تشکیل شده و محصولات تولید شده گزارش کمی ارائه داده و بهینه سازی فرآیند و عیب یابی را تسهیل کند.

یکی از مثال‌ های کاربردی برای رامان در آزمایشگاه‌ های داخلی پتروشیمی، سرعت بخشیدن به نقل و انتقالات (custody transfer)، تأسیسات ذخیره‌ سازی، مخازن ذخیره‌ سازی و خطوط لوله است.

تست‌ های اکتان مانند عدد اکتان تحقیقاتی (RON) یا عدد اکتان موتور (MON)، ویژگی‌ های بنزین مربوط به پدیده ضربه موتور را اندازه‌ گیری می‌ کنند.

به طور معمول، RON با استفاده از روش های تست مشخص و استاندارد ASTM D2699 و MON توسط ASTM D2700 تعیین می شوند و برای به دست آوردن نرخ اکتان، هر دو آزمایش شامل افزایش نسبت تراکم یک موتور تک سیلندر با سیکل چهار زمانه خواهند بود تا زمانی که شروع به ضربه زدن کند.

نمونه ای از طیف رامان MON

با این حال، آزمایش موتور سوخت می تواند چندین ساعت طول بکشد و انتقال را به تأخیر بیاندازد. اگرچه آزمایش رامان جایگزین آزمایش موتور سوخت نمی شود، استاندارد ASTM D8340 رویکردی مطمئن را برای آزمایش موتور سوخت اولیه ارائه می کند و انتقال بنزین بر اساس این مقادیر را مجاز می داند.

شناسایی منبع نفت

با تجزیه و تحلیل طیف رامان نفت خام و محصولات مشتق شده از آن، آنالیز رامان می تواند به تعیین منبع و منشأ نمونه های نفتی کمک کند که این اطلاعات می تواند در اکتشاف نفت خام، تحقیقات نشت نفت و پتروشیمی قانونی مفید باشد.

تجزیه و تحلیل پلیمرها و مواد افزودنی

طیف سنجی رامان می تواند پلیمرها و افزودنی های مختلف مورد استفاده در کاربردهای پتروشیمی را مشخص و مطالعه کند. با استفاده از آنالیز رامان می توان ساختار مولکولی، ساختار زنجیره، بلورینگی پلیمر و وجود مواد افزودنی را آشکار کرد.

آنالیز پلیمر توسط تکنیک رامان

آنالیزرهای رامان نوین

برخی از سیستم‌ های رامان امروزی، هیچ بخش متحرکی ندارند و برای نظارت مستمر فرآیند و تحلیل‌ های معمول آزمایشگاهی ایده‌ آل هستند. در نتیجه، می توان آنها را به صورت درون خطی، در حالت آنلاین یا آفلاین در هر نقطه اندازه گیری قرار داد.

یک سیستم رامان اختصاصی برای تولید نتایج یکسان و قابل تکرار از واحدی به واحد دیگر، در جعبه هایی 80 درصد کوچک تر از ابزارهای سنتی رامان ایجاد شده اند.

شماتیک کاربرد طیف سنج رامان به صورت درون خطی

این سیستم با مجموعه گسترده ای از پروب های تماسی مناسب برای کاربردهای نفت و گاز کار می کنند که می توانند در عرض چند ثانیه بدون نیاز به کالیبراسیون مجدد تغییر کنند.

پروب های لنز توپی شکل – که امروزه به طور گسترده در سراسر صنعت استفاده می شود – کاربران را قادر می سازد تا مقادیر اندازه گیری تکرارپذیر نمونه ها را با دقتی بالاتر از 1٪ بدست آورند.

پروب های لیزر توپی شکل در آنالیز رامان

جنبه توپی بودن پروب با استفاده از فرایند شکست نور، معمولاً مایعی با ضریب شکست بالا، بدست می آید. این مایع به بهینه سازی توانایی های فوکوس لنز کمک می کند و بازتاب ها را به حداقل می رساند و دقت و کیفیت اندازه گیری ها را بهبود می بخشد.

تأثیر نوع پروب لیزر بر کیفیت فوکوس در آنالیز رامان

سیستم اختصاصی رامان را می توان بر روی هر مؤلفه ای که نیاز به تجزیه و تحلیل دارد استفاده کرد، که انعطاف پذیری فوق العاده ای را برای آزمایشگاه ها فراهم می کند.

اگرچه از تجهیزات اختصاصی سیستم رامان می توان برای شناسایی اجزا در حدود 15 دقیقه استفاده کرد، اما کمی کردن غلظت هر جزء ابتدا نیاز به ایجاد یک مدل پیش بینی دارد.

برای استفاده آزمایشگاهی عمومی، سازنده سیستم، کتابخانه ای از مدل های از پیش توسعه یافته را ارائه می دهد که اکثر برنامه های کاربردی را پوشش می دهد و مدل سازی غلظت اتوماتیک صورت می گیرد.

سخن پایانی

امروزه  اندازه گیری دقیق و سریع، بیش از هر زمان دیگری در صنعت نفت و گاز ضروری است. درک ترکیب شیمیایی مواد خام و قوام محصولات فرآوری شده کلیدی برای مدیریت فرآیندها، کاهش خطرات و به حداکثر رساندن نتایج بسیار مهم است.

آنالیز رامان یک تکنیک تحلیلی همه کاره و غیر مخرب است که نقش مهمی در تجزیه و تحلیل پتروشیمی ایفا می کند و توانایی ارائه اطلاعات در سطح مولکولی، آن را به ابزاری ارزشمند برای کنترل کیفیت، شناسایی ترکیب، نظارت بر واکنش، شناسایی منبع و مطالعه پلیمرها و افزودنی ها در صنعت پتروشیمی تبدیل می کند.

با پیشرفت‌هایی که در ساختار سیستم‌ های رامان انجام شده است، آزمایشگاه‌ ها اکنون ابزاری قابل اعتماد و اقتصادی دارند که نتایج دقیق و سریعی را تولید می‌ کند و روش‌ های آزمایش دیگر را نیز تکمیل می‌ کند.

منابع

Springer Link

Raman Spectrsocopy

Wikipedia