核磁共振在线分析技术及其在炼油和化工装置中的应用

    随着中国加入WTO,国内的炼油和石化企业面临着国际大型石油公司日益激烈的竞争压力,过程分析技术对于炼油和化工工艺生产控制与优化具有重要作用。然而,目前中国采用的传统过程在线分析仪表大多是由实验室仪器改进而来的,因测量原理所限(如芳烃体积分数):分析速度慢;精度比实验室仪器差;一种仪表仅能测量一种参数,如需测量多种质量参数,则需要购置多台仪表,造成设备投资过大;维护量大和频次高。因此,目前国内过程控制和生产优化依据的数据大多是温度、压力和流量等参数,缺乏“直接”质量参数如组成和物化性质等,限制了优化与控制作用。

    核磁共振NMR(Nuclear Magnetic Resonance)技术已成功运用于医学领域,核磁共振形成一门完整的新兴科学。20世纪70年代以后,随着计算机技术的飞速发展,在线NMR分析系统变得更完善,成为当前最先进和最有前途的过程分析技术之一。它与先进控制技术结合,可明显地提高工业生产效率。BP,BASF,Shell,AGIP等国际大型石油公司,都已采用了在线NMR分析系统,用于原油蒸馏/调合,汽油/柴油调合,催化裂化,催化重整和乙烯裂解等装置的生产监测与控制。在线测量数据及时指导工艺操作,实现了质量“卡边”控制,增加油品收率,保证产品质量,提高生产管理水平。在线NMR分析技术的应用为石化工业带来了巨大的经济效益,受到越来越多石化企业的青睐。

    近几年来,为提高生产水平和经济效益,国内石化工业大力推广集中控制和先进过程控制(APC)技术,以期实现资源的合理利用、产品质量“卡边”控制以及装置平稳操作。特别需要在线测量分析技术快速、准确、可靠和及时地为它提供质量信息。因此,推广使用在线NMR分析技术,有着极其重要的经济和社会效益。本文介绍了世界首家将核磁共振技术用于装置在线测量的Invensys公司在线NMR分析系统的原理及应用。

    1　原理

    核磁共振波谱学是一门边缘学科,它从物理原理出发,以电子技术和计算机技术作为手段,获取化学、生物学等各学科所需的图谱信息。

    NMR测量分析样品时,样品物流连续流动通过一个精确控制的磁场,使得样品中所有旋转质子按照磁场方向排列。通过向物流样发射脉冲电磁波能量,这些质子排列方向将发生偏移。当去除射频信号后,质子释放能量并最终返回其最初轴线。在此过程中,它们会产生按指数规律衰减的射频信号(FID),并且被接收器所感应,该时域模拟信号经计算机过滤、处理并转换为频域图谱。频域数字数据经过校准模型分析,以产生用户需要的化学成分和其他物理特性等分析结果。在NMR谱图中,分子结构惟一决定了各组分的谱峰将在谱图中确定的位置产生,并且峰强度直接反映了各组份的含量。多个脉冲经过平均,分析可在12 min内完成。NMR分析系统能够同时分析多组物流和提供多种质量信息,因此1台NMR分析系统可以代替传统所需要的多台分析仪表来满足先进控制的需要。