烯烃聚合产物中微量水分测量的激光传感器

　　0　引言

　　烯烃聚合在石油化工行业中非常重要。聚合物如聚乙烯和聚丙烯是世界上应用最广泛的通用塑料之一,因此,提高聚合效率和聚合物的品质具有极其重要的经济价值。烯烃聚合依靠催化剂,然而,即便微量水分的存在都会大大减弱催化剂的活性,降低聚合反应的效率,从而影响聚合物的品质,因此,在烯烃聚合过程中精确测量微量水分的含量具有重要的意义。传统的水分测量技术主要基于各种接触型传感器,例如冷镜、电化学及压电传感器等。这些传感器的确能在校准后的短时间内提供可靠的测量。但传感器的表面由于暴露在待测流体当中,易被醇、胺、油等杂质所污染,从而导致巨大的测量误差甚至整个传感器的失效,所以这些接触型传感器通常需要频繁地清理甚至更换传感元件,导致大量的维护费用。另外,接触型传感器响应速度慢,通常具有很长的浸润及干燥延迟。可调谐二极管激光吸收光谱技术TDLAS(tunablediode laserabsorption spectroscopy)作为一种新型的非接触测量方法,已被广泛应用于各种环境下的气体检测[1~5]。它与上述传统技术相比,具有响应灵敏、速度快,测量可靠、精度高、维护成本低、产品寿命长等优点[6~8]。

　　本文介绍可调谐二极管激光吸收光谱技术以及SpectraSensors公司研发的用于测量烯烃聚合过程中微量水分的新型分析仪。该分析仪利用波长调制TD2LAS技术,测量透射激光信号在调制频率两倍频处的分量,从而屏蔽在测量带宽范围外来自激光器、光电传感器及气体流动的噪音,显著提高了测量信噪比、敏感度和准确性[9~13]。本文通过分析水分子以及各种烯烃在近红外区域(1~3μm)的吸收光谱,选择了水分子在近红外区域的最佳吸收谱线。该谱线吸收强度高,受背景气体的光谱干扰小。该分析仪还利用差分吸收光谱技术来彻底消除烯烃吸收光谱的干扰。该分析仪的气体采样系统安装于不锈钢制的绝热恒温(50℃)箱中,以防止水蒸汽冷凝以及吸附于气体流道壁面。该分析仪的校准使用的是NIST(美国国家计量标准局)可追溯的冷镜湿度计。该检测仪经试验验证可以准确测量各种烯烃气体中0~3×10^-6的微量水分。在乙烯和丙烯气体中,测量重复性(3σ)为(5~10)×10^-8;在其他碳氢化合物比如异丁烷或甲烷中,测量重复性(3σ)为(2~6)×10^-8。

　　1　可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理

　　根据激光的调制和信号的检测,可调谐二极管激光吸收光谱技术可以分为直接吸收光谱技术和波长调制吸收光谱技术两类。这两种技术的基本原理已经在许多文献中进行了详细介绍[1~4, 9~14]。本文只概括介绍与开发微量水分分析仪相关的基本概念和原理。