CN102099660A - 利用拉曼光谱控制碳酸盐/碳酸氢盐的浓度 - Google Patents

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Abstract

在化学过程中控制碳酸盐/碳酸氢盐浓度和比例的装置和方法，具有以下步骤：使碳酸盐/碳酸氢盐溶液流过测量单元(202)，使溶液暴露于适当波长和功率的激光下(204)；利用拉曼光谱法测量散射光的强度(206)；由散射光的强度计算碳酸盐和碳酸氢盐的浓度(208)；以及将测量结果发送至可编程逻辑控制器(210)，用于通过调节过程参数来控制溶液中碳酸盐和碳酸氢盐的比例。所述方法适用于二氧化碳吸收过程和碳酸盐/碳酸氢盐再生过程。

Description

利用拉曼光谱控制碳酸盐/碳酸氢盐的浓度
技术领域
本发明涉及利用拉曼光谱检测化学组成和控制化学过程。
背景技术
有许多有用的化学过程需要进行碳酸盐、碳酸氢盐和总碳酸盐的测定。一种这样的过程是二氧化碳洗涤过程，在此过程中，碳酸盐和碳酸氢盐是主要成分。另一例子是由碱金属碳酸盐/碳酸氢盐溶液生产二氧化碳。
测定碳酸盐、碳酸氢盐和总碳酸盐的常规方法是采用酸/碱滴定。这是一种间歇系统，在浓度测量中必然会引入有限的时间滞后。酸/碱滴定法也会受到各种化合物的干扰。
因此需要在化学过程中检测和控制碳酸盐和碳酸氢盐浓度的连续在线装置和方法，所述装置和方法不受其它化合物的干扰。
发明内容
本发明的装置和方法满足在化学过程中以连续在线的方式检测和控制碳酸盐和碳酸氢盐浓度的要求，所述装置和方法不受其它化合物的干扰。本发明的一方面是控制化学过程的方法，包括步骤：使碳酸盐/碳酸氢盐混合物流过测量单元，使之暴露于适当波长和功率的激光下；利用拉曼光谱法测量散射光的强度；由散射光的强度计算碳酸盐和碳酸氢盐的浓度；以及利用测量值来调节过程控制参数，从而控制工艺流体中的碳酸氢盐和碳酸盐的比例和浓度。
参照以下的说明书、权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点。
附图说明
图1是根据本发明利用拉曼光谱法测定碳酸氢盐/碳酸盐浓度的过程的工艺流程图。
图2是碳酸盐和碳酸氢盐的拉曼光谱图。
图3是根据本发明的碱金属碳酸盐/碳酸氢盐洗涤过程和吸收装置(absorber)控制的在线浓度测量的工艺流程图。
图4是根据本发明的碳酸盐/碳酸氢盐再生过程和再生装置(regenerator)控制的在线浓度测量的工艺流程图。
具体实施方式
参看图1，本发明的一方面是在化学过程中控制碳酸盐/碳酸氢盐浓度的方法，具有步骤：a)使碳酸盐/碳酸氢盐溶液流过测量单元202，b)使溶液暴露于适当波长和功率的激光下204；c)利用拉曼光谱法测量散射光的强度206；d)由散射光的强度计算碳酸盐和碳酸氢盐的浓度208；以及e)将测量结果发送至可编程逻辑控制器(″PLC″)210，用于通过调节过程参数来控制溶液中的碳酸盐和碳酸氢盐的比例和浓度。
拉曼光谱法依赖于单色光的非弹性散射。入射光通常是来自可见光或紫外线范围内的激光。当碳酸盐和/和碳酸氢盐被激光照射时，它们会偏移光的频率。碳酸盐和碳酸氢盐的这种偏移均可测量，并且它们发生在不同的频率上。参看图2，碳酸氢盐的峰102在大约1015cm-1，碳酸盐的峰104在大约1065cm-1。
通过根据峰高或峰面积测量散射光的强度可以确定每个组分的浓度。然后可以用这两个浓度来计算总碳酸盐。
本发明涉及在依赖于存在的碳酸盐与碳酸氢盐的比例以及总碳酸盐浓度的过程中利用拉曼光谱法对碳酸盐和碳酸氢盐进行实时的确定和量化。据我们所知，目前尚没有对此进行在线实施的方式可供选择。
一个实施例是二氧化碳洗涤过程，其中如图3所示，碳酸盐和碳酸氢盐是主要组分。
将“贫碳酸盐”溶液106引入CO2吸收过程/CO2吸收装置108。贫碳酸盐溶液所含HCO3 -/CO3 2-比例大于1。其组成通过第一拉曼光谱仪118测定。随着CO2被吸收进入碳酸盐溶液，将发生以下的一般反应：
CO3 -2+H2O+CO2→2HCO3 -            (1)
当发生此反应时，总碳酸盐及碳酸盐/碳酸氢盐比例将发生变化。离开收过程114的将是HCO3-/CO3 -2比例小于1的“富碳酸盐”溶液。其组成通过第二拉曼光谱仪120测定。碳酸盐/碳酸氢盐溶液可以是但不限于Na2CO3/NaHCO3、(NH4)2CO3/NH4HCO3和K2CO3/KHCO3。控制溶液中碳酸盐与碳酸氢盐比例的重要因素是碳酸盐可溶于被测溶液。
本方法将用于控制总碳酸盐浓度和控制碳酸盐浓度与碳酸氢盐浓度的比例。浓度值将被发送至PLC116，作为对过程/吸收装置108的过程控制回路的反馈。这些因素很重要，因为如果不控制碳酸盐与碳酸氢盐之比，则将导致吸收效率差。如果不控制总碳酸盐浓度，则将导致碳酸盐溶液的“盐析”或沉淀，使传质和传热表面结垢。本方法对PLC提供用于参数(例如但不限于液体流速、试剂添加速率和温度)调节的反馈。
参看图4，可应用本发明的另一实施例和过程是由碱金属碳酸盐/碳酸氢盐溶液生产二氧化碳。这也可以被描述为碳酸盐/碳酸氢盐再生过程/再生装置126。为了由碱金属碳酸盐/碳酸氢盐溶液(例如但不限于Na2CO3/NaHCO3、(NH4)2CO3/NH4HCO3和K2CO3/KHCO3)生产CO2，进行上述方程式(1)的逆反应。使碳酸氢盐转化为碳酸盐、水和CO2。
在这种过程中，需要反馈来确定溶液是否已经再生126到过程所需的程度。这样做的一种方法是沿过程的不同时间点测量碳酸盐和碳酸氢盐浓度。
将富HCO3 -/C03 -2溶液124引入再生过程126。其组成通过第一拉曼光谱仪130测定。由再生过程126产生CO2气体134。贫HCO3 -/CO3 -2溶液122离开再生过程。其组成通过第二拉普光谱仪128测定。
来自第一和第二拉曼光谱仪130、128的信息将提供给PLC132，然后由PLC132控制对再生过程126的能量输入。拉曼光谱仪将对PLC或其它自动化控制器提供实时的数据输入，这然后可用于再生126或吸收装置108的控制。
测量系统的一个实施例可以包括但不限于以下内容：
·样品探针；
·从探针至光谱仪的数据传输线；
·光谱仪；
·计算机；和
·向PLC的输出(模拟或数字)。
虽然本文已描述了本发明的优选实施例，但上面的描述仅为示例性的。相应领域的技术人员将意识到可以对本文公开的本发明做进一步的修改，并且所有这种修改都视为在由所附权利要求确定的本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种在化学过程中控制碳酸盐/碳酸氢盐浓度的方法，包括步骤：
使碳酸盐/碳酸氢盐溶液流过测量单元；
使所述溶液暴露于适当波长和功率的激光下；
利用拉曼光谱法测量散射光的强度；
由所述的散射光强度计算碳酸盐和碳酸氢盐的浓度；以及
将测量结果发送至可编程逻辑控制器，用于通过调节过程参数来控制溶液中碳酸盐与碳酸氢盐的比例和总碳酸盐浓度。
2.一种在CO2吸收过程中控制碳酸氢盐/碳酸盐浓度的方法，包括步骤：
提供碳酸氢盐/碳酸盐比例小于1的贫碳酸氢盐/碳酸盐溶液；
用第一拉曼光谱仪测定所述贫碳酸氢盐/碳酸盐的组成；
用碳酸氢盐/碳酸盐溶液吸收CO2，从而产生碳酸氢盐/碳酸盐比例大于1的富碳酸氢盐/碳酸盐溶液；
用第二拉曼光谱仪测量所述富碳酸氢盐/碳酸盐溶液；以及
向可编程逻辑控制器发送所述贫碳酸氢盐/碳酸盐的组成测量值和富碳酸氢盐/碳酸盐，用于控制CO2吸收过程。
3.一种在碳酸氢盐/碳酸盐再生过程中控制碳酸氢盐/碳酸盐溶液的方法，包括步骤：
提供碳酸氢盐/碳酸盐比例大于1的富碳酸氢盐/碳酸盐溶液；
用第一拉曼光谱仪测量所述富碳酸氢盐/碳酸盐溶液；
再生所述碳酸氢盐/碳酸盐溶液，从而产生CO2和碳酸氢盐/碳酸盐比例小于1的贫碳酸氢盐/碳酸盐溶液；
用第二拉曼光谱仪测量所述贫碳酸氢盐/碳酸盐溶液；以及
向可编程逻辑控制器发送所述富碳酸氢盐/碳酸盐的组成测量值和贫碳酸氢盐/碳酸盐，用于控制CO2吸收过程。
4.一种用于在CO2吸收装置中控制碳酸氢盐/础酸盐浓度的装置，包括：
CO2吸收装置，具有作为输入的富CO2流和贫碳酸氢盐/碳酸盐流，并且具有作为输出的贫CO2流和富碳酸氢盐/碳酸盐流；
与贫碳酸氢盐/碳酸盐输入流连接的第一拉曼光谱仪，用于测量进入所述CO2吸收装置的碳酸氢盐/碳酸盐的浓度；
与从所述CO2吸收装置输出的富碳酸氢盐/碳酸盐输出流连接的第二拉曼光谱仪，用于测量离开所述CO2吸收装置的碳酸氢盐/碳酸盐的浓度；和
与所述第一拉曼光谱仪和第二拉曼光谱仪连接的可编程逻辑控制器，用于接收碳酸氢盐/碳酸盐浓度信号和向所述CO2吸收装置输出过程控制信号。
5.一种用于在碳酸氢盐/碳酸盐再生过程中控制碳酸氢盐/碳酸盐溶液的装置，包括：
碳酸氢盐/碳酸盐再生装置，具有作为输入的富碳酸氢盐/碳酸盐流并具有作为输出的贫碳酸氢盐/碳酸盐流和CO2；
与富碳酸氢盐/碳酸盐输入流连接的第一拉曼光谱仪，用于测量进入所述再生装置的碳酸氢盐/碳酸盐的浓度；
与从所述再生装置输出的贫碳酸氢盐/碳酸盐输出流连接的第二拉曼光谱仪，用于测量离开所述再生装置的碳酸氢盐/碳酸盐的浓度；和
与所述第一拉曼光谱仪和第二拉曼光谱仪连接的可编程逻辑控制器，用于接收碳酸氢盐/碳酸盐浓度信号和向所述再生装置输出过程控制信号。
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