CN104792727A - 一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法 - Google Patents

一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，该工艺物流是胺化反应器的反应输入流或产物输出流，从工艺物流中提取一股物料作为支流，将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱信息；将反应工艺物流的近红外光谱与其对应的标准值(化学值)采用偏最小二乘法进行关联建立定量校正模型，使用所建模型通过所获得的近红外光谱直接确定反应工艺流中多种组分的质量分数；根据所测工艺输出物流和输入物流中各组分的质量分数与胺化反应的需求，调节输入流中输入流组分的质量分数。本发明主要用于乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析。

Description

一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法
技术领域
本发明属于化工过程的分析测试技术领域，涉及一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法。
背景技术
通常，采用乙二胺、氨水在胺化催化剂存在下进行胺化反应，所得胺化产物流经精馏工艺分离得到各种胺化产品，其中胺化产物中有哌嗪、三乙烯二胺和胺乙基哌嗪组分外，还有未反应的原料乙二胺、水和氨等。胺化反应产物的定量分析，常用的分析方法有气相色谱法、液相色谱法、电位滴定法、光度法及pH电位法。王丽华在《哌嗪及其共生物的气相色谱分析研究》理化检验-化学分册，1998，34(6)：249中报道了哌嗪及其共生物的气相色谱分析方法。采用Chromsorb WAW(60～80目)为担体，以氢氧化钾作减尾剂，聚乙二醇(PEG 2万)作固定液，在长1.5m的玻璃填充柱上哌嗪及其共生物得到良好的分离。这种分析方法操作繁琐，劳动强度大，且分析时间长，极大地影响了工业装置的自动控制和调节，也制约了反应装置的自动化。同时，气相色谱技术不能够同时快速测定胺化反应液中的水含量，难以分析蒸气相中的工艺流，有些组分如水蒸汽可能发生冷凝，使获得可靠的分析数据变得困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，具有操作步骤简单、分析时间短的优点，且能够同时快速测定胺化反应液中水的生成量。
根据本发明，提供一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，该工艺物流是胺化反应器的反应输入流或产物输出流，该工艺流具有至少150℃的温度，工艺物流的组分处于蒸气相中，该方法包括：
(1)从工艺物流中提取一股物料作为支流；
(2)支流物料高于其露点的温度；
(3)将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱；
(4)将具有标准值的反应工艺物流分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立校正模型，利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与标准值对比验证模型；
(5)使用所建模型，根据采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱直接得到反应工艺流中一种或多种组分的质量分数。
所述反应输入流包括乙二胺、水和氨，产物输出流乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪六种组分。
所述反应产物输出流中的乙二胺、氨、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪标准值采用气相色谱-质谱连用分析方法测定其质量分数，水分含量采用卡尔费休法测定质量分数。
所述工艺物流可被定量的光谱区域为9800至5300cm-1。
根据本发明，提供另一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，该工艺物流是胺化反应器的反应输入流或产物输出流，该工艺流温度高于150℃，工艺物流的组分处于蒸气相中，该方法包括：
(1)从工艺物流中提取一股物料作为支流；
(2)支流物料高于其露点的温度；
(3)将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱；
(4)将具有标准值的反应工艺物流分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立校正模型，利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与标准值对比验证模型；
(5)使用所建模型，根据采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱直接得到反应工艺流中一种或多种组分的质量分数；
(6)根据胺化反应的需求，响应于所确定的质量分数，调节输入流中乙二胺、水或氨组分的质量分数。
本发明的优点：
(1)本发明将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱信息，与气相色谱法、滴定法相比，省去了样品前处理步骤，操作步骤简单。
(2)本发明使用所建模型，根据采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱，在1分钟内能够直接得到反应工艺流中一种或多种组分的质量分数，分析时间短，具有简洁、快速的优点。
(3)本发明根据胺化反应的需求，响应于所确定的质量分数，调节输入流中乙二胺、水或氨组分的质量分数，能够实现乙二胺胺化反应的在线分析，有利于实现自动化，便于工业生产过程控制。
(4)本发明能够同时快速测定胺化反应液中水的生成量。
附图说明
图1乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析示意图
具体实施方式
以下结合发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析示意图。包括加热器(1)、加热器(4)、加热器(11)、蒸发混合器(2)、反应器(6)、冷却器(3)、NIR流通池(7)、NIR光谱仪(5)、光纤光缆(110)和(109)、气液分离器(8)、冷却器(9)、调节器(10)、三通阀(11)。
101、102、103、104、105、106、107、108、111、112、113、114、115、116、117均为管线。
本发明中，NIR分析仪是商业上可提供的近红外光谱仪，主要元件包括光源、光学系统和检测器。NIR光谱仪(5)，为布鲁克公司制造的傅里叶变换型光谱仪。
NIR光谱仪(5)通过光缆光纤与NIR流通池(3)连接。使用的NIR流通池为低羟基石英材质，光程长度7.5cm，流通池和蒸气管线被电加热至高于蒸气混合物的露点。
工艺输入物流乙二胺、水和氨组分分别通过管线101、102、116分别输入至加热器(1)、加热器(4)和加热器(11)，再经管线103、114进入蒸发混合器(2)，输入蒸发混合器(2)的气态组分流可采用质量流量控制器进行调节，混合后通过管线104进入反应器(6)，在反应器(6)中在胺化催化剂存在下进行胺化反应，产物输出流包括乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪。
蒸发混合器(2)中产生的蒸气混合物，通过分支管线107通往NIR流通池(7)，NIR流通池(7)中的流出物流经冷却器(9)并通过分离液体的分离器(8)和控制系统压力的压力调节器(10)排出。NIR流通池(7)通过光纤光缆(110)和(109)连接至NIR光谱仪(5)，NIR流通池(7)中的蒸气混合物被NIR光谱仪(5)分析，光谱仪扫描波长范围为12500至4000cm-1，分辨率8cm-1，采用光缆光纤环路作为参比。
将乙二胺、水和氨采用质量流量计配制成不同质量分数的标准混合气，作为反应工艺输入物流，分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立工艺输入物流的校正模型，采用的预处理方法有：无光谱预处理、多元散射校正(MSC)、矢量归一法(SNV)、最小-最大归一化、一阶导数、一阶导数+SNV、一阶导数+MSC、二阶导数等。
采用不同预处理方法、不同维数、不同光谱波段等优化模型，有选择的剔除异常值，利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与上述标准值对比验证模型。
使用上述所建输入物流组分模型，根据采集反应输入流的近红外光谱直接得到反应工艺输入流中乙二胺、水和氨组分的质量分数。
对于反应工艺输入物流和产物输出流分别通过分支管线107和分支管线108，在三通阀(11)处周期性互相切，换通往NIR流通池(7)进行周期性测定，切换周期2分钟。
类似地，反应器(6)生成的产物输出流，经过冷却器(3)，在经过管线106，进入分离液体的分离器(8)和控制系统压力的压力调节器(10)排出，反应输出产物流通过分支管线108通往NIR流通池(7)，NIR流通池(7)通过光纤光缆(110)和(109)连接至NIR光谱仪(5)，NIR流通池(7)中的蒸气混合物被NIR光谱仪(5)分析，光谱仪扫描波长范围为12500至4000cm-1，分辨率8cm-1，采用光缆光纤环路作为参比。
将反应工艺输出物流分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立工艺输出物流的校正模型；利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与上述标准值对比验证模型。
反应工艺输出物流包括乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪，其中水分标准值采用卡尔费休法测定，其余组分标准值采用气相色谱-质谱连用分析方法测定。
使用上述所建输出物流组分模型，根据采集反应输出流的近红外光谱直接得到反应工艺输出流中乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪。
对比反应工艺输入流中乙二胺、水和氨组分的质量分数，与反应工艺输出流中乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪的质量分数，计算胺化反应的乙二胺转化率与产物的选择性，根据胺化反应的需求，和所确定的质量分数，调节反应工艺输入流中乙二胺、水和氨组分的质量分数。
实施例1：
如图1所示，使用NIR分析仪，对工艺输入物流乙二胺、水和氨混合物的NIR光谱快速分析。工艺输入物流乙二胺、水和氨组分分别通过管线101、102、116分别输入至加热器(1)、加热器(4)和加热器(11)，再分别经管线103、114、117进入蒸发混合器(2)，输入蒸发混合器(2)的气态组分流可采用质量流量控制器进行调节，混合后通过管线104进入反应器(6)，在反应器(6)中在胺化催化剂存在下进行胺化反应。
蒸发混合器(2)中产生的蒸气混合物，通过分支管线107通往NIR流通池(7)，NIR流通池(7)中的流出物流经冷却器(9)并通过分离液体的分离器(8)和控制系统压力的压力调节器(10)排出。NIR流通池(7)通过光纤光缆(110)和(109)连接至NIR光谱仪(5)，NIR流通池(7)中的蒸气混合物被NIR光谱仪(5)分析，光谱仪扫描波长范围为12500至4000cm-1，光程7.5cm，分辨率8cm-1，扫描32次，采用光缆光纤环路作为参比。
将乙二胺、水与氨采用质量流量计配制成不同质量分数的标准混合气118个，分为校正集和验证集，乙二胺，水与氨在蒸发混合器(2)中混合，并在220℃和1.8MPa总压力下输入流通池，采集标准气光谱。扫描光谱区间12500至4000cm-1，光程7.5cm，分辨率8cm-1，扫描次数32次。采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立工艺输入物流组分的校正模型。
用验证集样品对校正模型进行验证、评价，优化得乙二胺、水和氨组分最佳校正模型：乙二胺组分质量分数的校正模型，光谱定量范围为6790～6336cm-1，光谱预处理方法选择一阶导，模型的决定系数(R2)为0.98，模型交叉验证均方根偏差(RMSECV)为0.19％，验证集均方根偏差(RMSEP)为0.17％；水组分质量分数的校正模型，光谱定量范围为7362～6448cm-1，光谱预处理方法选择SNV，模型R2为0.99，模型RMSECV为0.25％，验证集RMSEP为0.19％；氨组分质量分数的校正模型，光谱定量范围为7395～6378cm-1，光谱预处理方法选择一阶导+SNV，模型的决定系数(R2)为0.98，模型交叉验证均方根偏差(RMSECV)的值为0.19％，验证集均方根偏差(RMSEP)的值为0.16％。
使用上述所建模型，根据光谱仪采集的反应输入流的近红外光谱直接得到反应工艺输入流中乙二胺、水和氨组分的质量分数。
实施例2：
如图1所示，使用NIR分析仪，对工艺输出物流组分的NIR光谱快速分析。工艺输入物流乙二胺、水和氨组分分别通过管线101、102、116分别输入至加热器(1)、加热器(4)和加热器(11)，再经管线103、114、117进入蒸发混合器(2)，输入蒸发混合器(2)的气态组分流可采用质量流量控制器进行调节，混合后通过管线104进入反应器(6)，在反应器(6)中在胺化催化剂存在下进行胺化反应。
反应器(6)生成的产物输出流，经过冷却器(3)，再经过管线106，进入分离液体的分离器(8)和控制系统压力的压力调节器(10)排出，反应输出产物流通过分支管线108在220℃和1.8MPa总压力下输入NIR流通池(7)，NIR流通池(7)通过光纤光缆(110)连接至NIR光谱仪(5)，NIR流通池(7)中的蒸气混合物使用NIR光谱仪(5)分析。光谱仪扫描波长范围为12500至4000cm-1，光程7.5cm，分辨率8cm-1，扫描32次，采用光缆光纤环路作为参比。
采集反应工艺过程输出物流的光谱205个，分为校正集和验证集。在采集光谱的同时采样进行标准值分析，产物输出物流包括乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪六种组分，水的质量分数采用卡尔费休法测定质量分数，其余组分含量的标准值采用气相色谱-质谱连用分析方法测定其质量分数。
采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立工艺输出物流六种组分的校正模型。用验证集样品对校正模型进行检验、评价，优化所得最佳模型的参数见表1。
使用上述所建模型，采集反应输出流的近红外光谱直接得到反应工艺输出流中乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪的质量分数,并采集了18个样品采用化学法进行了分析，近红外光谱法预测值与化学法测定的标准值见表2。
对于反应工艺输入物流和产物输出流分别通过分支管线107和分支管线108，在三通阀(11)处周期性互相切，换通往NIR流通池(7)进行周期性测定，切换周期2分钟。
结合实施例1中反应工艺输入流中乙二胺、水和氨组分的质量分数，与乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪的质量分数。根据胺化反应乙二胺、水及氨的摩尔比例的需求，计算输入流中各组分的输入量，并进行调节。
表1 输出物流各组分近红外光谱模型的参数
模型名称 光谱定量范围/cm-1 光谱预处理方法 R2 RMSECV/％ RMSEP/％
乙二胺 9763～9365,8825～7961 一阶导+MSC 0.97 0.16 0.16
水 7494～5326 SNV 0.99 0.41 0.36
氨 9780～9395,7362～6353 一阶导+SNV 0.98 0.22 0.21
三乙烯二胺 9634～7946 一阶导 0.98 0.26 0.25
哌嗪 7342～6745 SNV 0.96 0.25 0.21
胺乙基哌嗪 6298～6619 MSC 0.97 0.18 0.15
表2 采用近红外光谱法预测值与采用化学法测定的标准值

Claims (2)

1.一种乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，该工艺物流是乙二胺胺化反应器的反应输入流或产物输出流，该方法包括：
(1)从工艺物流中提取一股物料作为支流；
(2)支流物料高于其露点的温度；
(3)将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱；
(4)将具有标准值的反应工艺物流分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立校正模型，利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与标准值对比验证模型；
(5)使用所建模型，根据采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱直接得到反应工艺流中一种或多种组分的质量分数。
所述工艺物流具有至少150℃的温度，工艺物流的组分处于蒸气相中。
所述工艺物流中，反应输入流包括乙二胺、氨、水，产物输出流包括乙二胺、氨、水、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪六种组分。
所述反应产物输出流中的乙二胺、氨、水，产物输出流包括乙二胺、氨、三乙烯二胺、哌嗪和胺乙基哌嗪六种组分的标准值采用气相色谱-质谱连用分析方法测定其质量分数，水分含量采用卡尔费休法测定质量分数。
所述工艺物流可被定量的光谱区域为9800至5450cm-1。
2.根据权利要求1所述的乙二胺胺化反应工艺物流的快速分析方法，该工艺物流是乙二胺胺化反应器的反应输入流或产物输出流，该方法包括：
(1)从工艺物流中提取一股物料作为支流；
(2)支流物料高于其露点的温度；
(3)将冷却的支流物料使用近红外光谱法分析，采集反应输入流或产物输出流的近红外光谱；
(4)将具有标准值的反应工艺物流分为校正集和验证集，校正集用于建立模型，验证集用于验证模型的准确性，采用偏最小二乘法，将校正集光谱经过选择性预处理后的数据与对应的标准值线性关联，建立校正模型，利用上述校正模型对验证集进行预测，将预测值与标准值对比验证模型；
(5)使用所建模型，根据采集反应输入物流或产物输出物流的近红外光谱直接得到反应工艺流中多种组分的质量分数；
(6)根据反应工艺流中多种组分的质量分数，与乙二胺胺化反应的需求，计算输入流中乙二胺、水和氨组分的输入量，并进行调节。
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