CN113439207A - 用于过程拉曼光谱学的光学探针和使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开的一方面公开了一种探针，该探针包括：探针本体，其具有限定近端和远端的中心轴线并且在远端中包括孔口；窗口，其固定在孔口中，其中，窗口基本上是光学透明的；以及法兰，其邻接探针本体的近端，法兰包括密封表面和密封边缘，其中，法兰将探针的过程中部分与探针的过程后部分分开，过程中部分至少包括探针本体、密封表面和密封边缘，其中，探针的至少过程中部分基本上由奥氏体不锈钢材料组成。进一步方面包括一种被配置成执行采用探针的方法的计算机产品。

Description

用于过程拉曼光谱学的光学探针和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求2019年2月18日提交的美国临时专利申请No.62/807,022的优先权，其全部公开内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般涉及激光光谱学，具体地涉及一种用于激光光谱学的光学探针组件。

背景技术

拉曼光谱学是一种基于称为拉曼散射效应的激光光谱学。拉曼散射是电磁辐射的一种非弹性散射，诸如在横穿介质时来自激光的激励光。其效果可以概括如下。激励光的大部分入射光子经历弹性散射(称为瑞利散射)，使得散射辐射与入射辐射具有相同的频率。然而，少数入射光子经历非弹性散射，使得发出的光子具有更低或更高的能量，因而导致频率高于和/或低于入射辐射。

非弹性散射是由入射辐射与介质中分子之间的选择性相互作用引起的，这种相互作用对每种形式的化学键都是特定的。在非弹性散射辐射中观察到的频移提供了有关介质组分的信息，例如，特定分子的浓度。通过过滤入射辐射频率，可以将相对较弱的非弹性散射光与相对强的瑞利散射光分离，并且收集非弹性散射光以生成关于介质组分的信息。

拉曼光谱学已成为与原位过程分析结合使用的强大工具。精密的光纤耦合拉曼探针目前用于各种行业的过程取样，包括聚合物、化学、石化、食品和饮料、制药、生物制药和其他生命科学行业。然而，某些过程包括极端的过程条件，包括高温、高压和腐蚀性环境条件，传统的光谱探针无法承受长期的使用。此外，因为传统的光学探针不能承受某些过程条件，所以以前还没有开发用于在此类过程的原位基于拉曼分析的分析方法。

因而，仍然需要在该技术领域做出进一步贡献。

发明内容

本公开的一方面包括一种探针，该探针包括：探针本体，其具有限定近端和远端的中心轴线并且在远端中包括孔口；窗口，其固定在孔口中，其中，窗口基本上是光学透明的；法兰，其邻接探针本体的近端，法兰包括密封表面和密封边缘，其中，法兰将探针的过程中部分与探针的过程后部分分开，过程中部分至少包括探针本体、密封表面和密封边缘；以及轴环，其在探针的过程后部分中邻接与探针本体相对的法兰，其中，探针本体、法兰和轴环限定穿过其中的内部体积，内部体积被配置成容纳光缆，使得光缆可以穿过探针本体、法兰和轴环而与窗口光学连通，并且其中，探针的至少过程中部分基本上由奥氏体不锈钢材料组成。

在实施例中，奥氏体不锈钢材料符合ASTM UNS S31050或AISI 310 MoLN。在进一步的实施例中，奥氏体不锈钢材料符合EN X1CrNiMoN25-22-2或EN 1.4466。在实施例中，探针本体、法兰和轴环由相同的奥氏体不锈钢材料制成。在实施例中，探针本体、法兰和轴环形成一个整体部分。在进一步的实施例中，探针的过程后部分基本上由316型钢材料组成。

在某些实施例中，探针进一步包括：主本体，其具有远端和近端，主本体限定穿过其中的通道，其中，通道被配置成至少将探针本体的近端容纳到主本体的近端中，通道进一步被配置成使光缆能够穿入主本体并连接到探针本体；以及过程连接件，其在主本体的近端处或附近固定到主本体，过程连接件被配置成使得在组装时能够将探针附接到过程的过程连接件，其中，探针的法兰坐靠过程连接件，并且其中，探针可逆地附接在主本体的近端处或附近，使得探针本体从主本体延伸。在进一步的实施例中，探针进一步包括光纤连接件，光纤连接件包括连接到主本体的远端并且被配置成将光缆可逆地附接到探针的互锁。

在实施例中，密封表面适于密封被配置成容纳探针本体的过程容器的或流通池的互补表面。在某些实施例中，窗口由蓝宝石构成。

本公开的进一步方面包括一种用于尿素合成过程的至少一个过程流的在线定量分析的方法。该方法使用光谱系统，该光谱系统包括：窄带光源，其适于产生合适波长的激励光；光学探针，该探针包括：探针本体，其具有限定近端和远端的中心轴线并且在远端中包括孔口；窗口，其固定在孔口中，其中，窗口基本上是光学透明的；法兰，其邻接探针本体的近端，法兰包括密封表面和密封边缘，其中，法兰将探针的过程中部分与探针的过程后部分分开，过程后部分至少包括探针本体、密封表面和密封边缘；以及轴环，其邻接与探针本体相对的法兰，其中，探针本体、法兰和轴环限定穿过其中的内部体积，内部体积被配置成容纳光缆，使得光缆可以穿过探针本体、法兰和轴环而与窗口光学连通，并且其中，探针的至少过程中部分基本上由奥氏体不锈钢材料组成。光谱系统进一步包括：光谱仪，其被配置成从经由探针传送到光谱仪的散射光生成拉曼光谱，光谱仪包括检测器；光缆，其在探针和光谱仪之间进行光通信；以及处理器，其被配置成控制光谱系统并处理和分析拉曼光谱。

该方法包括使用光源产生激励光并经由探针将激励光发射到尿素合成过程的至少一个过程流的过程样品；经由探针用光谱仪的检测器检测散射光，对散射光进行处理，以生成拉曼光谱；使用化学计量模型对拉曼光谱进行建模，该模型包括对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带和对应于羧基形式的原子键的激励的光谱带的转换，使用处理器执行建模；以及，使用拉曼光谱学基于羰基二酰胺键的建模激励确定至少一个过程流中尿素的浓度，其中，除尿素之外并具有羧基的含碳分子的至少一个过程流中的浓度通过拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度，使用处理器执行确定，其中，使用尿素合成过程在100至300巴的压力范围和50至250℃的温度范围内从氨和二氧化碳合成尿素。

在实施例中，从900至1050cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移检测尿素分子的羰基二酰胺键的激励；并且其中，尿素以外的分子是从激励光在1000至1150cm^-1的频率范围内的拉曼位移检测的。在实施例中，处理器进一步被配置成从1350至1750cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移确定氨的浓度。

本公开的进一步方面包括一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在其上存储的指令的非暂时性计算机可读介质，当由至少一个可编程处理器执行时，这些指令使至少一个可编程处理器通过执行方法的操作而执行拉曼光谱分析。在实施例中，所存储的指令包括用于执行操作的指令，包括从1350至1750cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移确定氨的浓度。

附图说明

通过结合附图参考本公开的各种实施例的以下说明，所述实施例和本文所含的其他特征、优点和公开以及获得它们的方式将变得显而易见，并且将更好地理解本公开，其中：

图1是用于执行本公开的方法的系统的实施例的示意图；

图2是用于执行本公开的方法的系统的进一步实施例的示意图；

图3是具有不同尿素和二氧化碳浓度的两种过程流的光谱图；

图4示出了根据本公开的光学探针的透视图；

图5A示出了在线A-A处截取的图5的光学探针组件的横截面图；

图5B示出了图5A的细节D处的光学探针的详图；

图6示出了本公开的探针组件的侧视图；

图7示出了根据本公开的探针组件的透视图；

图8A示出了在线A-A处截取的图6的探针组件的一部分的横截面图；

图8B示出了图8A的细节C处的探针组件的详图；

图9A示出了过程连接法兰的平面图；以及

图9B示出了线B-B处的图9A的过程连接法兰的横截面图；

图10示出了根据本公开确定尿素浓度的方法；以及

图11示出了根据本公开的图1的系统的控制单元的示意图。

具体实施方式

本公开公开了一种光学探针及其使用和构造方法的各种实施例。本公开进一步公开了涉及在高压和高温下从氨和二氧化碳开始的生产工厂中合成尿素的过程流的在线定量分析的方法和模型的各种实施例。根据本公开的一方面，公开了一种被配置成用于拉曼光谱学并且适于尿素合成过程的高压、高温和腐蚀性过程条件的光学探针。

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言对其进行描述。然而，应理解，并不由此旨在限制本公开的范围。

尿素可由氨和二氧化碳合成。相关过程的概述可以在Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5版，卷.A27，段落.3.3中找到。尿素合成过程中可能涉及若干过程流，其对其组分高度敏感，特别是对诸如氨和二氧化碳等反应物的浓度以及对平衡产率有害的水浓度敏感。强烈影响过程的参数包括，例如，氨与碳的摩尔比、水与碳的摩尔比以及碳向尿素的转化率。因此，理想情况下，反应物浓度应被控制在狭窄范围内，以获得最佳性能和最大产率。

一种用于工业生产尿素的尿素合成过程是已知的全循环技术。可替选地，尿素合成可以根据已知的汽提技术执行。汽提工厂的主要部件包括高压合成反应器、汽提塔、氨基甲酸酯冷凝器和可能的洗涤器，它们一起形成高压回路，以及一个或多个在较低压力下运行的回收段。过程流包括例如反应器的、氨基甲酸酯冷凝器的或洗涤器的流出物、离开汽提塔的浓缩溶液，以及来自低压回收段的低压氨基甲酸酯溶液。

高效的合成过程需要监视过程流的组分，以便更好地了解和优化过程，并确保对工厂进行适当的控制。传统的监视技术包括对一个或多个选定过程流的样品进行离线分析。例如，在已知量的水中提取加压过程流的样品，以溶解通过从反应环境中减压而产生的气体，然后在单独的实验室中分析样品。然而，这种技术有若干缺点。由于安全原因，过程流的取样必须由训练有素的人员执行，并且由于挥发性化合物容易损失，因此本质上会受到错误的影响。离线分析在取样和分析之间引入了时间延迟，不适合对不断演变的过程进行及时控制。另一缺点是样品的提取会导致热力学参数的突然变化并影响演变介质的平衡和浓度。因此，样品的组分和分析结果可能会受到影响。

因而，存在执行在线分析以获得相关过程流的实时数据的动机。然而，由于氨基甲酸铵的腐蚀性和尿素合成中涉及的瞬态产物并且由于特别是在高压回路中的温度和压力升高，所以在线分析具有挑战性。例如，离开反应器的溶液通常处于超临界条件下。

先前执行在线分析的尝试包括使用气相色谱技术监视来自反应器的气相。然而，色谱技术仅适用于反应器具有独立出口气体管线的情况。此外，已经发现关于气相组分的信息不适用于生产工厂的在线控制，因为通过之后氨基甲酸酯脱水形成的氨基甲酸铵和形成的尿素在液相中演变。另一缺点是气相色谱技术需要昂贵的维护。

另一种常规技术是实施主要依赖于作为密度的函数间接测量的氨与碳摩尔比(N/C)的过程控制。密度可以通过传统的、相对简单的方式测量，并且N/C比在非常窄的温度和压力范围内与密度呈线性相关。因此，只要温度和压力在一定范围内，就可以以可接受的精度估计N/C比，该技术被认为是可靠的。

然而，反应混合物中氨和碳的摩尔比只是实际控制该过程的参数之一。例如，上述技术不能提供关于水碳比或碳到尿素转化的信息。另外，N/C比仅通过基于密度读数的模型进行测量。模型针对较窄的密度范围进行了调整，因此当实际密度(取决于温度和压力)超出窄范围或接近边界值时，精度可能会受到影响。

在控制循环尿素过程中遇到的另一问题是可能由过程流组分的变化引起的级联效应。例如，反应器的性能受来自低压回收段的氨基甲酸酯再循环流的组分的影响，同时，再循环流的组分也取决于对回收单元供料的高压汽提塔出口处的尿素溶液的组分。然而，所述的传统控制系统不能考虑这种行为。因此，仍然需要一种在线检测与尿素合成中涉及的介质组分有关的详细信息的方法以解决上述问题。

本公开解决了这些问题并提供了一种用于工厂中工业尿素合成过程的改进定量分析以及改进控制和优化的方法、模型、探针和系统。本公开包括拉曼光谱学在尿素合成过程的流的在线定量分析中的应用，以及一种适于承受尿素合成过程的恶劣条件的光学探针。

本公开的一方面是一种对尿素合成过程的至少一个过程流进行在线定量分析的方法，其中，尿素是由氨和二氧化碳合成的，其特征在于使用拉曼光谱学进行在线定量分析，包括经验证以将拉曼光谱数据转换为过程组分(例如，氨、二氧化碳、尿素)和关键性能指标(例如，转化百分比、N/C比、氢/碳摩尔比)的计算模型。方法、探针和模型可以应用于高压和高温合成过程。此外，方法、探针和模型可应用于其中合成压力为100至300巴且温度为50至250℃的尿素过程。因此，至少一个过程流可以具有在上述范围内的压力和温度。

根据本公开的尿素过程的流的拉曼光谱学可以用诸如激光二极管或发光二极管的窄带光源执行。光源发出的激励光聚焦在待分析的过程流区域中。在某些实施例中，光源可以在可见光或近可见光范围内。在某些实施例中，光源是单色的。可见光范围通常应被理解为波长为390至700纳米(nm)。近可见光范围通常应被理解为波长为300nm至1.4微米(μm)。在至少一个实施例中，该方法用波长在300至1400nm之间或进一步在400至1000nm之间的单色光源执行。例如，本公开的系统的实施例包括785nm的激光源。

申请人已经发现参与尿素合成的分子，包括尿素、氨基甲酸铵、碳酸盐和碳酸氢盐以及氨，提供了选择性和可区分的拉曼散射。本公开的系统和方法使用拉曼光谱学来收集关于以重量计(例如，wt％)的目标分子的浓度的定量信息。本公开的方法可以用于确定过程流中所含的尿素、二氧化碳和/或氨中的至少一种的浓度。

本公开的另一方面是溶液化学物质的建模(例如，化学计量学)，这对于拉曼光谱学的应用是有利的。因而，参考下列组分对化学物质进行建模：1)第一组分表示羰基二酰胺式中转化的碳的形式；第二假组分表示所有形式的未转化碳，诸如氨基甲酸酯、碳酸盐和碳酸氢盐等，假定为等效的单组分；第三假组分表示不属于尿素分子的所有形式的氮，以氨形式游离或以氢氧化铵形式结合，或以盐形式，如碳酸铵、碳酸氢盐和氨基甲酸酯。

在下文说明中，第一组分称为尿素，第二组分称为二氧化碳，第三组分称为氨。上述化学计量模型可以应用于任何过程流，例如，应用于来自反应器或来自汽提塔的溶液流出物。

申请人已经发现尿素浓度可以与对应于羰基二酰胺键的激励的特征拉曼谱带相关联。羰基二酰胺键存在于尿素分子中，并且在本公开中的目标是将尿素与其他形式的未转化碳(诸如二氧化碳)区分开来。其他形式的未转化碳的行为与拉曼散射不同，拉曼散射是主要为羧基形式的分子(碳酸盐、碳酸氢盐和氨基甲酸酯)内的原子键。本公开的方法包括使用对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带的检测来检测过程流中的尿素浓度。除了尿素(未转化的碳)之外的含碳分子的浓度可以被确定为对应于羧基形式中的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度。

根据本公开的一方面，这些组分可以如下检测：第一组分(例如，“尿素”)可以通过羰基二酰胺键的激励利用频率范围从900到1050cm^-1的合适入射激励光的拉曼位移来识别；第二组分(例如“二氧化碳”)，包括未转化形式的碳，更特别地从1000至1150cm^-1被发现具有拉曼反应性；第三组分(例如“氨”)，包括其他形式的氮(尿素除外)，可以通过1350到1750cm^-1的频率范围内的拉曼激励加以检测。按照光谱学领域的惯例，频率范围以cm^-1表示。入射激励光可以具有大约785nm的波长。

在其中尿素和氨基甲酸铵混合在一起的复杂混合物中，上述频率范围识别样品中的所有氮形式，包括那些属于尿素分子的形式。一旦通过其特定频率了解第一组分的浓度，就可以通过减去第一组分(“尿素”)对信号强度的贡献来检测第三假组分(“氨”)。

该方法可以应用于在高压和高温下合成尿素的任何工业过程，包括但不限于全循环过程和汽提过程，诸如CO₂汽提和自汽提。在实施例中，该方法应用于在100-300巴范围内的压力和50-250℃范围内的温度下发生尿素合成的过程。

根据实施例，可以直接对主过程流执行拉曼分析。在这样的实施例中，合适的探针直接安装在相关的主过程管道上。根据其他实施例，还可以对取自主过程管道的侧流执行分析。这样的实施例可以提供对系统更安全和更容易的检查和维护。在这样的实施例中，分析系统可以包括取样室。

本发明的另一方面是一种根据所附权利要求所述的用于控制尿素的合成的工厂的方法。用于控制尿素合成过程的方法利用拉曼光谱学来实时分析过程的至少一种且在某些实施例中是过程的更多流的组分。过程可以是用于工业生产的任何已知尿素过程，包括汽提和非汽提过程。

本公开的进一步方面是根据所附权利要求所述的用于控制和优化尿素合成工厂的装置。拉曼光谱学分析提供的信息可以用于自动控制和优化工厂。

本公开的装置可以包括一个或多个探针，其中，探针或每个探针被布置成将来自光源的激励光聚焦到聚焦区域，聚焦区域包括过程流中的至少一个，并且捕获和返回拉曼散射光。

至少一个探针可以是高压光学探针，其适于将激励光聚焦在来自合成反应器的出口流、来自高压汽提塔的出口尿素溶液流和从回收段到合成单元的氨基甲酸酯再循环流中。每个探针可以经由光纤电缆连接件连接到光谱分析仪。

本公开的显著优点是尿素合成中涉及的流的组分的在线定量检测和关于过程性能的实时信息的收集，不仅在氨与碳的摩尔比方面，而且在水碳比和碳转化为尿素方面。

与现有技术系统相比，本公开通过连续监视方便的过程流的组分进一步实现了工厂的改进优化，这些过程流通过级联效应相互结合，允许实时控制工厂以预测由于基本流的组分和参数变化而可以预测的恶化的影响。相关益处包括提高过程的整体稳定性、最大限度地降低停机风险、提高转化率、降低能耗并减少污染物。

图1示出了根据本公开的实施例的光谱系统100，其包括控制单元1和具有合适的相应光缆2的多个探针3。探针3可以安装在尿素工厂的选定过程管道4上，每个过程管道4承载相应的过程流5。过程管道4可以是例如通向高压合成回路或通向尿素工厂的回收段的管道或管线。在这样的实施例中，过程流5可以包括尿素、水、氨、氨基甲酸铵、二氧化碳以及合成过程中可能涉及的其他化学化合物。

例如，过程管道4可以包括以下中的一个或多个：反应器的流出管道(例如，承载尿素、未转化的氨基甲酸酯和游离氨的水溶液)、来自高压汽提塔的流出管道、或在高压泵输送时回收氨基甲酸酯的管道。过程流5可以具有升高的温度和压力。例如，过程流5可以具有高达300巴的压力和高达250℃的温度。

在本公开的至少一个实施例中，如图11中所示，控制单元1可以包括经由光缆2与光学探针3光学连接的光谱仪110。光谱仪110可以包括光学部件112和检测器114，检测器114被配置成接收和检测经由光缆2从光学探针3散射的光。光学部件112可以包括一个或多个透镜、滤光器、分束镜和/或衍射光栅，其被配置和布置成仅将拉曼散射光引导至检测器114。在某些实施例中，控制单元1可以包括适用于执行拉曼光谱的常规光谱仪学。在至少一个实施例中，控制单元1可以包括合适的拉曼光谱分析仪。

控制单元1可以进一步包括激励光源120，例如，激光发射器，如本文进一步所述的，光源120经由光缆2与探针3光通信。在某些实施例中，控制单元1可以包括与光缆2光通信的内部光缆122。可替选地，在某些实施例中，内部光缆122可以是光缆2的近端。

控制单元1可以进一步包括控制器130，控制器130被配置成处理和分析检测器114从探针3接收到的散射光。控制器130可以进一步被配置成控制系统100和光谱仪110，以执行本公开的方法并且分析由系统100按照本公开的模型生成的数据(例如，光谱)，从而执行该方法。控制器130可以与尿素工厂(未示出)的控制系统通信。

控制器130可以被配置成执行如本文进一步所述的某些操作，并且可以是包括一个或多个具有存储器、处理和/或通信硬件的计算设备的处理子系统的一部分。控制器130可以是单个设备或分布式设备，并且控制器130的功能可以由硬件和/或软件来执行。控制器130可以包括一个或多个算术逻辑单元(ALU)、中央处理单元(CPU)、存储器、限制器、调节器、滤波器、格式转换器等，为了保持清晰而未示出。在实施例中，控制器130可编程以根据由诸如软件或固件的编程指令定义的操作逻辑来执行算法并处理数据。可替选地或另外，控制器130的操作逻辑可以至少部分地由硬连线逻辑或其他硬件定义，例如，使用任何合适类型的专用集成电路(ASIC)定义。本领域技术人员和从本公开受益的人员应理解，控制器130可以专门用于执行所公开方法的操作，或者可以进一步用于系统100的一个或多个其他子系统或方面的调节、控制和激活。

对于图1中所示的每个过程流5，由控制单元1发射的激励光6经由光纤电缆2被传送到过程流5中的探针3的聚焦区域(例如，焦点)。聚焦区域由探针3形成，使得激励光6入射到相应过程流5的介质(例如，流体或气体)上。然后，根据拉曼效应，大部分入射的激励光6经历弹性散射(例如，瑞利散射)，因此，这些散射光将具有与入射光相同的波长。激励光6的一小部分经历拉曼散射，因此将表现出波长/频率位移。位移的程度取决于流5的组分。一部分散射光作为信号从探针3经由光缆2传送回主控制单元1。控制单元1的光谱分析仪从弹性光中分离出定义拉曼信号的非弹性散射光，并检测拉曼信号。检测到的拉曼信号的强度和波长由光谱分析仪处理，光谱分析仪可以集成在控制单元1中，以测量目标化合物(例如尿素、二氧化碳和氨)的浓度。

图2示出了本公开的进一步实施例，其中对被测介质的侧流5a执行拉曼信号分析。在这样的实施例中，系统100包括经由进入阀11连接到过程管道4的取样室10。探针3安装在取样室10上。侧流5a被从过程管道4取出并经由阀11传送到取样室10。可以使用与关于图1所述的相同方法对包含在取样室10中的介质执行分析(例如，拉曼分析)。随后或连续地，介质可以经由排放阀12从取样室10排放到工厂的低压段、废液出口或任何合适的位置。系统100的这样的实施例可以对过程和/或过程管道4的侵入较小。取样室10使得能够经由阀11安全地进入系统100，而不影响过程管道4(广泛地是尿素工厂)的操作。

图3示出了示例性拉曼分析的图，包括：第一光谱I，其涉及含有超过70％尿素和小于1％的伪组分CO₂(如本文定义)的样品；以及第二光谱II，其涉及含有少于5％尿素和超过10％伪组分CO₂的样品。这些图示出了大约1000cm^-1处的尿素带和大约1050cm^-1处的CO₂带(样品II)。相对于伪组分“氨”在1400至1650cm^-1附近的带也清晰可见。

在根据本公开的至少一个实施例中，在控制单元1中实施的逻辑算法可以生成至工厂致动器的信号，从而控制流5以基于拉曼分析优化尿素工厂的操作和尿素合成过程的效率。

由于操作参数的偏差，高压汽提塔出口处尿素溶液组分的扰动可能会动态地影响氨基甲酸酯再循环流的组分，并在一定的动态之后，再次影响反应器的性能及其出口组分。例如，如果检测到汽提塔出口处的组分存在偏差，则逻辑算法可以起作用以防止氨基甲酸酯组分变化并最终影响反应器性能。

示例

对用于生产尿素的工业工厂中的过程流进行了实验研究。选择过程流以包含不同浓度的尿素、二氧化碳和氨，并按照下文进行相同的分析过程。使用了光学探针3(本文进一步描述的)和785nm激光源。本实验示例中虽然选择了785nm的激光，但是本发明的方法也可以扩展到上述其他单色激光。光学探针3通过大约5米长的光纤电缆2连接到控制单元1的光谱分析仪。

将样品放入10ml体积的玻璃容器中。应用光屏蔽系统将样品与环境光污染隔离。使用光谱分析仪的检测器对每个样品进行一分钟曝光，并且每个样品的测量至少重复5次。上述过程用于获取光谱，诸如图3中所示的那些光谱，所获取的光谱清楚地显示了对应于尿素和CO₂假组分的峰。

图4示出了根据本公开的至少一个实施例的光学探针200。在至少一个实施例中，光学探针200适用于拉曼光谱学并且可以用在图1和图2的探针3的系统100中。如图4中所示，光学探针200包括被具有探针密封表面220的法兰212分离的过程后(即，过程之外)部分204和过程中部分202。过程后部分204可以包括轴环214中的扳手平面218，扳手平面218被配置成互补工具，由此促进将探针200安装在探针组件中。

过程中部分202包括在探针本体210的远端处终止于探针顶端206中的细长探针本体210。光学探针200可以包括内部光学器件和光学接口(未示出)，其适于在被测过程或过程样品中的聚焦区域处瞄准由光缆340传输的激励光(如图5A中所示)，并将从聚焦区域散射的光通过光学探针200和光缆2传输回控制单元1。

光学探针200包括安装在探针顶端206中的孔口中的窗口216。窗口216适于传输由控制单元1的光源发出并经由光缆2传送到光学探针200的激励光。窗口216进一步适于通过光学探针200将来自过程的待分析的散射光经由光缆2传输到系统100的控制单元1，以进行处理和分析。窗口216可以压合到探针顶端206，而不需要铜焊、焊料、焊接填料或其他会损害光学探针200的耐腐蚀性的密封剂化合物。

窗口216至少对激励光和拉曼散射光基本上是光学透明的。例如，窗口216可以对光源的可见光、近红外光和/或红外光透明。在实施例中，窗口216可以是蓝宝石窗口。在某些实施例中，窗口216可以由玻璃(即，非晶玻璃)、玻璃陶瓷(即，至少部分结晶的玻璃)、金刚石、晶体石英、硅、锗、氮化镓(GaN)晶体、AlN晶体、光学超材料、透明陶瓷，诸如蓝宝石(即，单晶氧化铝)、铝酸镁尖晶石(MgAl₂O₄)、氧氮化铝尖晶石(Al₂₃O₂₇N₅，通常称为AlON)或其他合适的透明材料，以及这些材料中的两种或多种的组合组成。

窗口216可以适用于至少160巴和至少185℃的操作条件。在进一步的实施例中，窗口216可以适用于100-300巴范围内的压力和50-250℃范围内的温度的操作条件。窗口216可以包括在其上的涂层或处理，包括抗反射、疏水、疏油和/或排斥涂层或处理。例如，在实施例中，窗口216可以包括由Aculon公司制造的玻璃排斥处理。

图5A示出了沿光学探针200的中心轴线224的横截面图。如图5A中所示，在某些实施例中，探针本体210、法兰212和轴环214可以被制造成形成一个整体部件。在可替选实施例中，探针本体210、法兰212和轴环214可以由一个或多个单独的部件组成并组装在一起。

探针本体210在探针本体210内限定内部体积208，内部体积208被配置成容纳光缆340。在某些实施例中，内部体积208进一步被限定为穿过法兰212和轴环214，如图5A中所示，由此使光缆340能够穿过光学探针200并与窗口216进行光通信。在至少一个实施例中，光缆340是与光缆2分离的一段光纤，其具有被配置成确保光缆340和光缆2之间的光通信的接口连接。在进一步的实施例中，光缆340是光缆2的远端部分。

图5B是光学探针200的法兰212的图5A的细节D处的详细横截面图，其中，详细地示出了探针密封表面220和法兰212的密封边缘222。如图5B中所示，在实施例中，密封表面220可以相对于法兰212和探针本体210成一定角度。在进一步的实施例中，密封表面220可以具有任何合适的轮廓，以与互补密封表面配合并座靠在互补密封表面上，如本文进一步所述的。

图6示出了根据本公开的至少一个实施例的探针组件300。如图6中所示，探针组件300包括光学探针200。探针组件300可以包括在主本体310的近端处连接到过程连接法兰314的主本体310和在远端处的光纤连接件320。过程连接法兰314可以被配置成便于将探针组件300连接到过程容器，诸如过程管道4，如图1中所示。在本公开的实施例中，过程容器可以是过程管道4、反应器容器、反应器室、测量室或工业过程工厂，例如尿素厂的任何相关子系统。

主本体310限定了内部通道(未示出)，其中至少可以布置光学探针200的过程后部分204，并且光缆340可以从光纤连接件320穿过该内部通道到光学探针200，由此使得能够将光缆340连接到内部通道内的光学探针200。探针组件300和光学探针200可以各自形成为单独的、无缝的、一体的本体，以最小化或消除焊缝。

光纤连接件320可以包括光纤互锁322，其被配置成固定系统100的光缆2，从而与光学探针200进行光通信。光纤连接件320可以进一步包括互锁指示器324，其被配置成在光纤互锁322已经将光缆2适当地固定在光纤连接件320中时向操作员发出指示，由此在光源与光学探针200进行光通信时发出信号。在至少一个实施例中，光缆340是与光缆2分离的一段光纤，其在光纤连接件320中具有接口，接口被配置成确保光缆340和光缆2之间的光通信。在进一步的实施例中，光缆340是光缆2的远端部分，光纤连接件320被配置成规定光缆2到光学探针200的线路。

在近端处或附近，主本体310可以包括法兰止挡312和适于促进将光学探针200组装到探针组件300中的区域。例如，该区域可以包括扳手平面316，如图6中所示。

如图6中所示，光学探针200的探针本体210可以从探针组件300的主本体310的过程后部分延伸到待分析的过程中。在这样的实施例中，探针本体210延伸到过程中，使得激励光6在聚焦区域处被发射到过程中，并且使得来自过程的散射光从聚焦区域通过窗口216，经由光缆2或光缆2、340被引导到控制单元1。

在某些实施例中，具有窗口216的探针本体210可以延伸到过程中流通池330的测量室332中，流通池330被配置成与探针组件300接口连接，例如，如图7中所示。流通池可以包括至测量室332的进口334和自测量室332的出口336。

图8A示出了沿探针组件300的一段的线AA的横截面图，其包括具有测量室332的流通池330、光学探针200以及本体310的一段。流通池330可以被布置在过程中(例如，过程中)并且与过程连通，使得过程成分(例如，过程反应物和/或产物)可以分别经由进口334和出口336流入和流出测量室332。出口336可以与过程或与可替选的过程流连通。在某些实施例中，出口336可以与废液管线连通，使得来自测量室332的样品不被引导回过程中。在某些实施例中，测量室332至少可以与过程流体连通，使得来自过程的样品被输送到测量室332，使得样品代表过程的温度、压力和成分。在进一步的实施例中，测量室332可以与探针组件300的过程中部分成为一体并且被限定在其中。

流通池330可以进一步包括过程连接件338。在至少一个实施例中，过程连接件338可以被配置成便于将流通池330附接到过程容器(未示出)。在这样的实施例中，过程连接件338可以被配置成与探针组件300的过程连接件314接合，过程容器的壁在其间，如图8A中所示。例如，过程容器的壁可以夹在流通池330的过程连接件338和探针组件300的过程连接件314之间，使得光学探针200的主本体210穿过壁中的孔口。在这样的实施例中，过程连接件338和过程连接件314与过程容器充分密封，以防止来自过程容器的过程介质(可能处于高温和高压下)在流通池330周围泄漏到过程后一侧和环境。

图8B示出了探针组件300的主本体310、探针200的过程后部分204和流通池330之间的示例性接口在细节C处的详细横截面图。在实施例中，如图8B中所示，在探针主体210的近端处或附近的光学探针200和在其近端处的主本体310可以包括互补和配合螺纹344，使得光学探针200可以通过接合每一个的互补和配合的螺纹而附接到主本体310。光学探针200可以进一步包括密封件346，密封件346被配置成隔离探针组件300的过程后部分和过程中部分。密封件346被配置成防止来自过程容器的介质(可能处于高温和高压下)通过探针组件300泄漏到过程后一侧和环境。

如图8B中所示，在组装时，光学探针200的密封表面220可以抵靠流通池330的互补密封表面342就位和密封。在这样的实施例中，密封表面220和密封表面342可以通过压紧力彼此压靠。例如，压紧力可以由通过过程连接件314和过程连接件338附接的紧固件产生。如图8B中的带角度表面所示，密封表面220可以垂直于光学探针200的中心轴线224，或者为根据操作密封接口的需要与配合密封表面342互补的任何合适的形状因数。

图9A示出了探针组件300的过程连接件314的平面图。如图9A中所示，过程连接件314可以包括多个紧固件孔348，这些紧固件孔348被配置成用于螺栓、螺钉或其他合适的紧固件，以便于将探针组件300附接到过程容器。过程连接件314可以进一步包括中心通孔349，其适于使光学探针200能够穿过过程连接件314并进入过程或流通池330。在实施例中，通孔349可以进一步适于使光学探针200能够抵靠过程连接件314就位和密封。图9B示出了在图9A的线B-B处的过程连接件314的横截面图。

在本公开的至少一个实施例中，光学探针200、探针组件300和流通池330的至少某些部件可以由能够承受可能存在于过程容器和/或测量室332内的高温、高压和/或腐蚀性过程条件的材料制成。例如，如本文进一步所述的，尿素合成过程包括这样的条件。在本公开的至少一个实施例中，光学探针200和流通池330的至少某些部件，例如，与过程和过程介质直接接触的部件(例如，润湿的部件)可以由奥氏体不锈钢制成，包括但不限于符合ASTMUNS S31050或AISI 310 MoLN级不锈钢的材料，具有EN名称X1CrNiMoN25-22-2或1.4466。这样的实施例使光学探针200，特别是光学探针200的润湿部件能够承受尿素合成过程的严酷温度、压力和腐蚀条件。在实施例中，可能不是润湿部件的过程连接件314可以是316型不锈钢(例如，316L型)、钛或其他合适的材料。进一步的实施例可以包括能够承受至少在100和300巴之间的压力和在至少50至250℃范围内的温度下的腐蚀环境的材料。

在本公开的另一方面，光谱系统100可以适于执行本公开的方法400，以在线定量分析尿素合成过程的至少一个过程流，其中，尿素由氨和二氧化碳在100至300巴范围的压力和50至250℃范围的温度下合成。在根据图10的实施例中，方法400包括使用拉曼光谱学进行这样的在线定量分析。系统100可以包括：光谱仪110；探针组件300，其包括光学探针200；以及计算机硬件，其被配置成诸如控制器130，如图11中所示，以执行方法400的操作，包括步骤410，产生激励光并在光学探针200的聚焦区域处将激励光发射到过程流的过程样品。方法400可以包括步骤420，经由探针组件300和光缆2在拉曼光谱仪处接收拉曼散射光，并处理拉曼散射光以产生拉曼光谱。

方法400可以进一步包括步骤430，使用本公开的化学计量模型对拉曼光谱建模，模型包括对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带和对应于羧基形式的原子键的激励的光谱带的转换，其中，除尿素外并具有羧基的含碳分子在过程流中的浓度由拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度。化学计量模型包括一个或多个算法，这些算法使用拉曼光谱形式的一组特定数据来预测潜在过程和/或材料的特定数量和/或特性。这样的算法包括主成分分析、多元回归、多元线性回归、偏最小二乘回归、间接硬建模和其他合适的统计方法。在至少一个实施例中，尿素分子的羰基二酰胺键的激励由激励光在900至1050cm^-1的频率范围内的拉曼位移检测到，而除尿素以外的分子由激励光在1000至1150cm^-1的频率范围内的拉曼位移检测到。在实施例中，氨的浓度由激励光在1350至1750cm^-1的频率范围内的拉曼位移确定。

在至少一个实施例中，方法400可以包括步骤440，使用拉曼光谱学并通过检测对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带来确定过程流中的尿素浓度，其中，在除尿素之外并具有羧基的含碳分子在过程流中的浓度通过拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度。在进一步的实施例中，方法400可以包括提供如通过非限制性示例在本文中关于光谱系统100所述的光谱系统。

在本公开的进一步方面，一种计算机程序产品，包括存储在其上存储的指令(例如，软件)的非暂时性计算机可读介质，被配置成使得当由至少一个可编程处理器执行时，引起至少一个可编程处理器执行方法400的操作。本文中使用的术语“非暂时性”是对介质本身的限制(即，有形的，不是信号)，而不是对数据存储持久性的限制(例如，RAM与ROM)。

在至少一个实施例中，计算机程序产品可以包括指令以：产生激励光并在光学探针200的聚焦区域处将激励光发射到过程流的过程样品；经由探针组件300和光缆2在拉曼光谱仪处接收和检测拉曼散射光，并处理拉曼散射光以产生拉曼光谱；使用本公开的化学计量模型对拉曼光谱进行建模，模型包括对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带和对应于羧基形式的原子键的激励的光谱带的转换；以及使用拉曼光谱学并通过检测对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带来确定过程流中尿素的浓度，其中，除尿素之外并具有羧基的含碳分子在过程流中的浓度由拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度。在至少一个实现方式中，在100至300巴范围内的压力和50至250℃范围内的温度下使用尿素合成过程由氨和二氧化碳合成尿素。

虽然本文已经相当详细地描述了拉曼光学探针、探针组件、拉曼光谱系统以及使用和构造它们的方法的各种实施例，但是这些实施例仅作为本文所述的公开的非限制性示例提供。因此应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出各种改变和修改，并且可以用等效物替代其元素。本公开并非旨在穷举或限制本公开的主题的范围。

此外，在描述代表性实施例时，本公开可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤顺序。然而，就方法或过程不依赖于本文阐述的特定步骤顺序而言，方法或过程不应限于所述的特定步骤顺序。其他步骤顺序也是可能的，因而仍在本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种探针，包括：

探针本体，所述探针本体具有限定近端和远端的中心轴线并且在所述远端中包括孔口；

窗口，所述窗口固定在所述孔口中，其中，所述窗口基本上是光学透明的；

法兰，所述法兰邻接所述探针本体的近端，所述法兰包括密封表面和密封边缘，其中，所述法兰将所述探针的过程中部分与所述探针的过程后部分分开，所述过程中部分至少包括所述探针本体、所述密封表面和所述密封边缘；以及

轴环，所述轴环在所述探针的过程后部分中邻接与所述探针本体相对的法兰，

其中，所述探针本体、所述法兰和所述轴环限定穿过其中的内部体积，所述内部体积被配置成容纳光缆，使得所述光缆能够穿过所述探针本体、所述法兰和所述轴环而与所述窗口光学连通，并且

其中，所述探针的至少所述过程中部分基本上由奥氏体不锈钢材料组成。

2.根据权利要求1所述的探针，其中，所述奥氏体不锈钢材料符合ASTM UNS S31050或AISI 310 MoLN。

3.根据权利要求1所述的探针，其中，所述奥氏体不锈钢材料符合EN X1CrNiMoN25-22-2或EN 1.4466。

4.根据权利要求1所述的探针，其中，所述探针本体、所述法兰和所述轴环由相同的奥氏体不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的探针，其中，所述探针本体、所述法兰和所述轴环形成一个整体部分。

6.根据权利要求1所述的探针，其中，所述探针的过程后部分基本上由316型钢材料组成。

7.根据权利要求1所述的探针，进一步包括：

主本体，所述主本体具有远端和近端，所述主本体限定穿过其中的通道，其中，所述通道被配置成至少将所述探针本体的近端容纳到所述主本体的近端中，所述通道进一步被配置成使光缆能够穿入所述主本体并连接到所述探针本体；以及

过程连接件，所述过程连接件在所述主本体的近端处或附近固定到所述主本体，所述过程连接件被配置成使得在组装时能够将所述探针附接到过程的过程连接件，其中，所述探针的法兰坐靠所述过程连接件，并且

其中，所述探针可逆地附接在所述主本体的近端处或附近，使得所述探针本体从所述主本体延伸。

8.根据权利要求7所述的探针，进一步包括：

光纤连接件，所述光纤连接件包括连接到所述主本体的远端并且被配置成将光缆可逆地附接到所述探针的互锁。

9.根据权利要求1所述的探针，其中，所述密封表面适于密封被配置成容纳所述探针本体的过程容器的或流通池的互补表面。

10.根据权利要求1所述的探针，其中，所述窗口由蓝宝石构成。

11.一种用于尿素合成过程的至少一个过程流的在线定量分析的方法，所述方法包括：

提供光谱系统，所述光谱系统包括：

窄带光源，所述窄带光源适于产生合适波长的激励光；

光学探针，所述探针包括：

探针本体，所述探针本体具有限定近端和远端的中心轴线并且在所述远端中包括孔口；

窗口，所述窗口固定在所述孔口中，其中，所述窗口基本上是光学透明的；

法兰，所述法兰邻接所述探针本体的近端，所述法兰包括密封表面和密封边缘，其中，所述法兰将所述探针的过程中部分与所述探针的过程后部分分开，所述过程后部分至少包括所述探针本体、所述密封表面和所述密封边缘；以及

轴环，所述轴环邻接与所述探针本体相对的法兰，

其中，所述探针本体、所述法兰和所述轴环限定穿过其中的内部体积，所述内部体积被配置成容纳光缆，使得所述光缆能够穿过所述探针本体、所述法兰和所述轴环并且与所述窗口光学连通，并且其中，所述探针的至少所述过程中部分基本上由奥氏体不锈钢材料组成；

光谱仪，所述光谱仪被配置成从经由所述探针传送到所述光谱仪的散射光生成拉曼光谱，所述光谱仪包括检测器；

光缆，所述光缆在所述探针和所述光谱仪之间进行光通信；以及

处理器，所述处理器被配置成控制所述光谱系统并处理和分析所述拉曼光谱；

使用所述光源产生所述激励光并经由所述探针将所述激励光发射到尿素合成过程的至少一个过程流的过程样品；

经由所述探针用所述光谱仪的检测器检测所述散射光，并且对所述散射光进行处理，以生成拉曼光谱；

使用化学计量模型对所述拉曼光谱进行建模，所述模型包括对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带和对应于羧基形式的原子键的激励的光谱带的转换，使用所述处理器执行所述建模；以及

使用拉曼光谱学基于羰基二酰胺键的建模激励确定所述至少一个过程流中的尿素的浓度，其中，所述至少一个过程流中除尿素之外并具有羧基的含碳分子的浓度通过拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度，使用所述处理器执行所述确定，

其中，使用所述尿素合成过程在100至300巴的压力范围和50至250℃的温度范围内从氨和二氧化碳合成尿素。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，从900至1050cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移检测尿素分子的羰基二酰胺键的激励；并且

其中，尿素以外的分子是从1000至1150cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移检测的。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述处理器进一步被配置成从1350至1750cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移确定氨的浓度。

14.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在其上存储的指令的非暂时性计算机可读介质，当由至少一个可编程处理器执行时，所述指令使所述至少一个可编程处理器通过执行操作而执行拉曼光谱分析，所述操作包括：

使用光源产生激励光并经由探针将所述激励光发射到尿素合成过程的至少一个过程流的过程样品；

经由所述探针用光谱仪的检测器检测来自所述至少一个过程流的散射光，对所述散射光进行处理，以生成拉曼光谱；

使用化学计量模型对所述拉曼光谱进行建模，所述模型包括对应于羰基二酰胺键的激励的光谱带和对应于羧基形式的原子键的激励的光谱带的转换；以及，

使用拉曼光谱学基于羰基二酰胺键的建模激励确定所述至少一个过程流中的尿素的浓度，其中，所述至少一个过程流中除尿素之外并具有羧基的含碳分子的浓度通过拉曼光谱学确定为对应于羧基形式的原子键的激励的二氧化碳的等效浓度，

其中，使用所述尿素合成过程在100至300巴的压力范围和50至250℃的温度范围内从氨和二氧化碳合成尿素。

15.根据权利要求14所述的计算机产品，其中，所述存储的指令包括用于执行操作的指令，所述操作包括从1350至1750cm^-1的频率范围内的激励光的拉曼位移确定氨的浓度。

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