用NIR光谱法测量烃类气流

引导波的产品系列包括近红外（NIR）双光束光谱仪，NIR-O™和多波长光度计，CLEARVIEW^®DB，非常适合测量许多烃类气流。

引导波的NIR的仪器能够通过利用使用光纤与导向波分析仪系统结合的长路径气体细胞来制造气流中的定性和定量测量。

在下面的文章中，将讨论在各种条件下使用导波硬件和软件工具来测量烃类气体。与传统方法相比，近红外测量能够用于过程的实时监测，节省了时间和金钱。

NIR在线过程分析器NIR-O（光谱仪）ClearView DB（光度计）

背景

电磁波谱的近红外部分接受泛音和C-H、O-H和N-H基元的组合带的使用。通过测量已确定浓度的气体样品序列的近红外光谱，可以创建一个定量模型，该模型将允许仅基于其近红外光谱对即将到来的样品进行测量。

导波分析系统利用光纤，便于将样品探针放置在危险的位置，远离分光光度计本身。

大多数近红外光谱分析是在液体样品上进行的，其中阻碍旋转模糊了任何旋转的精细结构，造成宽峰。另一方面，气体具有高分辨的旋转振动(ro-振动)精细结构。

大多数近红外过程光谱仪和光度计是低分辨率的机器，因此不能分辨精细的光谱，但可以作为集成的P, Q和R波段记录光谱。当研究气体时，重要的是要记住下面的实际光谱是一系列复杂的窄尖峰。

对于气体需要更长的探针长度，因为气体和蒸汽的分子密度显着低于液体。可以在25至100cm内的探针路径长度获取高标准的气体光谱。

除了较低的密度外，密度还根据理想气体定律随温度和压力波动。光谱仪测量光束中的分子数量，然而，为了准确量化气体混合物，测量温度和压力可能是必不可少的。

气相光谱的另外势不一的方面是光谱取决于压力和温度。由于压力宽泛，致振动线响应越来越大的压力而宽。对于一阶效果，用低分辨率光谱仪看到的集成吸收应保持与压力增加相同，但可能需要考虑的二阶效应并添加到建模努力中。

温度可以引起一个大问题。随着温度的升高，一些多原子分子将会有较低的弯曲模带，这些模带的玻尔兹曼热居数将会增加。这些组合“热”带将出现在光谱中，从基本基态跃迁带抢夺强度(居数)。最好的方法是在一个温度下校准气相测量，并在过程测量中保持那个温度。

最后，因为RO-Viblation IR频谱需要偶极矩中的交替，但并非所有分子都显示IR或NIR光谱。同核分子，如n₂，O.₂, Cl₂,和H₂，缺乏偶极矩，因此没有红外光谱。幸运的是，大多数碳氢化合物和其他几种其他重要气体如nh_3.、有限公司₂， H₂o等具有强烈的红外光谱，因此具有强烈的IR光谱。不幸的是，几种常见的硫化合物具有弱红外光谱和一致较弱的NIR光谱。

实验

使用一个导波模型NIR-O过程光谱仪，在1,550至1,900nm之间测量不同烃集合的气相NIR光谱。利用与25cm路径长度利用在线处理探针收集的许多短链烷烃的吸光度光谱如图1所示。

图1．气相近红外光谱-短链烷烃

甲烷具有最独特的光谱，但这是意料之中的，因为它是最简单的，惯性矩最小。本研究集中在1700 nm附近的C-H拉伸带的第一个泛音区。乙烯和丙烯的区别如图2所示。通常，烯烃在1625纳米处有一个强能带。

图2．气相近红外光谱-乙烯，丙烯

这在图3中其他一些烯烃的气相谱中也有说明。

图3．蒸气阶段NIR光谱 - Olefi NS

相对于爆炸下限(LEL)的浓度是烃类蒸汽普遍关注的问题，特别是在周围的空气混合物中。表1展示了在这些条件下一些轻烃的检测极限:仪器信噪比为40µAU，最小浓度等于10倍信噪比或400µAU，路径长度为1 m，在20℃下整洁的样品条件。注意，所有的检测限都大大低于各自的LEL。

表格1。蒸汽检测极限

	波长	吸收	检测	检测
	马克斯Abs。	系数	限制	限制	leel.
	纳米	au / kpa / cm	KPA.	ppm-V	ppm-V
甲烷	1665.	0.000064	0.063	618	50000
乙烷	1680.	0.000129	0.031	307.	30000
丙烷	1690	0.000159.	0.025	248	21000
丁烷	1714	0.000154.	0.026	257	18000
乙烯	1619	0.000171	０．０２３	231	31000.
丙烯	1695	0.000208	0.019	190	20000
1-Butene	1693	0.000180	0.022	220.	16000
1,三	1625	0.000376.	0.011	105.	20000
Cis-2-Butene	1696	0.000353	0.011	112	18000
异丁烷	1695	0.000192	0.021	206.	14000.
异丁烯	1687.	0.000197	0.020	200.	16000
Trans-2-Butene	1701	0.000241	0.017	164	18000

在氮气中使用丁烷进行另一系列测试，以研究自我和异物扩大问题。吸收系数的变化也受到碰撞能量转移的影响。除了用n缓冲的各种固定水平之外，还记录了整齐的丁烷至1个atm₂到1个atm。图4显示了研究的浓度基质。

图4．丁烷浓度矩阵

分析

采用基础数据分析方法，建立了N₂．预测纯丁烷浓度可达100 kPa并不复杂。图5显示了四波长模型的回归结果。定量为±0.46 kPa左右。

图5．丁烷的结果

在n的恒定总压力下检查丁烷浓度₂对于丁烷的稀混合物，基质与吸光度呈合理的线性关系。如图6所示，当加宽和能量转移机制从外来气体转移到自加宽时，丁烷含量超过80%的混合物会发生相当大的发散。

一个二次方程被用来模拟这个非线性。图6展示了在总压力下，除了线性和二次项外，使用两个波长模型对所有非齐整丁烷数据进行回归所产生的回归结果。浓度估计为±3kpa。

图6．总压强不变的丁烷

讨论

所呈现的数据表明，整洁的蒸汽和气体能够通过NIR光谱法测量，以优于500ppm-m。此外，数据表明，异物碰撞能量转移显着改变吸收系数。异质气体诱导的光谱形状的变化很小但可测量（并且能够被建模）。

结论

这里已经表明，简单的烃类气体和蒸汽有一种近红外光谱，能够很容易地测量，具有杰出的灵敏度。对于简单的系统，定量混合分析可以通过选择几个策略波长并进行简单的线性回归来实现。的ClearView DB.是一个成本效益的解决方案，简单系统利用离散波长。

线性方法仍然可以用于更复杂的混合物，包括压力展宽，但需要更多的校准数据。虽然在这里没有显示，混合分析能够通过利用单个气体的整洁的光谱作为一个基础集来解卷积未知光谱，从而提取单个浓度。对于这些复杂的系统，NIR-O谱仪更适合。

本文讨论的气相测量既快速又可靠，使用导波分析仪硬件和软件工具。对于复杂的流，结果可以实时(秒)访问。

图7．丁烷结果，建模压力非线性

图8。25厘米气体流动电池

这些信息已经从导波提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问引导波．