Отбор проб технического углерода для измерения площади поверхности частиц с использованием индуцированного лазером накала и управление процессом в реакторе на его основе

Номер патента: 7304

Опубликовано: 25.08.2006

Автор: Стагг Барри Джеймз

Есть еще 11 страниц.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя:

а) отбор пробы частиц in situ;

б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН;

в) измерение подготовленной пробы с использованием ИЛН и

г) корреляцию ИЛН-измерений по действительной степени дисперсности частиц.

2. Способ по п.1, в котором отбор пробы включает в себя извлечение отводного потока из источника частиц.

3. Способ по п.2, в котором отводной поток извлекают с использованием in situ эдуктора с впускным отверстием для пробы и in situ критическим соплом на впускном отверстии для пробы, причем проба входит в систему отбора проб через упомянутое критическое сопло.

4. Способ по п.3, в котором подготовка включает в себя добавление в пробу вторичного разбавляющего воздуха.

5. Способ по п.1, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя разбавление пробы.

6. Способ по п.5, в котором разбавление пробы осуществляют до уровня, меньшего или равного примерно 90, 80, 75, 70, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 3, 2, 1, 0,7, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 или 0,1 ч./млн.

7. Способ по п.5, в котором разбавление пробы осуществляют до уровня, меньшего или равного 1 ч./млн.

8. Способ по п.1, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя приведение температуры пробы к условиям окружающей среды.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя определение функции корреляции путем сравнения ИЛН-измерений и лабораторных измерений степени дисперсности для проб частиц, извлеченных в одно и тоже время.

10. Способ по п.1, в котором отбор пробы и измерение степени дисперсности частиц выполняют в режиме реального времени.

11. Способ по п.1, в котором отбор проб и измерение степени дисперсности частиц выполняют оперативно.

12. Способ по п.1, в котором частицы представляют собой технический углерод.

13. Способ по п.1, в котором содержащий частицы поток находится в реакторе получения технического углерода или секции дымохода реактора.

14. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение скорости спада интенсивности ИЛН-сигнала.

15. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение скорости спада температуры частиц.

16. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение нормализованной удельной площади поверхности.

17. Способ in situ отбора проб и измерения степени дисперсности технического углерода в технологическом потоке, включающий в себя:

а) отбор пробы частиц технического углерода in situ из технологического потока;

б) подготовку пробы технического углерода к условиям, подходящим для ИЛН;

в) измерение степени дисперсности технического углерода с использованием ИЛН и

г) корреляцию ИЛН-измерения степени дисперсности по действительному размеру частиц технического углерода.

18. Способ по п.17, в котором технологический поток находится в реакторе получения технического углерода.

19. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока для измерения степени дисперсности частиц на основе ИЛН, включающий в себя:

а) отбор проб in situ содержащего частицы потока и

б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН, причем отбор пробы осуществляют с помощью отводного потока.

20. Способ по п.19, в котором поток находится в реакторе получения технического углерода.

21. Способ по п.19, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя разбавление пробы.

22. Способ отбора проб потока технического углерода для измерения площади поверхности частиц на основе ИЛН, включающий в себя:

а) извлечение пробы технического углерода из упомянутого потока;

б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН, и

в) подачу подготовленной пробы в систему ИЛН для измерения площади поверхности частиц.

23. Способ управления степенью дисперсности частиц во время получения генерируемых пламенем частиц, включающий в себя:

а) отбор пробы сгенерированных пламенем частиц in situ в процессе получения;

б) подготовку пробы сгенерированных пламенем частиц к условиям, подходящим для ИЛН;

в) измерение степени дисперсности частиц подготовленной пробы частиц с использованием ИЛН;

г) отправку сигнала, связанного с измеренной методом ИЛН степенью дисперсности частиц, в контроллер;

д) сравнение упомянутого сигнала степени дисперсности частиц с заданным значением и

е) отправку сигнала из упомянутого контроллера для регулирования хода процесса получения генерируемых пламенем частиц.

24. Способ по п.23, дополнительно включающий в себя корреляцию измеренной методом ИЛН степени дисперсности частиц по действительной степени дисперсности частиц.

25. Способ по п.23, в котором сгенерированные пламенем частицы представляют собой технический углерод.

26. Способ по п.23, в котором регулирование хода процесса получения технического углерода осуществляют посредством управления отношением воздух/исходное сырье.

27. Способ по п.23, в котором сгенерированные пламенем частицы представляют собой диоксид титана или диоксид кремния.

28. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц и размера агрегатов с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя:

а) отбор пробы частиц in situ;

б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН;

в) измерение сигналов накала и данных рассеяния для подготовленной пробы с использованием ИЛН и

г) корреляцию ИЛН-измерений сигналов накала и данных рассеяния по действительной степени дисперсности частиц и размеру агрегатов.

Рисунок 1

 

Текст

Смотреть все

007304 Ссылки на родственные заявки Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США 60/397428,поданной 19 июля 2002 и включенной в настоящее описание во всей своей полноте посредством данной ссылки. Предпосылки создания изобретения Область техники Настоящее изобретение относится в целом к способам отбора проб частиц, в частности - технического углерода, для измерения степени дисперсности или площади поверхности частиц, а также к способам управления реакторами получения технического углерода. Уровень техники Существующий в настоящее время способ определения степени дисперсности (площади поверхности) технического углерода во время процесса производства состоит в сборе пробы, направлении ее в лабораторию и последующем определении степени дисперсности методами поглощения I2 или N2. Этот процесс дает время задержки, составляющее, по меньшей мере, примерно один час. Следовательно, несколько часов технический углерод может получаться вне спецификации (т.е. с ненадлежащими параметрами) до тех пор, пока будут настраиваться условия в реакторе (т.е. осуществляться регулировка условий в реакторе в ответ на приходящие из лаборатории результаты измерений степени дисперсности с тем, чтобы привести параметры технического углерода к заданным параметрам спецификации), поскольку для достижения указанных в спецификации целевых параметров обычно требуется несколько итераций. Таким образом, в отрасли промышленности по производству технического углерода существует назревшая необходимость в отборе проб in situ и измерении степени дисперсности технического углерода во время процесса изготовления для того, чтобы регулировки процесса могли выполняться быстрее. Желательно обеспечить оперативный отбор проб и измерение степени дисперсности (площади поверхности частиц) технического углерода в режиме реального времени в ходе процесса производства технического углерода. Индуцированный лазером накал (ИЛН) (от англ. laser-induced incandescence, LII) использовался в качестве метода исследования сажи примерно с 1980-х гг. Основной принцип метода ИЛН состоит в быстром нагревании частиц ультракороткими лазерными импульсами (лазерный импульс с обычной длительностью 20 нc (наносекунд высокой энергии. Температура частиц повышается до точки, в которой имеет место значительный накал частиц, или даже вплоть до температуры испарения (для разных видов технического углерода - примерно 4000 К). Частицы теряют эту добавленную энергию тремя путями: испарением, теплопроводностью в окружающую среду и тепловым излучением. Затем такое усиленное тепловое излучение детектируют (сигнал эмиссии). Накал частиц измеряют с использованием собирающей оптики и фотодетекторов. Используя соответствующую калибровку и анализ сигнала накала, можно получить такую информацию, как объемная доля сажи (ОДС) или размер первичных частиц сажи. Данный способ по существу является неагрессивным и позволяет выполнять измерения in situ. Измерение методом ИЛН является развивающейся технологией, которая обещает стать надежным средством пространственного и временного измерения концентрации углеродистых частиц и их сферического размера. Метод ИЛН первоначально разрабатывался для контроля выбросов частиц, производимых при сгорании углеводородного топлива. В последние 10 лет академические исследователи использовали метод ИЛН для определения пространственных концентраций сажи в лабораторном пламени и дизельных двигателях (см., например, Dec J.E., zur Loye A.O. и Siebers D.L., "Soot distribution in a D.I.Diesel Engine Using 2-D Laser Induced Incandescence Imaging", SAE Transactions, 100, pp.277-288, 1991). Метод ИЛН является подходящим для измерений частиц сажи, поскольку сигнал ИЛН пропорционален объемной доле частиц в широком динамическом диапазоне. Метод ИЛН выдает относительную меру концентрации сажи и требует калибровки для количественного определения концентраций сажи. Метод ИЛН использовался для измерения объемной доли частиц сажи в установившемся и изменяющемся во времени (неустановившемся) диффузионном пламени, в пламени предварительно перемешанной смеси в двигателях, в выхлопных потоках дизельных двигателей и в выхлопах газовых турбин. В упомянутых вариантах применения метода ИЛН имеют дело с относительно разбавленными потоками(низкой концентрацией) сажи. Недавно был представлен способ осуществления измерения абсолютной силы света с помощью метода ИЛН, что позволяет избежать необходимости в калибровке по источнику частиц сажи с известной концентрацией (патент США 6154277) и, таким образом, расширяет возможности метода ИЛН для осуществления практических количественных измерений сажи. Используя этот метод самокалибровки абсолютной силы света in situ, метод ИЛН применяли для измерения объемной доли частиц сажи в ламинарном диффузионном пламени, в потоках технического углерода и выхлопах дизельных двигателей. См., например, публикацию Snelling D.R., Smallwood G.J., Gulder O.L., Liu F. и Bachalo W.D., "А-1 007304 Теоретически было предсказано, что метод ИЛН можно использовать для измерения размера первичных частиц. Некоторые работы в направлении использования метода ИЛН для измерений размера частиц (диаметра частиц в пробе) сажи и технического углерода были опубликованы различными академическими группами. См., например, патент США 6181419; публикацию WO 97/30335; а также публикацию Starke R. и Roth P., "Soot Particle Sizing by LII During Shock Tube Pyrolysis of С 6 Н 6", Combustionand Flame, 127:2278-2285 (2002) (которые включены в настоящее описание посредством данной ссылки ввиду их общей концепции по использованию методов ИЛН для определения размера частиц, а также устройства/оборудования ИЛН, используемого при определении размера частиц). Для определения концентрации сажи обычно оказывается достаточным анализ сигнала накала в определенный момент времени (сразу после лазерного импульса) . Однако поскольку теплопроводность в основном обусловливается удельными площадями поверхности частиц, то скорость охлаждения является характеристической мерой размера первичных частиц, поскольку более крупные частицы будут остывать медленнее, чем более мелкие частицы (заметим, что постоянные времени скорости охлаждения составляют порядка 1000 нc). Определение степени дисперсности частиц требует, чтобы сигнал накала измерялся в зависимости от времени в процессе охлаждения частиц. Вообще говоря, зависимость между временем затухания сигнала и размером первичных частиц является пропорциональной, то есть более мелкие частицы показывают более низкие времена затухания, однако, вообще говоря, зависимость не является линейной. ИЛН с разрешением во времени (ИНЛ-РВ) (от англ. Time-resolved laser-inducedincandescence, TIRE-LII) дает размер первичных частиц путем сравнения измеренного затухания сигнала во времени с вычисленным затуханием. Для того чтобы повысить точность метода, поскольку одна точка в наборе данных собирается очень быстро, обычно усредняют данные накала, собранные от многих лазерных импульсов. Типичная установка может использовать лазер с частотой повторения 20 Гц и усреднять данные от 40 импульсов, давая одну точку в набор данных каждые 2 с. Для измерения поведения сигнала во времени можно использовать фотоумножитель. Сигнал записывается с помощью быстродействующего осциллографа, соединенного с компьютером. Данные считываются, и их аппроксимация дает характеристическое время затухания сигнала. Это время однозначно связано с размером первичных частиц при определенных условиях окружающей среды. Если требуется установить точное значение, то требуются известные условия окружающей среды, в частности - температура. Обнаружение изменения требует соблюдения довольно постоянных условий и, соответственно,информации об изменении температуры. Помимо трудностей в выборе способа, обеспечивающего оперативные измерения в режиме реального времени, существует множество проблем при получении проб частиц для выбранного способа. При использовании метода ИЛН для измерения in situ должны быть обеспечены соответствующие методы извлечения и приготовления пробы технического углерода с тем, чтобы точно и последовательно выполнять измерения in situ. Проблемы, связанные с отбором проб, подготовкой (корректировкой) проб и измерением проб,включают в себя закупорку линий трубопроводов, используемых для отбора проб, соответствующее разбавление проб, конденсацию влаги в линиях трубопроводов отбора проб и загрязнение оптических окон. Как только станут возможными отбор проб in situ в режиме реального времени и измерение параметров технического углерода, становятся доступными средства управления в режиме реального времени процессами получения технического углерода. Решая проблемы уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает возможность более быстрого и надежного управления процессами получения технического углерода. Сущность изобретения Согласно целям настоящего изобретения, воплощенным и в самом широком смысле описанным здесь, настоящее изобретение раскрывает различные способы. Изобретение включает в себя способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя: а) отбор пробы частиц in situ; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение подготовленной пробы с использованием ИЛН; и г) корреляцию ИЛН-измерений по действительной степени дисперсности частиц. Способ дополнительно включает в себя определение функции корреляции путем сравнения ИЛНизмерений и лабораторных измерений степени дисперсности для проб частиц, извлеченных в одно и тоже время. Способ позволяет выполнять отбор проб и измерение степени дисперсности частиц в режиме реального времени и оперативно. Частицы могут представлять собой технический углерод (сажу), а содержащий частицы поток может находиться в реакторе получения технического углерода. Изобретение также включает в себя способ in situ отбора проб и измерения степени дисперсности технического углерода в технологическом потоке, включающий в себя:-2 007304 а) отбор пробы частиц технического углерода in situ из технологического потока; б) подготовку пробы технического углерода к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение степени дисперсности частиц с использованием ИЛН; и г) корреляцию ИЛН-измерений степени дисперсности по действительной степени дисперсности частиц. Изобретение дополнительно включает в себя способ in situ отбора проб содержащего частицы потока для измерения степени дисперсности частиц на основе ИЛН, включающий в себя: а) отбор проб содержащего частицы потока; и б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН, причем отбор проб осуществляют с помощью отводного потока. Изобретение дополнительно включает в себя способ отбора проб потока технического углерода для измерения площади поверхности частиц на основе ИЛН, включающий в себя: а) извлечение пробы технического углерода из упомянутого потока; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН; и в) подачу подготовленной пробы в систему ИЛН для измерения площади поверхности частиц. Еще изобретение включает в себя способ управления степенью дисперсности частиц во время получения генерируемых пламенем частиц, включающий в себя: а) отбор пробы сгенерированных пламенем частиц in situ в процессе получения; б) подготовку пробы сгенерированных пламенем частиц к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение степени дисперсности частиц подготовленной пробы частиц с использованием ИЛН; г) отправку сигнала, связанного с измеренной методом ИЛН степенью дисперсности частиц, в контроллер; д) сравнение упомянутого сигнала степени дисперсности частиц с заданным значением; и е) отправку сигнала из упомянутого контроллера для регулирования хода процесса получения генерируемых пламенем частиц. Данный способ управления позволяет регулировать ход процесса получения технического углерода посредством управления отношением воздух/исходное сырье. Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут излагаться частично в последующем описании и частично будут очевидны из описания, или могут быть выявлены при практической реализации изобретения. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты посредством тех признаков и их комбинаций, которые указаны в прилагаемой формуле изобретения. Должно быть понятно, что предшествующее общее описание и последующее подробное описание являются только иллюстративными и пояснительными и не ограничивают заявленного изобретения. Краткое описание чертежей Сопровождающие чертежи, которые приведены в этой заявке и составляют часть данного описания,иллюстрируют несколько конкретных вариантов воплощения изобретения и вместе с описанием служат для объяснения основных принципов настоящего изобретения. Фиг. 1 изображает схему одного конкретного варианта воплощения системы отбора проб технического углерода; Фиг. 2 изображает полученный в ходе эксперимента график измеренной объемной доли сажи (ОДС) и входного сигнала из программируемого таймера 110 в системе по фиг. 1. Сигнал таймера используется для отбрасывания недостоверных данных во время цикла продувки/очистки системы отбора проб. Период времени А является нормальной работой от t = 0 до 54 с. Клапаны 55 и 65 закрыты, а клапан 75 открыт. Момент времени В при t = 54 с соответствует моменту открывания клапана 55. В момент времени С (t = 57 с), клапан 75 закрыт. В момент времени D (t = 59 с) клапан 65 открыт, а клапан 55 закрыт. В момент времени E (t = 60 с) клапан 75 открыт, а клапан 65 закрыт. После t = 60 с цикл из 5 периодов (A-E) повторяют. Фиг. 3 изображает график соответствия между размером первичных частиц по ИЛН и коллоидными измерениями технического углерода (йодным (I2) числом, по ASTM D1510), NSA (удельной площадью поверхности по адсорбции азота, ASTM D6556) и STSA (площадью поверхности по статистической толщине, ASTM D6556 во время эксперимента. Данная конкретная выборка из упомянутого эксперимента дает коэффициенты корреляции 0,9873, 0,9816 и 0,9848 соответственно. Фиг. 4 изображает график, показывающий пример динамического отклика ИЛН-измерения на изменения расхода нефтепродукта в реакторе. Заметим, что шкала расхода нефтепродукта инвертирована. Фиг. 5 изображает график второго примера динамического отклика ИЛН-измерения на изменения расхода нефтепродукта в реакторе. Заметим, что шкала расхода нефтепродукта инвертирована. Фиг. 6 изображает график примера управления с обратной связью расходом нефтепродукта, в то время как расход воздуха (и O2) изменяется пилообразно вверх и вниз (mscfh означает тысяч стандартных кубических футов в час). Заданное для ИЛН значение составляло 130. Фиг. 7 изображает график второго примера управления с обратной связью расходом нефтепродукта,в то время как расход воздуха (и O2) изменяется пилообразно вверх и вниз (mscfh означает тысяч стандартных кубических футов в час). Заданное для ИЛН значение составляло 130.-3 007304 Фиг. 8 изображает один из конкретных вариантов воплощения схемы управления для управления реактором получения технического углерода на основе измерений степени дисперсности частиц, выполненных методом ИЛН. Подробное описание изобретения Перед тем как раскрыть и описать соединения, составы, изделия, устройства и/или способы, необходимо понять, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами воплощения и что конкретные варианты воплощения, конечно, могут варьироваться. Также должно быть понятно, что используемая здесь терминология предназначена для описания только конкретных вариантов воплощения и не является ограничивающей. Следует отметить, что используемые в описании и пунктах прилагаемой формулы формы единственного числа включают в себя объекты ссылки во множественном числе, если контекст в точности не диктует иначе. Таким образом, ссылка на эдуктор (отвод) охватывает более одного эдуктора, ссылка на поток охватывает два или более таких потока и т.д. Диапазоны могут быть выражены здесь в следующем виде: от примерно одного конкретного значения и/или до примерно другого конкретного значения. При указании такого диапазона другой вариант воплощения включает в себя от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Аналогично, когда значения выражают в виде приближений посредством использования предшествующего слова примерно, должно быть понятно, что само конкретное значение представляет собой другой вариант воплощения. Должно быть также понятно, что конечные точки каждого из диапазонов являются значимыми и в отношении другой конечной точки, и независимо от другой конечной точки. В данном описании и в последующей формуле изобретения будет использоваться ряд терминов, которые следует определить как имеющие следующие значения. Использованный здесь термин степень дисперсности (от англ. "Fineness") означает удельную площадь поверхности частиц. Использованный здесь термин размер означает диаметр первичных частиц. Использованный здесь термин подходящий для ИЛН означает те условия (то состояние пробы),которые являются надлежащими или подходящими для данного прибора и/или системы ИЛН с тем, чтобы обеспечить точные измерения пробы, которая должна измеряться методом ИЛН, такие как диапазон соответствующих условий разбавления или температуры, при которых конкретная система ИЛН работает лучше. Использованный здесь термин реактор может относиться ко всем секциям реактора (например,секции сгорания, реакции, заслонки или быстрого охлаждения), а также включает в себя секцию дымохода перед находящимся ниже по потоку оборудованием, таким как фильтрующий коллектор (рукавный фильтр). Использованный здесь термин секция дымохода означает систему каналов, соединяющую реактор получения технического углерода с последующим, находящимся ниже по потоку оборудованием,таким как фильтрующий коллектор. Дым технического углерода представляет собой поток газа с суспендированным в нем техническим углеродом, выходящий из реактора получения технического углерода и проходящий в находящееся ниже по потоку оборудование, такое как фильтрующий коллектор. Использованный здесь термин оперативно (от англ. "Online") означает выполнение по месту (т.е. в месте, по существу, идентичном тому месту, в котором требуется измерение) без существенного нарушения процесса. Использованный здесь термин в режиме реального времени (от англ. "Real-time") означает обеспечение относящейся к условиям информации по существу в то же самое время, в которое упомянутые условия имеют место, например, с задержкой только в несколько секунд или десятков секунд. Использованный здесь термин измерение, когда он относится к удельной площади поверхности частиц, может означает действительное измерение размера частиц и корреляцию этого размера частиц по удельной площади поверхности. Термин необязательный или необязательно означает, что описанное после него событие или обстоятельство может произойти или не произойти, и что описание включает в себя те случаи, когда упомянутое событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда оно не происходит. Под термином эффективное количество состава или эффективное значение свойства здесь подразумевается, что такое количество (значение) способно выполнять ту функцию состава или свойства,для которой выражено эффективное количество. Как будет отмечено здесь ниже, точное требуемое количество будет варьироваться от процесса к процессу в зависимости от исследуемых переменных, таких как используемый состав или наблюдаемые технологические условия. Таким образом, невозможно указать точное эффективное количество (значение). Однако подходящее эффективное количество (значение) специалисты в данной области техники могут определить с использованием только рутинного экспериментирования. Желательно обеспечить оперативный отбор проб и ИЛН-измерения степени дисперсности (площади поверхности частиц) технического углерода в режиме реального времени в процессе его изготовле-4 007304 ния. Современный способ определения степени дисперсности технического углерода во время процесса производства состоит в том, чтобы собрать пробу, направить ее в лабораторию и затем определить степень дисперсности методами поглощения I2 или N2. Упомянутая процедура дает время задержки, по меньшей мере, примерно один час. Настоящее изобретение обеспечивает способы in situ отбора проб частиц, in situ отбора проб и измерения размера частиц с использованием ИЛН, а также способы управления процессами получения технического углерода с использованием in situ отбора проб и измерения степени дисперсности частиц с использованием ИЛН. Хотя в настоящем изобретении эти способы описываются с точки зрения технического углерода,концепции изобретения могут быть адаптированы специалистами в данной области техники к процессам с любыми частицами. Например, способ по настоящему изобретению может быть применен к другим генерируемым пламенем частицам, таким как диоксид титана или диоксид кремния. Способ отбора проб Настоящее изобретение включает в себя способ отбора проб для измерения степени дисперсности частиц. В частности, способ позволяет измерять степень дисперсности или площадь поверхности частиц технического углерода. В частности, способ может использовать индуцированный лазером накал (ИЛН) для измерения степени дисперсности частиц. Изобретение включает в себя способ in situ отбора проб содержащего частицы потока для измерения степени дисперсности частиц на основе ИЛН, включающий в себя: а) отбор проб in situ содержащего частицы потока; и б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН. Способ может дополнительно включать в себя этапы: в) измерения подготовленной пробы с использованием ИЛН; и г) корреляцию ИЛН-измерения по действительной степени дисперсности частиц. Частицы, такие как технический углерод, могут быть отобраны для пробы из технологического потока. Такой технологический поток может находиться внутри реактора получения технического углерода или в другом месте в рамках процесса получения технического углерода. Отбор проб Отбор проб частиц является первым этапом способа. Отбор проб может выполняться in situ без нарушения процесса. Предпочтительно, отбор проб производится автоматически без вмешательства человека. Отбор проб выполняется в желательном месте в процессе и с желательными интервалами времени. Специалист может определить подходящие места и интервалы для данного конкретного применения. Теоретически, отбор проб может выполняться в любом желательном месте в процессе. Для управления реактором получения технического углерода наиболее логичным местом является секция дымохода реактора. Была проведена пара экспериментов на активно работающих установках по получению технического углерода. Для испытания использовали реакторы промышленного масштаба. Хотя в более ранних экспериментах встречались некоторые трудности с отбором проб, в целом эксперименты были успешными и продемонстрировали то, что для измерения степени дисперсности технического углерода можно использовать метод ИЛН. Последний эксперимент решил трудности с отбором проб. Сначала пытались измерять параметры технического углерода непосредственно в секции дымохода реактора получения технического углерода с использованием окна в этом реакторе для оптического доступа и реализации ИЛН. Поскольку такие измерения не оказались успешными, из реактора извлекали отводной поток (небольшую часть потока) технического углерода. Измерение такого отводного потока технического углерода также оказалось не столь успешным,как надеялись, вследствие закупоривания. По этой причине отводной поток сначала извлекали, а уже этот отводной поток разбавляли (фиг. 1). Затем выполняли ИЛН-измерения разбавленного отводного потока в условиях окружающей среды. Разбавление обсуждается в разделе ПОДГОТОВКА. ИЛН-измерение обсуждается в разделе ИЗМЕРЕНИЕ. Можно произвести отбор проб содержимого под давлением, например, просто обеспечивая отверстие в сосуде (например, реакторе), в котором удерживаются частицы, и захвата или направления выходящего в этого отверстие потока в отводной канал. При желании, упомянутая операция может быть дополнена методами извлечения. Содержимое, не находящееся под давлением, может оказаться необходимым извлекать из сосуда(например, реактора) в отводной канал, например, создавая перепад давлений для сбора частиц. Специалист может определить оборудование, подходящее для извлечения или создания перепада давления. Например, можно отбирать пробы технического углерода из реактора получения технического углерода путем выполнения порта для проникновения в реактор или путем использования имеющегося отверстия в реакторе. В реактор можно поместить зонд в таком месте внутри реактора, в котором можно было бы захватывать пробы частиц, характерные для технологического потока технического углерода в данном реакторе. Например, зонд можно поместить достаточно далеко внутрь реактора с тем, чтобы можно было-5 007304 избежать граничных эффектов, таких как накопление (наращивание) технического углерода. Остальное оборудование для отбора проб можно поместить снаружи реактора. Предпочтительно, отбор проб и разбавление выполняются с конфигурацией, в которой устройство отбора проб (в данном случае, эдуктор или сопло) располагается внутри реактора или секции дымохода (там, где температура является высокой) в месте, которое дает характерные пробы, в противоположность разбавлению пробы снаружи реактора или секции дымохода. Для извлечения в отводной поток можно использовать различные способы и устройства. Например,если используется зонд, можно использовать эдуктор для извлечения пробы через зонд внутри реактора. Предпочтительным образом, можно использовать, например, эдуктор Вентури с критическим (звуковым) соплом на впускном отверстии пробы для того, чтобы создать давление ниже атмосферного на впускном отверстии пробы. Специалист должен быть способен определить подходящие способы и устройства для конкретного варианта применения. Специалист должен быть способен определить оборудование, которое адекватно извлекает пробу нужной величины. Специалист должен быть способен определить подходящее для извлечения пробы место в пределах процесса. В начальных испытаниях в поток дыма вставляли небольшой зонд, и пробу всасывали в отводной канал и разбавляли с использованием пневматического эдуктора. Для выполнения ИЛН-измерений использовали оптическую ячейку. Измерение обсуждается ниже. В более позднем испытании в поток дыма вставляли эдуктор Вентури с критическим соплом на впускном отверстии пробы, и пробу всасывали и разбавляли с использованием первичного движущего воздуха в этот эдуктор. Пробу разбавляли вторичным разбавляющим воздухом и затем измеряли с использованием метода ИЛН. Разбавление обсуждается в разделе ПОДГОТОВКА, а измерение обсуждается в разделе ИЗМЕРЕНИЕ. Вариант воплощения системы отбора проб технического углерода Существует три основных конструктивных соображения в отношении системы отбора проб технического углерода: извлечение характерной (представительной) пробы технического углерода; разбавление пробы до концентрации, приблизительно меньшей или равной 1 ч/млн (часть на миллион) (оптимальная концентрация для детектирования ИЛН-сигнала обеспечивает сигнал с превосходным отношением сигнал/шум и минимальным ослаблением ИЛН-сигнала по мере того, как этот ИЛН-сигнал распространяется через объем пробы); и доставка установившейся газовой пробы в ячейку ИЛН для пробы. Разбавление обсуждается ниже в разделе ПОДГОТОВКА. В случае удачного испытания небольшой поток технического углерода непрерывно извлекали из реактора непосредственно перед теплообменником (то есть перед секцией дымохода реактора). Технический углерод извлекали из реактора получения технического углерода с использованием эдуктора Вентури (например, от фирмы Fox Valve; сопло 0,060 дюйма), присоединенного к стальной трубе. Стальную трубу вставляли в секцию дымохода приблизительно на 3-12 дюймов дальше края огнеупорной стенки в поток дыма технического углерода. Для работы эдуктора Вентури использовали сжатый воздух. В случае второго испытания (фиг. 1) небольшой поток технического углерода непрерывно извлекали из реактора в секции 20 дымохода реактора. Технический углерод извлекали из секции 20 дымохода технического углерода с использованием эдуктора 30 Вентури (например, от фирмы Fox Valve, г. Дувр(Dover), шт. Нью-Джерси, США) с критическим (звуковым) соплом 25 (например, от фирмы Lenox Laser,г. Глен Арм (Glen Arm), шт. Мэриленд, США). Эдуктор 30, сопло 25 и труба входят в секцию 20 дымохода через вентильный вход 35. Эдуктор 30 Вентури использовали для того, чтобы создать на впускном отверстии пробы давление ниже атмосферного. Критическое (звуковое) сопло 25 использовали на впускном отверстии эдуктора пробы для того, чтобы управлять расходом технического углерода. Размер критического сопла 25, используемого в данном конкретном испытании, составлял примерно 300 мкм. Размер критического сопла 25 мог быть изменен для желательной порции втягиваемой пробы (например,концентрации технического углерода). Обычно, маленькие трубки/отверстия, по которым переносится дым 15 технического углерода, имеют тенденцию засоряться и закупориваться. Чтобы предотвратить закупоривание, использовали два подхода. Высокие скорости газа (звуковые) в критическом сопле 25 сильно снижали тенденцию к закупориванию техническим углеродом. Также эдуктор 30 Вентури и звуковая заслонка 25 располагались в области 20 дымохода реактора, где температура является высокой(например, примерно 1100oF), в противоположность расположению эдуктора 30 и заслонки 25 снаружи реактора в атмосферных условиях. Это позволяет проводить разбавление при высоких температурах,снижая термофоретические силы, которые стремятся заставить технический углерод прилипать к поверхностям, и также устраняет конденсацию влаги, которая может происходить вследствие охлаждения при расширении по мере прохождения газа через сопла. Далее, после разбавления концентрация технического углерода была низкой, а газ сухим, что вызывало меньше проблем с засорением/закупориванием трубы в данной системе. В дополнение к а) размеру критического сопла 25 и б) расходу первичного разбавляющего воздуха (первичный движущий воздух в эдуктор) 40, использование вторичного разбавляющего воздуха 50 (с расходомером 60 на линии трубопровода) обеспечивало дополнительное управление концентрацией технического углерода. Использование потока вторичного разбавляющего воздуха 50-6 007304 позволяет увеличивать скорость газа в трубе, тем самым уменьшая засорение трубы отбора проб техническим углеродом. Использование электромагнитного клапана 55 (закрытого в нормальном положении), клапанов 65,75, управляемых программируемым таймером 110, позволяло очищать/продувать систему через регулярные интервалы времени. В данном конкретном испытании использовались следующие интервалы: цикл очистки/продувки составлял примерно 60 с, причем время продувки составляло примерно 6 с, а время хорошего отбора проб составляло примерно 54 с. Использование двух электромагнитных клапанов на выпускном отверстии пробы (клапан 65 (закрытый в нормальном положении) и клапан 75 (открытый в нормальном положении позволяло рассеивать импульс высокого давления в атмосферу, тем самым защищая ячейку 105 ИЛН для пробы внутри прибора 10 от высокого давления. Без использования электромагнитного клапана 65 для отвода импульса(выпущенный импульс 70), импульсы высокого давления имеют тенденцию засыпать систему продувки окна 100 (продувка 90 окна оптической ячейки), вызывая загрязнение оптических окон 100. Конкретный вариант воплощения на фиг. 1 также обеспечивает возможность обхода прибора 10 ИЛН и выпуска непосредственно в атмосферу (выпускаемый воздух 85) через байпасный клапан 80. Во время цикла очистки/продувки ИЛН-измерение не является характерным для процесса. Следовательно, необходимо удалять такие данные из скользящего среднего. Это может быть выполнено разными способами, которые обсуждаются ниже. Главными компонентами системы отбора проб согласно более раннему варианту воплощения были зонд из нержавеющей стали длиной 75 дюймов (внешний диаметр 1/4 дюйма, внутренний диаметр 0,175 дюйма) и пара эдукторов Fox 611210-060. Наконечник зонда из нержавеющей стали вставляли через сальник в стенке реактора получения технического углерода в месте, находящемся вблизи входа теплообменника на расстоянии приблизительно 80 футов от топливных форсунок реактора. Это соответствует времени пребывания с момента инжекции нефтепродукта (углеродистого исходного сырья) до достижения места расположения зонда,приблизительно составляющему 0,75 с. Наконечник зонда вставляли приблизительно на 6 дюймов в поток газа в реакторе. Первоначальные испытания системы отбора проб показали, что концентрация технического углерода в пробе значительно превышает желательный диапазон в примерно 1 ч/млн. После второго эдуктора вставляли дополнительный дозирующий клапан для генерирования противодавления выше по потоку,которое снижает величину пробы технического углерода, извлекаемой из реактора. Пробу в виде небольшой части (отводного потока) извлекали из реактора посредством системы двухстадийного разбавления, использующей эдукторы от Fox (сопло диаметром 0,060 дюйма/1,5 мм),питаемые производственным сжатым воздухом при избыточном давлении от 60 до 80 фунт/кв. дюйм. Разбавление выполняло несколько функций: оно снижало концентрацию технического углерода до диапазона 0,2-0,4 ч/млн, снижало температуру газовой пробы и снижало количество воды в пробе, что предотвращало конденсацию водяного пара на окнах ячейки для пробы. При окончательной концентрации 0,2-0,4 ч/млн и концентрации 50-100 ч/млн в газовом потоке реактора, охлажденном до температуры окружающей среды, разбавление составляло приблизительно 250 частей разбавляющего воздуха на 1 часть газа из реактора. Система отбора проб содержала набор клапанов, которые могли перенаправлять воздух для продувки зонда отбора проб в том случае, если он засоряется, или отводить газ от ячейки ИЛН для пробы. Суммарная длина системы отбора проб составляла приблизительно 49 футов. Большинство газовых линий трубопроводов системы отбора проб представляли собой пластиковые трубки с внешним диаметром 1/2 дюйма. Такой сравнительно большой диаметр был выбран для снижения вероятности появления непроходимости. Конечный участок длиной 10 дюймов алюминиевой трубки ячейки для пробы имел внешний диаметр 0,375 дюймов и внутренний диаметр 0,344 дюйма. В основном, система отбора проб доставляла установившуюся газовую пробу технического углерода с требуемой концентрацией. Концентрация поддерживалась на уровне ниже примерно 0,5 ч/млн с тем,чтобы минимизировать ослабление лазерного и сигнального лучей при прохождении через ячейку. Это не является необходимым условием, но упрощает обработку, поскольку при анализе для таких низких концентраций нет необходимости выполнять коррекцию на ослабление. Предпочтительный вариант воплощения системы отбора проб технического углерода согласно настоящему изобретению показан на фиг. 1, которая описана выше. Проблемы при отборе проб Проблемы, которые возникли во время более ранних экспериментов, первоначально были связаны с засорением линии трубопроводов отбора проб. Как ожидалось, отбор проб технического углерода из реактора нужным образом был затруднен. Клапаны и сужения внутри линий трубопроводов отбора проб имели тенденцию закупориваться техническим углеродом. Особенно был подвержен закупориванию дозирующий клапан, используемый ниже по потоку относительно второго эдуктора. Закупоривание дозирующего клапана было очевидно на данных ИЛH из наблюдения постепенного уменьшения объемной доли технического углерода (концентрации сажи).-7 007304 Наблюдали, что засорение линий трубопроводов отбора проб происходило более часто в те дни, когда шел дождь, который существенно охлаждал линии трубопроводов и увеличивал, таким образом, термофоретические эффекты. Нагревание линий трубопроводов отбора проб может снизить частоту засорений в данных видах систем отбора проб. Нагревание первого эдуктора (описано ниже в разделе ПОДГОТОВКА) также может снизить шансы закупоривания линий трубопроводов отбора проб. Нагревание эдуктора также может снизить шансы конденсации. Упомянутые проблемы не возникают в предпочтительном варианте воплощения по фиг. 1. Подготовка Как обсуждалось выше, прямое измерение технического углерода методом ИЛН в реакторе было неудачным вследствие высоких концентраций технического углерода в технологических потоках, а также вследствие других неблагоприятных (жестких) условий в реакторе. Подготовка проб обеспечила не только способность лучше измерять частицы с использованием системы измерения методом ИЛН, но помогла частично решить проблемы с системой отбора проб, такие как закупоривание. Выбросы двигателя являются относительно разбавленными потоками (с низкой концентрацией) сажи. Для измерения таких потоков не требуется никакого разбавления, как видно в случае известных из уровня техники измерений выбросов двигателей методом ИЛН. Однако, так бывает редко, если вообще бывает, в случае с потоками технического углерода во время его получения. Следовательно, перед измерением методом ИЛН необходима подготовка пробы технического углерода. Кроме того, требования к точности в случае измерений степени дисперсности частиц при промышленном получении технического углерода на порядок величины больше, чем в случае исследований выбросов. Можно выполнить подготовку пробы путем корректировки ее состояния. Такая подготовка может оказаться необходимой для того, чтобы получить пробы в состоянии, подходящем для ИЛН. Например,при применении прибора и методов ИЛН проблемой может оказаться концентрация. Температура также может быть проблемой. Подготовку пробы можно выполнить, например, путем разбавления пробы. Проба может быть разбавлена до концентрации менее примерно 3 ч/млн или менее примерно 2 ч/млн. В частности, проба может быть разбавлена до концентрации, меньшей или равной примерно 1 ч/млн. Проба может быть разбавлена, например, до концентрации, меньшей или равной примерно 90, 80, 75, 70, 60, 50, 40, 30, 25, 20,15, 10, 5, 3, 2, 1, 0,7, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 или 0,1 ч/млн. Проба может быть разбавлена примерно до концентрации предела детектирования прибора и методов ИЛН. Специалист в данной области техники должен быть способен определить уровень концентрации, который подходит для данной системы ИЛН. Подготовка пробы может происходить, например, одновременно с отбором пробы или после отбора пробы. В случае потока частиц, таких как технический углерод, который находится в воздухе, разбавление можно осуществлять путем добавления большего количества воздуха. В частности, поток технического углерода, извлеченный из реактора получения технического углерода, может быть разбавлен с использованием эдуктора. Далее, в дополнение к первичному разбавлению может быть использовано вторичное разбавление. В то же время, разбавление может приводить пробу в состояние с температурой окружающей среды. В выполненных экспериментах поток разбавляли воздухом. В первых испытаниях разбавление использовали по двум причинам:(1) чтобы гарантировать, что влага не конденсируется на оптических окнах; и(2) чтобы получить оптимальную объемную долю для измерения методом ИЛН, составляющую приблизительно 0,5 ч/млн, тогда как объемная доля в охлажденном неразбавленном потоке технического углерода могла составлять приблизительно 100 ч/млн. В случае первых испытаний было обнаружено, что для данных конкретных используемых эдукторов, используемых прибора и способов ИЛН, для получения адекватного разбавления конкретного потока из реактора получения технического углерода нужно было 2 эдуктора. Первый эдуктор Вентури, который использовался, не обеспечивал достаточного разбавления (концентрация технического углерода была слишком высокой). По этой причине последовательно, вслед за первым эдуктором и перед переходом в прибор ИЛН, помещали дополнительный эдуктор (2-х-стадийное разбавление). Чтобы получить желательное разбавление, можно использовать любое число соединенных последовательно эдукторов. Альтернативно, можно использовать эдуктор(-ы) с более высоким коэффициентом разбавления(например, эдуктор от Dekati). Другая возможная задача в процессе разбавления состоит в том, чтобы направить выпускное отверстие устройства разбавления обратно в реактор так, чтобы давление в реакторе не влияло на разбавление. Предпринимали попытку снизить концентрацию частиц путем сужения впускного отверстия трубки Вентури из реактора получения технического углерода, но этот способ оказался неудачным. Было обнаружено, что суженое отверстие будет очень быстро закупориваться техническим углеродом. Поэтому-8 007304 использовали второй эдуктор отбора проб с выхода первого эдуктора. Выпускное отверстие второго эдуктора также было ограничено дозирующим клапаном. В случае последнего испытания использовали первичное разбавление и вторичное разбавление. На основе концентраций технического углерода, представленной в случае более раннего испытания, полное разбавление составило приблизительно 200-250:1, то есть 250 частей сжатого воздуха к 1 части дыма технического углерода (из расчета объма газа в нормальных условиях). Полный коэффициент разбавления, использованный в случае последнего эксперимента, составил 350:1, что дает в результате концентрацию (выраженную в виде объемной доли сажи, ОДС) технического углерода в точке измерения, составляющую примерно 150 частей на миллиард (ч/млрд). Использовали объемную долю вплоть до 1 ч/млн (или 1000 ч/млрд), однако более низкие значения ОДС уменьшали проблемы засорения и закупоривания. По мере увеличения чувствительности прибора ИЛH можно уменьшать ОДС. Самая низкая концентрация зависит от отношения сигнал/шум прибора ИЛН. Специалист должен быть способен определять подходящий коэффициент разбавления, требуемый для конкретного варианта применения. Чтобы обеспечить нужный коэффициент, могут быть выбраны подходящий эдуктор или эдукторы или дополнительные потоки разбавления. Специалист должен быть способен определять подходящую температуру, требуемую для конкретного варианта применения. На основе условий и концентраций проб частиц и требований конкретной системы ИЛН, специалист должен быть способен определять подходящие этапы подготовки для точного измерения размеров частиц с использованием метода ИЛН. Измерение Этот необязательный этап обсуждается ниже. Корреляция Этот необязательный этап обсуждается ниже. Способ измерения степени дисперсности частиц Изобретение включает в себя способ измерения степени дисперсности частиц. В частности, способ позволяет измерять степень дисперсности или удельную площадь поверхности частиц технического углерода. Способ также позволяет измерять степень дисперсности других частиц, таких как диоксид титана или диоксид кремния. В частности, для измерения степени дисперсности частиц в способ может использоваться индуцированный лазером накал (ИЛН). Изобретение включает в себя способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя: а) отбор пробы частиц in situ; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН;,в) измерение подготовленной пробы с использованием ИЛН; и г) корреляцию ИЛН-измерений по действительной степени дисперсности частиц. Частицы, например технический углерод, могут быть отобраны для пробы из технологического потока. Технологический поток может находиться, например, внутри реактора получения технического углерода. Чтобы использовать процесс измерения методом ИЛН для технического углерода in situ и в режиме реального времени в процессе получения технического углерода, пробу необходимо извлечь и приготовить способом, который является надежным, не нарушает процесса получения технического углерода и подходит для осуществления измерений методом ИЛН. Это делается посредством этапов отбора проб и подготовки. Отбор проб Отбор проб частиц является первым этапом данных способов. Отбор проб обсуждался выше. Подготовка Может быть выполнена подготовка пробы. Подготовка обсуждалась выше. Измерение Как только произведен отбор и подготовка проб, они могут быть измерены в отношении степени дисперсности частиц с использованием системы ИЛН. Измерение подготовленной пробы с использованием метода ИЛН может выполняться с использованием различных приборов и способов ИЛН, например таких, которые обсуждались в разделе УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, для измерения степени дисперсности частиц. Как обсуждалось выше в разделе УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, известны различные приборы и способы ИЛН. Специалисты должны быть способны определить те приборы, программное обеспечение и модификации, которые необходимы для измерения подготовленной пробы с использованием метода ИЛН. Система, использовавшаяся для измерения частиц технического углерода, пробы которых были отобраны из реактора получения технического углерода и подготовлены в отношении концентрации,обсуждается ниже. Как только был произведен отбор пробы потока технического углерода из реактора и ее подготовка(разбавление и охлаждение), подготовленная проба подавалась в прибор ИЛН через пластмассовую трубку диаметром 1/2 дюйма, в случае более раннего испытания. В частности, подготовленная проба подавалась в оптическую ячейку внутри прибора ИЛН. Предпочтительный способ удаления данных, собранных во время цикла очистки, состоит в использовании сигнала из программируемого таймера клапана для индикации того, когда данные следует проигнорировать. Это показано на фиг. 2. Во время этого эксперимента данные, собранные в течение цикла очистки, удалялись путем фильтрации данных на основе нескольких критериев: 1) объемная доля сажи (ОДС) слишком низка (ниже порога, выбранного пользователем); 2) пиковый сигнал (на каком-либо детекторе) слишком низкий (ниже порога, выбранного пользователем); 3) пиковый сигнал слишком велик - плата преобразователя аналогового сигнала в цифровой в режиме насыщения; 4) среднеквадратичный тест - зависимость ln(T-Tgas) от времени должна быть линейной; если R2 порога, выбранного пользователем, то игнорировать данные; 5) если какой либо из параметров - ОДС или площадь поверхности по ИЛН - находится за пределами величины, равной среднемукоэффициент х стандартное отклонение, то данные игнорировать (коэффициент выбирает пользователь, но обычно он составляет 2,0-2,5). Система ИЛН Стандартная система ИЛН может содержать несколько компонентов, включая лазер, передающую оптику, приемную оптику, детекторы и системы калибровки. Прибор является коммерчески доступным или может быть сконструирован специалистом в данной области техники. Специалист должен быть способен определить компоненты, необходимые и подходящие для конкретного применения ИЛН. Пример устройства ИЛН, используемого для определения размера первичных частиц, может быть найден в патенте США 6181419. Другие устройства могут быть собраны или сконструированы специалистом. В системе ИЛН могут быть заданы и настроены различные параметры. Специалист в области метода ИЛН может определить упомянутые параметры и рабочие условия. Например, профиль луча может быть определен специалистом в данной области для конкретного варианта применения. Достаточное количество световой энергии для желательного применения может быть определено специалистом, например энергия лазера на импульс или длина волны. В условиях окружающей среды с присутствующими в ней частицами (завод по производству технического углерода), в которой должен работать такой прибор, корпус вокруг системы ИЛН предпочтительно должен быть свето- и пыленепроницаемым. В случаях проведенных испытаний, ячейку для пробы конструировали и изготавливали. Такая конструкция обладала признаками, которые бы гарантировали доставку стабильной газовой пробы, минимизировали вероятность загрязнения оптического окна и минимизировали рассеяние света. Главными особенностями ячейки для пробы были труба доставки пробы с внутренним диаметром, оптимизированным в отношении того объема, с которого собирается ИЛН-сигнал; камера пробы, которая поддерживает ламинарное течение газа через ячейку; главные отверстия камеры пробы для лазерного луча и ИЛНсигнала, выполненные с такими размерами, чтобы минимизировать пространственный угол, в котором можно детектировать рассеянный свет; поверхности для снижения рассеяния света; окна входа и выхода лазерного луча, установленные так, чтобы минимизировать потери пропускания и отражения лазерного луча; порты продувки газом, расположенные вблизи внутренних поверхностей окон для предотвращения загрязнений, которые могли бы снизить ИЛН-сигнал; фурнитура быстрого съема окон для снижения времени, требуемого для удаления окон с целью проверки и очистки; и, наконец, сегментированная конструкция, которая позволяет убирать секции для доступа к месту расположения объема пробы (для оптимального совмещения ячейки относительно возбуждающего лазерного луча и оси сбора ИЛН-сигнала) и гарантирует, что все поверхности ячейки для пробы при необходимости могут быть очищены. Специалист в области ИЛН должен быть способен определить подходящую ячейку для пробы, предназначенную для использования в системе. Как только определены условия использования, можно приобрести или изготовить подходящую ячейку. Оптика должна быть в идеальном случае сконструирована так, чтобы не требовалось вмешательства оператора во время нормальной работы системы. Система предпочтительно имеет цифровой осциллограф и преобразователь с подходящими характеристиками, которые могут быть определены специалистом в данной области техники. Система ИЛН является относительно наджной в эксплуатации и не требует чрезвычайно точного оптического совмещения (юстировки), управления мощностью лазера и задания усиления детектора. Однако при необходимости можно осуществлять настройки в том случае, когда изменяется проба или изменяется концентрация технического углерода в линии трубопроводов отбора пробы. В системе ИЛН может быть использовано, а предпочтительно используется программное обеспече- 10007304 ние сбора данных и управления. Программное обеспечение может быть построено по принципу клиентсервер для удаленного и локального доступа к установке с таким прибором, сбору и анализу данных. Программное обеспечение может выполнять корреляционные вычисления для вывода сигнала или отображения нужной переменной, например - размера частиц. Одна из программ может управлять данным прибором. Другая программа может содержать интерфейс пользователя и соединять с сервером или контроллером. Специалист в области метода ИЛН может выбрать или изготовить подходящую систему ИЛН. Размер частиц Чтобы вычислить температуру частиц, можно измерить сигнал накала на двух различных длинах волн, например, длинах волн в 400 нм (голубой) и 780 нм (ближний инфракрасный). Для снижения шума можно усреднить сигналы накала от многих лазерных импульсов (обычно 40 для проведенных испытательных экспериментов). (Альтернативно, можно усреднять результаты степени дисперсности частиц,вычисленные исходя из каждого импульса, а не усреднять сами сигналы.) Сигнал накала (и, следовательно, температура) быстро растет, пока поступает лазерный импульс. После того как лазерный импульс заканчивается (через приблизительно 20 нc), частицы начинают остывать вследствие теплопроводности/конвекции в окружающий газ. Температура вычисляется исходя из отношения двух сигналов накала. Наклон зависимости спада температуры может быть использован для вычисления степени дисперсности технического углерода. В случае более раннего испытания, сигналы накала становились зашумленными после падения температуры до уровня менее 2500 К. По этой причине для вычисления размера частиц использовали средний наклон спада температуры в промежутке 200-600 нc. Такое определение размеров основано на первых принципах моделирования, соотносящих скорость спада разности температур между нагретыми частицами и окружающей средой с размером первичных частиц. В используемой модели предполагалось, что перенос тепла происходит от отдельных первичных частиц, а не агрегатов, и что данные первичные частицы были монодисперсными. Однако, частицы технического углерода являются агрегированными, и имеется распределение как размеров первичных частиц, так и числа первичных частиц на агрегат. Для выполнения ИЛН-измерений из реактора извлекали отводной поток технического углерода. Этот отводной поток разбавляли и охлаждали. Затем выполняли измерения методом ИЛН разбавленного отводного потока в условиях окружающей среды. В дополнение к сигналам накала могут быть собраны данные по рассеянию с тем, чтобы дать информацию о размерах агрегатов (поскольку технический углерод в основном находится в виде агрегатов первичных частиц, а не только в виде отдельных первичных частиц). Комбинация измерений рассеяния и накала может дать информацию как о степени дисперсности частиц (размере, площади поверхности), так и о структуре (размере агрегатов) технического углерода. Информация о структуре (агрегации) технического углерода может быть собрана таким же образом,как и информация о степени дисперсности. Вместо измерений накала, прибор может быть модифицирован для сбора измерений рассеянного света от лазерных импульсов при их попадании на пробу частиц. Затем можно выполнять корреляцию упомянутой информации по лабораторной информации, подобно тому, как это делается с данными по накалу. Корреляция Размер частиц, измеренный методом ИЛН, получают в терминах скорости спада либо температуры частиц, либо сигналов накала. Чтобы получить измерения в терминах степени дисперсности частиц,упомянутый сигнал должен быть скоррелирован по измеренным удельным площадям поверхности. Корреляция ИЛН-измерения по действительному размеру частиц может быть выполнена автоматически, например, с помощью компьютера или путем вычислений вручную с использованием функции,которая задает корреляцию между ними двумя. Раньше, ИЛН-измерения степени дисперсности частиц не коррелировали по стандартным измерениям технического углерода. В случае с данными ИЛН, собранными в проведенных испытаниях, выполнялась корреляция упомянутых данных по стандартным измерениям технического углерода. Для каждого эксперимента на реакторе получения технического углерода пробу технического углерода собирали в стандартном месте отбора пробы ниже по потоку относительно теплообменника. Дополнительные пробы технического углерода были собраны из бокового потока, извлеченного из реактора для ИЛН-экспериментов. Упомянутые пробы были получены из рукавного фильтра, захватывающего байпасное место расположения зонда отбора проб. На таких пробах из рукавного фильтра выполнялась стандартная последовательность лабораторных испытаний на площадь поверхности частиц, и результаты сравнивались с пробами, собранными в нормальном месте отбора проб ниже по потоку относительно теплообменника; анализ показал, что эти два места отбора проб дали пробы технического углерода с фактически идентичными свойствами. Зная, что каждое место отбора проб дает фактически идентичные пробы, результаты для двух мест отбора проб можно было скоррелировать. Пробы, извлеченные непосредственно из реактора в отводной поток и измеренные методом ИЛН,коррелировались по пробам, которые были извлечен в то же самое время и которые испытывались в ла- 11007304 боратории с использованием стандартных методов измерения площади поверхности технического углерода. Цель заключалась в том, чтобы получить эмпирическую корреляцию между видимой степенью дисперсности первичных частиц, определенной методом ИЛН, и измерениями удельной площади поверхности, определенной в лаборатории. Строили график зависимости средней нормализованной удельной площади поверхности (NSSA),определенной методом ИЛН, от измерений расхода нефтепродукта, йодного числа (I2), площади поверхности по азоту (NSA) и/или площади поверхности по статистической толщине (STSA)(ASTM D6556) для того, чтобы определить, имела ли место статистически значимая корреляция. Все графики показали наличие корреляции, от приемлемой до хорошей. Самое низкое значение для какого-либо из проведенных экспериментов составило 0,90. В более поздних испытаниях были достигнуты корреляции в примерно 0,98-0,99. Как уже указывалось ранее, при используемой модели ИЛН частицы рассматривались как отдельные моноразмерные первичные частицы, при этом не учитывались эффекты распределения размеров первичных частиц и полностью игнорировались эффекты агрегации. Разница между коэффициентами корреляции для различных измерений площади поверхности (число I2, NSA и STSA) обусловлена различными физическими свойствами, которые измеряются упомянутыми способами, и они подвержены влиянию таких эффектов, как пористость. В промышленности по производству технического углерода хорошо известно, что различные методы оценки площади поверхности дают различные результаты, причем на них существенно влияет пористость и химия поверхности технического углерода. Ожидается, что число I2 будет использоваться для корреляции с целью управления процессами, однако специалист может выбирать подходящий метод измерения степени дисперсности частиц, который дает приемлемую корреляцию. Ожидается, что известным методом измерения, используемым для корреляции данных рассеяния света по известному лабораторному измерению, будет абсорбция дибутилфталата (DBP от англ. Dibutylphthalate) (ASTM D2414) или число поглощения масла (OAN от англ. oil absorption number) (ASTMD2414). Способ управления процессом получения технического углерода Как указывалось ранее, в промышленности долго существовала настоятельная потребность в способе, который бы позволял измерять in situ и управлять в режиме реального времени степенью дисперсности технического углерода. Настоящее изобретение обеспечивает такой способ. Степенью дисперсности технического углерода можно управлять в первую очередь посредством регулирования отношения воздух/исходное сырье в виде нефтепродукта, подаваемых в реактор получения технического углерода. Как показано выше, степень дисперсности технического углерода в настоящее время измеряется путем сбора пробы технического углерода, направления ее в лабораторию и измерения степени дисперсности частиц с использованием испытания на поглощения йода или азота. Затем результаты такого испытания используются для проведения ручной регулировки отношения воздух/исходное сырье. Следовательно, процесс получения технического углерода в настоящее время управляется с использованием грубого контура управления с обратной связью, в котором обратная связь задается по лабораторным измерениям, а управление осуществляется оператором установки. Упомянутый грубый контур управления с обратной связью имеет время задержки, по меньшей мере, примерно один час (время, необходимое для сбора пробы и проведения лабораторных измерений). Любая переменная в ходе получения может управляться контроллером процесса. В случае существующих в настоящее время известных способов получения технического углерода и переменной входного сигнала в виде размера продукта, упомянутая регулируемая переменная представляет собой отношение воздух/исходное сырье, которое регулируют путем корректировки положений клапанов, которые впускают воздух и/или исходное сырье в реактор. Для получения информации в режиме реального времени (с задержкой всего в несколько секунд или десятков секунд) может использоваться отбор проб технического углерода и ИЛН-методы измерения степени дисперсности частиц, описанные выше. Следовательно, может быть использована обратная связь по ИЛН-измерению с тем, чтобы обеспечить автоматическое управление с обратной связью степенью дисперсности технического углерода. Изобретение включает в себя способ управления процессом на основе измерения размера частиц. В частности, способ позволяет управлять процессом получения технического углерода. Способ позволяет управлять процессом на основе измерения степени дисперсности или площади поверхности частиц. Степень дисперсности или площадь поверхности частиц может представлять собой параметр технического углерода. В частности, для измерения степени дисперсности частиц способ может использовать индуцированный лазером накал (ИЛН). Изобретение включает в себя способ управления степенью дисперсности частиц во время получения технического углерода, включающий в себя: а) отбор пробы технического углерода in situ в процессе получения; б) подготовку пробы технического углерода к условиям, подходящим для ИЛН;- 12007304 в) измерение степени дисперсности частиц подготовленной пробы технического углерода с использованием ИЛН; г) отправку сигнала, связанного с измеренной методом ИЛН степенью дисперсности частиц, в контроллер; д) сравнение упомянутого сигнала степени дисперсности частиц с заданным значением; и е) отправку сигнала из упомянутого контроллера для регулирования хода процесса получения технического углерода. Способ может дополнительно включать в себя этап корреляции ИЛН-измерений по действительной площади поверхности частиц. Технический углерод может быть отобран для пробы из технологического потока. Технологический поток может находиться внутри реактора получения технического углерода. Способ также может быть использован для управления степенью дисперсности других генерируемых пламенем частиц, таких как диоксид титана или диоксид кремния. Пример конкретного варианта воплощения схемы управления реактором получения технического углерода показан на фиг. 8. В этой примерной схеме управления, ИЛН-измерение сравнивается с целевым значением (заданным значением) степени дисперсности. Если измеренная степень дисперсности выше заданного значения, то необходимо понизить отношение воздух/исходное сырье. Если измеренная степень дисперсности ниже заданного значения, то необходимо повысить отношение воздух/исходное сырье. Отношением воздух/исходное сырье обычно управляют либо посредством поддержания постоянного расхода воздуха и варьирования расхода нефтепродукта (через корректировку положения клапана управления подачей нефтепродукта), либо посредством поддержания постоянного расхода нефтепродукта и варьирования расхода воздуха. Однако, можно варьировать оба расхода. Потенциальные выгоды от использования управления с обратной связью по ИЛН включают в себя,например: более надежное управление степенью дисперсности технического углерода, приводящее к более однородному продукту; сниженное производство материала вне спецификации; более быстрое обнаружение отклонений, что может привести к лучшей однородности продукта,меньшему загрязнению продукта, более длительному сроку службы оборудования и т.п.; сокращение количества испытаний, которые необходимо проводить в лаборатории; и более быстрые изменения сорта продукта, приводящие к меньшему количеству переходного материала вне спецификации. Специалист в области управления процессами может определить подходящую схему управления для конкретного процесса. В некоторых процессах и на некотором оборудовании могут быть подходящими контуры управления процессами, отличные от контуров с обратной связью. Также для получения желательного продукта в виде технического углерода могут быть определены соответствующие заданные значения и допустимые отклонения. Любой специалист в данной области может выбрать подходящие контроллеры (например, пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорциональноинтегрально-дифференциальные). В конкретном варианте воплощения, выход прибора ИЛН используется для управления с обратной связью удельной площадью поверхности технического углерода. Удельной площадью поверхности управляют за счет общего отношения углеводород/окислитель. В частности, в более позднем эксперименте регулировали расход исходного сырья в виде нефтепродукта. В приборе ИЛН использовали сигналы от 2-цветного пирометрического анализатора для определения температуры частиц через несколько сотен наносекунд после лазерного импульса. Скорость спада температуры использовали для вычисления размера (диаметра) первичных частиц. Строили график соответствия диаметра первичных частиц с коллоидной площадью поверхности (определенной с использованием стандартных лабораторных измерений технического углерода)., см. фиг. 3. Вследствие наличия шума в сигнале, желательно усреднять множество точек данных с тем, чтобы получить достоверное представление о площади поверхности частиц технического углерода. В упомянутом эксперименте по управлению, для представления удельной площади поверхности частиц технического углерода в режиме реального времени использовали скользящее среднее. Лазер выдавал импульсы с частотой примерно 20 Гц, и при этом использовали скользящее среднее по 3600 точкам. Это означает,что удельная площадь поверхности, показанная прибором ИЛН, представляла среднее за предыдущие 3 мин. Если распределение данных может быть уплотненным, то можно использовать более низкую частоту импульсов лазера. Как обсуждалось выше, точки данных, собранные во время цикла продувки/очистки электромагнитных клапанов, не являются характерными для данного процесса. Следовательно, желательно исключить упомянутые точки и не позволить им влиять на скользящее среднее. Предпочтительный способ состоит в том, чтобы использовать сигнал от программируемого таймера, используемого для управления тремя электромагнитными клапанами. (Если контролировали закупоривание, то упомянутый сигнал- 13007304 можно было использовать для управления клапанами в течение цикла продувки/очистки, а не просто направлять его в таймер.) Это было невозможно во время эксперимента, но может оказаться возможным в случае модификаций используемого прибора ИЛН. Вместо упомянутого способа удаления точек данных, использовали ряд критериев для фильтрации/удаления плохих точек данных, как описано выше. Перед применением ИЛН-измерения для управления с обратной связью было необходимо проверить, что ИЛН-сигнал сможет обеспечить соответствующий временной отклик на изменения в процессе получения технического углерода. Последнее делалось посредством варьирования расхода исходного сырья в виде нефтепродукта (при этом оставляя постоянными расходы воздуха, природного газа и кислорода), поскольку это могло привести к изменению удельной площади поверхности частиц технического углерода. Временной отклик ИЛН-измерения показан на фиг. 4-5. На фиг. 4-5 шкала расхода нефтепродукта перевернута, поскольку хорошо известно, что повышение расхода нефтепродукта (в случае поддержания постоянными всех других параметров) приведет к уменьшению удельной площади поверхности частиц технического углерода. На фиг. 4-5 йодное число (традиционный метод измерения площади поверхности технического углерода) также сравнивали с ИЛН-измерением. Точки данных по йодному числу представлены на графиках ромбами. Чтобы провести испытания управления с обратной связью, условия в реакторе преднамеренно нарушали посредством пилообразного изменения расхода воздуха и О 2 вверх и вниз. Поскольку аналогичные изменения расхода нефтепродукта не производились, удельная площадь поверхности технического углерода изменялась. Затем расход нефтепродукта подвергали автоматическому управлению с обратной связью с использованием ИЛН-измерения в качестве сигнала обратной связи. На фиг. 6-7 демонстрируется управление с обратной связью данным процессом с использованием ИЛН-сигнала. Регулируя расход нефтепродукта в контуре управления с обратной связью (используя ИЛН-измерение в качестве входных данных), автоматически регулировали расход нефтепродукта, тем самым поддерживая удельную площадь поверхности относительно постоянной. Для подтверждения управления в различных точках получали лабораторные данные. Как видно на фиг. 6-7, настройка контура обратной связи не была оптимизирована, поскольку расход нефтепродукта и ИЛН-сигнал проявили некоторое колебание. Двумя факторами, которые могли улучшить флуктуации при управлении, являются настройка контроллера и большая стабилизация мощности лазера. Улучшенная настройка контроллера и стабилизация мощности лазера могли снизить флуктуацию ИЛН-сигнала. Аналогично управлению степенью дисперсности частиц, можно управлять структурой частиц (степенью агрегирования), например, технического углерода. Структурная информация может быть собрана так, как описано выше. Тем расходом, который будет регулироваться в данном случае, может быть расход добавки, которая используется для управления структурой, например, в случае технического углерода, добавка на основе калия. Ожидается, что это могло бы работать как в случае технического углерода,так и в случае других генерируемых пламенем частиц, структурой которых можно было бы управлять,например, за счет расхода реагента или добавки. По всей заявке имеются ссылки на различные публикации. Раскрытие упомянутых публикаций во всей их полноте включено в настоящую заявку посредством таких ссылок с тем, чтобы более полно описать состояние той области техники, к которой относится настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении могут быть сделаны различные модификации и вариации, не выходящие за рамки и сущность настоящего изобретения. Специалистам должны быть очевидны другие варианты воплощения изобретения из рассмотрения данного описания и практического применения раскрытого здесь изобретения. Подразумевается, что описание и примеры должны рассматриваться только в качестве примеров, а настоящие рамки и сущность настоящего изобретения определяются нижеследующей формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя: а) отбор пробы частиц in situ; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение подготовленной пробы с использованием ИЛН и г) корреляцию ИЛН-измерений по действительной степени дисперсности частиц. 2. Способ по п.1, в котором отбор пробы включает в себя извлечение отводного потока из источника частиц. 3. Способ по п.2, в котором отводной поток извлекают с использованием in situ эдуктора с впускным отверстием для пробы и in situ критическим соплом на впускном отверстии для пробы, причем проба входит в систему отбора проб через упомянутое критическое сопло. 4. Способ по п.3, в котором подготовка включает в себя добавление в пробу вторичного разбавляющего воздуха.- 14007304 5. Способ по п.1, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя разбавление пробы. 6. Способ по п.5, в котором разбавление пробы осуществляют до уровня, меньшего или равного примерно 90, 80, 75, 70, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 3, 2, 1, 0,7, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 или 0,1 ч./млн. 7. Способ по п.5, в котором разбавление пробы осуществляют до уровня, меньшего или равного 1 ч./млн. 8. Способ по п.1, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя приведение температуры пробы к условиям окружающей среды. 9. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя определение функции корреляции путем сравнения ИЛН-измерений и лабораторных измерений степени дисперсности для проб частиц, извлеченных в одно и тоже время. 10. Способ по п.1, в котором отбор пробы и измерение степени дисперсности частиц выполняют в режиме реального времени. 11. Способ по п.1, в котором отбор проб и измерение степени дисперсности частиц выполняют оперативно. 12. Способ по п.1, в котором частицы представляют собой технический углерод. 13. Способ по п.1, в котором содержащий частицы поток находится в реакторе получения технического углерода или секции дымохода реактора. 14. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение скорости спада интенсивности ИЛН-сигнала. 15. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение скорости спада температуры частиц. 16. Способ по п.9, в котором ИЛН-измерение представляет собой измерение нормализованной удельной площади поверхности. 17. Способ in situ отбора проб и измерения степени дисперсности технического углерода в технологическом потоке, включающий в себя: а) отбор пробы частиц технического углерода in situ из технологического потока; б) подготовку пробы технического углерода к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение степени дисперсности технического углерода с использованием ИЛН и г) корреляцию ИЛН-измерения степени дисперсности по действительному размеру частиц технического углерода. 18. Способ по п.17, в котором технологический поток находится в реакторе получения технического углерода. 19. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока для измерения степени дисперсности частиц на основе ИЛН, включающий в себя: а) отбор проб in situ содержащего частицы потока и б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН, причем отбор пробы осуществляют с помощью отводного потока. 20. Способ по п.19, в котором поток находится в реакторе получения технического углерода. 21. Способ по п.19, в котором подготовка пробы к условиям, подходящим для ИЛН, включает в себя разбавление пробы. 22. Способ отбора проб потока технического углерода для измерения площади поверхности частиц на основе ИЛН, включающий в себя: а) извлечение пробы технического углерода из упомянутого потока; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН, и в) подачу подготовленной пробы в систему ИЛН для измерения площади поверхности частиц. 23. Способ управления степенью дисперсности частиц во время получения генерируемых пламенем частиц, включающий в себя: а) отбор пробы сгенерированных пламенем частиц in situ в процессе получения; б) подготовку пробы сгенерированных пламенем частиц к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение степени дисперсности частиц подготовленной пробы частиц с использованием ИЛН; г) отправку сигнала, связанного с измеренной методом ИЛН степенью дисперсности частиц, в контроллер; д) сравнение упомянутого сигнала степени дисперсности частиц с заданным значением и е) отправку сигнала из упомянутого контроллера для регулирования хода процесса получения генерируемых пламенем частиц. 24. Способ по п.23, дополнительно включающий в себя корреляцию измеренной методом ИЛН степени дисперсности частиц по действительной степени дисперсности частиц. 25. Способ по п.23, в котором сгенерированные пламенем частицы представляют собой технический углерод. 26. Способ по п.23, в котором регулирование хода процесса получения технического углерода осуществляют посредством управления отношением воздух/исходное сырье.- 15007304 27. Способ по п.23, в котором сгенерированные пламенем частицы представляют собой диоксид титана или диоксид кремния. 28. Способ in situ отбора проб содержащего частицы потока и измерения степени дисперсности частиц и размера агрегатов с использованием индуцированного лазером накала (ИЛН), включающий в себя: а) отбор пробы частиц in situ; б) подготовку пробы к условиям, подходящим для ИЛН; в) измерение сигналов накала и данных рассеяния для подготовленной пробы с использованием ИЛН и г) корреляцию ИЛН-измерений сигналов накала и данных рассеяния по действительной степени дисперсности частиц и размеру агрегатов.

МПК / Метки

МПК: G01N 1/22, G01N 21/71, G01N 15/02

Метки: проб, площади, управление, частиц, индуцированного, процессом, реакторе, измерения, основе, накала, использованием, поверхности, углерода, лазером, технического, отбор

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/19-7304-otbor-prob-tehnicheskogo-ugleroda-dlya-izmereniya-ploshhadi-poverhnosti-chastic-s-ispolzovaniem-inducirovannogo-lazerom-nakala-i-upravlenie-processom-v-reaktore-na-ego-osnove.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Отбор проб технического углерода для измерения площади поверхности частиц с использованием индуцированного лазером накала и управление процессом в реакторе на его основе</a>

Похожие патенты