آنالیز بنزین با استفاده از طیف سنجی رامان

مشخصه یابی بنزین به کمک طیف سنجی رامان

بنزین محلولی فرار و قابل اشتعال از مشتقات نفت خام است که به عنوان سوخت برای احتراق داخلی موتورها استفاده می‌شود. این ماده ترکیبی پیچیده از صدها هیدروکربن مختلف است که بیشتر آن‌ها اشباع شده و حاوی ۴ تا ۱۲ اتم کربن در هر مولکول هستند. هیدروکربن‌هایی همچون آلکان‌های راست زنجیر، آلکان‌های شاخه‌‌دار، سیکلوآلکان‌ها، آروماتیک‌ها و آلکن‌های حلقوی در بنزین موجود هستند. ترکیب شیمیایی دقیق بنزین با توجه به نفت خام مورد استفاده پالایشگاه و عدد اکتان بنزین متفاوت است، اما به طور کلی آن را ترکیبی از هیدروکربن‌های قابل احتراق می‌دانند.

پالایشگاه‌ها باید خواص مختلف سوخت بنزین مانند API، میزان بنزن، RON و MON را با دقت و صحت بالا اندازه‌گیری کنند تا بتوانند کیفیت بنزین را تضمین کرده و آن را وارد بازار کنند. برای انجام این کار، آزمایشگاه‌های پالایشگاه باید صدها نمونه بنزین را در روز آنالیز کنند. در یک پالایشگاه با اندازه متوسط، روزانه ۲۵۰ نمونه آنالیز می‌شود. این تعداد در یک پالایشگاه بزرگ به ۵۰۰ نمونه در روز می‌رسد. آنالیز تعداد زیادی از ترکیبات برای مشخصه‌یابی دقیق آن‌ها بسیار دشوار و پرهزینه است. از سوی دیگر ترکیب شیمیایی بنزین با توجه به منابع نفتی مختلف و شرایط آب و هوایی متنوع یکنواخت نیست. به دلیل ترکیب شیمیایی پیچیده بنزین، کنترل کیفیت آن نیز پیچیده است. کنترل کیفی بنزین بر اساس اندازه‌گیری خواص فیزیکی مانند وزن مخصوص، چگالی، فشار بخار، آنالیز منحنی دمای جوش واقعی و عدد اکتان انجام می‌شود. در واقع توان عملیاتی مسئله اصلی این آزمایشگاه‌ها است. زیرا سرعت پردازش نمونه‌ها توسط ابزار اندازه‌گیری مورد استفاده تعیین می‌شود. در صنایع نفت و گاز برای شناسایی ویژگی‌های سوخت بنزین از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. کروماتوگراف‌های گازی، دستگاه‌های اندازه‌گیری نقطه انجماد و اشتعال، چگالی‌سنج، تست‌کننده‌های فشار بخار و موتورهای تست ضربه برای اندازه گیری پارامترهای RON و MON مثالی از این روش‌ها هستند. اما نقطه ضعف این آنالیزها زمان‌بر بودن آزمایش به وسیله آن‌ها است. بنابراین نیاز به یک روش پرسرعت از چالش‌های اصلی این دست از آنالیزها است.

روش دیگری که امروزه به شدت مورد توجه صنایع پتروشیمی قرار گرفته طیف‌سنجی رامان با سرعت بالا است. اخیرا در سطح بین المللی، از طیف‌سنجی رامان به طور گسترده‌ برای آنالیز بنزین و فرآورده‌های نفتی در پالایشگاه‌ها استفاده شده است. طیف سنج رامان می‌تواند خواص متعدد بنزین را با دقت و صحت بالا و بسیار سریع در عرض چند ثانیه اندازه‌گیری کند. این روش یک تکنیک غیرمخرب، ارزان، سریع و با قابلیت نصب آنلاین در خطوط تولید است. آنالیز رامان اطلاعاتی در مورد ترکیب شیمیایی نمونه فراهم می‌کند و امکان شناسایی گروه‌های عاملی و مشخصه‌یابی کلی محصول را فراهم می‌کند. از طرف دیگر مزیت روش رامان این است که هیچ تداخلی از سوی آب در آن وجود ندارد. بنابراین اپراتور می‌تواند به راحتی ترکیبات حاوی آب را آنالیز نماید. به منظور کسب اطلاعات از طیف سنج های رامان آنلاین با متخصصان ما در ارتباط باشد.

شکل ۱ طیف رامان بنزین با پیک‌های مختلف مرتبط با ترکیبات شیمیایی اصلی آن را نشان می‌دهد. همان طور که در طیف رامان مشاهده می‌کنید، ترکیبات بنزن،‌ تولوئن، ایزواکتان، بوتان، اولفین‌ها و زایلن‌ با دقت شناسایی شده‌اند. مکان پیک‌، ترکیب نمونه و شدت پیک، غلظت آن جز خاص را مشخص می‌کند. ترکیبات آروماتیک‌ طیف رامان قوی دارند و به راحتی با این روش شناسایی می‌شوند.

طیف سنجی رامان علاوه بر آنالیز اجزای تشکیل دهنده بنزین با سرعت بالا، امکان آنالیز برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بنزین را نیز فراهم می‌سازد.

بررسی خواص بنزین با طیف سنجی رامان

به کمک سیستم رامان می‌توانید تعداد زیادی از خصوصیات بنزین را آنالیز کنید. تعداد این پارامترها بالا است. در این قسمت به دو مورد از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

تعیین RVP با روش رامان

محصولات تولیدی پالایشگاه باید مشخصات ویژه‌ای داشته و استانداردهایی در آن‌ها رعایت شده باشد تا بتوانند در بازارهای جهانی امکان حضور و فروش خوب داشته باشند. فراریت (Volatility) بنزین بسیار اهمیت دارد و توسط دو خاصیت فشار بخار (RVP) و تقطیر مطابق با استانداردهای ASTM مشخص می‌­شود. میزان فشار بخار از جمله مهمترین خصوصیات مورد توجه است که علاوه بر کیفیت و قیمت، از نظر ایمنی هنگام انتقال و ذخیره‌سازی نیز بسیار مهم است. در قسمت‌های مختلف تولید و توزیع بنزین، این پارامتر همواره مورد آزمایش و کنترل قرار می‌گیرد. برای اندازه‌گیری فشار بخار روش‌ها و وسایل خاصی موجود است. روش رامان، یکی از روش‌های تعیین RVP نمونه‌ها است. در آزمایش‌های مختلفی این پارامتر به وسیله طیف سنجی رامان بررسی شده است. به عنوان مثال در شکل ۲، دو نمونه بنزین با RVP های مختلف را مشاهده می‌کنید. تمایز در طیف رامان این دو نمونه به خوبی قابل مشاهده است.

تعیین عدد اکتان با روش رامان

مهم‌ترین خاصیت بنزین، عدد اکتان آن است که نشان دهنده مقاومت بنزین در مقابل گرما، فشار و احتراق خود به خود است. درجه‌بندی اکتان کیفیت سوخت را توصیف می‌کند و مقدار آن بر اساس نسبت ترکیبات موجود در بنزین به ویژه ایزو اکتان و نرمال هپتان متغیر است. به ایزو اکتان عدد ۱۰۰ و به نرمال هپتان عدد صفر داده می‌شود. عدد اکتان بنزین درصد حجمی ایزواکتان در ترکیب با نرمال هپتان است. هر چه میزان عدد اکتان در سوخت بیشتر باشد، آن سوخت باکیفیت‌تر بوده و در مقابل فشار، گرما و پدیده احتراق مخرب مقاوم‌تر است.

دو نوع عدد اکتان تحقیقاتی (Research Octane Number) و عدد اکتان موتور (Motor Octane Number) وجود دارد. حساسیت یک سوخت از اختلاف عدد اکتان تحقیقاتی (RON) و عدد اکتان موتور (MON) به دست می‌آید. یکی از بهترین روش‌ها برای اندازه‌گیری عدد اکتان بنزین استفاده از طیف سنجی رامان است. شکل ۳ طیف رامان دو نمونه با اعداد اکتان مختلف را نشان می‌دهد. همان گونه که مشاهده می‌کنید، بنزین سوپر مقدار ایزو اکتان بالاتری از بنزین معمولی دارد. بنابراین عدد اکتان بالاتری داشته و سوخت باکیفیت‌تری است.

عدد اکتان معیاری کلیدی برای ورود بنزین به بازار است. در واقع مزیت اندازه‌گیری عدد اکتان با روش رامان این است که این سیستم می‌تواند کاربردهای مهم پالایشگاه را در مقایسه با روش‌های سنتی تسریع کند. به عنوان مثال در مدت زمانی که سیستم‌های سنتی برای آنالیز یک نمونه صرف می‌کنند، طیف‌سنجی رامان می‌تواند ۱۸۰ نمونه را آنالیز کند. برای راهنمایی و مشاوره در این زمینه همین حالا با ما تماس بگیرید!

آنالیز سایر خواص بنزین با روش رامان

در یک آزمایش، ۸۷ نمونه بنزین با ده بار تکرار در هر نمونه توسط سیستم رامان آنالیز شده‌اند. کل زمان آنالیز برای هر نمونه ۵ ثانیه است. تحلیل داده‌ها با استفاده از روش حداقل مربعات جزئی (PLS) یا آنالیز تفکیک حداقل مربعات جزئی (PLSDA) انجام شده است. داده‌های مرجع مورد استفاده برای ساخت مدل نیز با استفاده از استاندارد ASTM جمع آوری شده است.

از این ۸۷ نمونه بنزین، برای ساخت مدل‌هایی در راستای پیش بینی شش ویژگی سوخت بنزین استفاده شده است. جدول ۲ خواص اندازه‌گیری شده و دقت مدل حاصل را نشان می‌دهد.

دقت و سرعت بالا در آزمایش‌های فوق ما را به این نتیجه می‌رساند که استفاده از طیف سنجی رامان در یک پالایشگاه می‌تواند به طور قابل توجهی باعث افزایش توان عملیاتی، کاهش ضایعات و بهبود فرآیند تولید شود.

جمع‌بندی:

طیف‌سنجی رامان می‌تواند بنزین را به طور دقیق مشخصه‌یابی و آنالیز کند. سیستم رامان می‌تواند ترکیب و غلظت اجزا در سوخت‌های نفتی تصفیه شده، گاز طبیعی، روان‌ کننده‌ها، مواد افزودنی، مواد اولیه و سایر محصولات هیدروکربنی را تعیین کند. از این روش می‌توان برای شناسایی پیک‌های گوگرد، آنالیز پیش‌ماده‌های نفتا، بررسی غلظت‌ کربن مونواکسید، کربن دی اکسید و سطح اکسیژن استفاده کرد. تکنولوژی رامان به مانیتورینگ ترکیبات خطرناکی همچون بنزن، سیکلوهگزان، نرمال هپتان، هگزان، پنتان، تولوئن و زایلن‌ها در بنزین کمک می‌کند. بنابراین داده‌های حاصل از این آنالیز برای تصمیم‌گیری آگاهانه اپراتورها در مورد کیفیت محصول، حفاظت از زیرساخت و انطباق با مقررات حیاتی است. برای مشاهده سایر مطالب مرتبط با حوزه پتروشیمی و سوخت می‌توانید به صفحه آکادمی طیف سنجی تکسان مراجعه کنید. چنانچه در مورد سیستم‌های رامان و کاربردهای آن در زمینه تخصصی خود نیز سوالی دارید کافی است با کارشناسان شرکت تکسان در تماس باشید.

منابع

۱-https://zaya.io/wcrsw