تصاميم واجهة الألياف الضوئية للمفاعلات الكيميائية المسببة للتآكل

لماذا تحدّد الواجهة ما يراه المطياف

يستحق التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة مكانته في الصناعات الكيميائية والصيدلانية إلى حدٍّ كبير لأن نقطة القياس يمكن فصلها عن الجهاز: إذ يعدّ Reich فصل موضع العينة عن المطياف بمسابير الألياف البصرية من أبرز مزايا هذه التقنية [1]. وداخل المفاعل يكون ثمن هذه الراحة واجهةً ملامسة للوسط يجب أن تتحمّل الوسط ودرجة حرارته وضغطه مع الحفاظ على مسار بصري مستقر. ولا ترى المعايرة إلا الضوء العائد عبر تلك الواجهة، ولهذا تعامل المراجع القياسية طريقة تقديم العينة جزءاً من الجهاز [2].

النفاذ أم النفاذ الانعكاسي أم ATR

تغطي ثلاث هندسات معظم أعمال المفاعلات في الطور السائل. فمسبار النفاذ يمرّر الضوء مرة واحدة عبر فجوة بين نافذتين؛ ومسبار النفاذ الانعكاسي يعيده بمرآة فيعبر الفجوة مرتين ويصبح المسبار إدخالاً واحداً تكون الألياف في أحد طرفيه؛ أما الانعكاس الكلي المُخمَد (ATR) فيوجّه الضوء داخل بلّورة عالية معامل الانكسار ولا يستشعر إلا طبقة العينة الملامسة لها. وقد وصف Fahrenfort مبدأ ATR: فالإشعاع الآتي من الوسط الكثيف بزاوية تفوق الزاوية الحرجة ينعكس كلياً إلا حيث تمتص العينة، فيعطي طيفاً عالي التباين يشبه طيف النفاذ [3]. ويجمع ASTM E573 النظرية والمعاملات المؤثرة والإرشادات العملية لقياسات الانعكاس الداخلي [4].

ولأن ATR لا يستشعر إلا الطبقة الموجودة على سطح البلّورة، فهو يلائم الأوساط شديدة الامتصاص أو اللزجة أو المحمّلة بالجسيمات حيث تتلوّث فجوة النفاذ، في حين تُقاس عادةً نطاقات التوافقيات والتراكيب الأضعف في منطقة NIR بالنفاذ أو النفاذ الانعكاسي بفجوة متوائمة مع امتصاصية النطاقات المستخدمة [2][4]. وتهمّ مادة البلّورة بقدر ما تهمّ الهندسة: فقد بنى Kemsley وآخرون بلّورة ATR من الياقوت داخل مسبار ألياف بصرية من الفولاذ المقاوم للصدأ لأن بلّورات ATR المعتادة تفتقر إلى اعتماد ملامسة الأغذية، واختاروا الياقوت لكونه صلباً وخاملاً وغير سام [5].

وصلة الألياف: الهيدروكسيل والهيدروجين

تنقل ألياف السيليكا الضوء بين المحلل والمسبار، وامتصاصها الذاتي جزء من القياس. يفيد Humbach وآخرون بأن الهيدروكسيل المرتبط (SiOH) في السيليكا يُنتج نطاقاً أساسياً عند نحو 2.7 µm، وأن نطاقات توافقياته وتراكيبه، ومنها النطاق عند 1.38 µm، تحكم النفاذية المرتبطة بـ OH في الليف [6]. ولذلك تحدّد درجة الليف (منخفض OH للمنطقة ذات الأطوال الموجية الطويلة) وطوله مقدار ما يبقى من المدى القابل للاستخدام بعد رحلة الذهاب والإياب، إذ تتداخل نطاقات OH في الليف مع نطاقات الماء والتراكيب التي تستخدمها معايرات كثيرة [6].

والهيدروجين هو الآلية الثانية. يغطي استعراض Stone امتصاص التوافقيات بالهيدروجين الجزيئي، وتكوّن مجموعات OH، والمصادر الشائعة للهيدروجين في مواد الألياف والكابلات، والتدابير المضادة لتسرّب الهيدروجين [7]. وفي مفاعل هدرجة أو في جو مصنع غني بالهيدروجين، تصبح الألياف ذات الطلاء المحكم ومواد الكابل المحيطة بها جزءاً من التصميم البصري [7].

النوافذ والسبائك الملامسة للوسط

الياقوت (Al₂O₃ أحادي البلّورة) هو النافذة المعتادة لمسابير المفاعلات؛ وقد جمع Dobrovinskaya وآخرون خصائصه الميكانيكية والكيميائية والبصرية [8]. ووجد Gryvnak وBurch أن معامل امتصاص الياقوت يزداد عند معظم الأطوال الموجية بين 0.56 و6 µm مع ارتفاع درجة الحرارة، وأن معامل الانكسار دون 4 µm يرتفع أيضاً مع درجة الحرارة [9]. ومن ثمّ فإن نفاذية النافذة والمسار البصري ليسا مستقلين تماماً عن درجة الحرارة، وهذه إحدى الحجج لجمع طيف الخلفية والمسبار في درجة حرارة العملية نفسها [9].

ويجب أن يُواءَم جسم المسبار ومقعد النافذة مع الكيمياء. فبيانات Haynes عن HASTELLOY C-276، وهي سبيكة نيكل-كروم-موليبدينوم، تُظهر تحسّناً كبيراً مقارنةً بالفولاذين المقاومين للصدأ 316L و254SMO في حمض الهيدروكلوريك فوق نحو 5 %، ومقاومةً للأحماض المؤكسدة وغير المؤكسدة، ومقاومةً عالية للتنقّر والتآكل الشقّي وتشقّق التآكل الإجهادي الناجم عن الكلوريد [10]. وتشير صحيفة البيانات نفسها إلى أن معدن اللحام يتآكل أسرع من المادة المشغولة، وتشجّع على إجراء اختبارات ميدانية قبل الاستخدام الصناعي [10]. والحدود حقيقية: ففي اختبار Haynes بالكلور الرطب المشبع، تعرّضت قسائم C-276 في الطور السائل عند 80 °C لتآكل شديد في معدن اللحام وهجوم بين حبيبي، في حين لم تُظهر C-22 أي هجوم موضعي [11]. والمسبار ملحوم وغالباً ما يحمل سبيكة مختلفة عند مقعد النافذة، ولذلك تنتمي قائمة المواد الملامسة للوسط إلى مراجعة التطبيق لا إلى خيار افتراضي في الكتالوج [10][11].

الختم والضغط والمطابقة

وصلة النافذة بالمعدن هي حيث يلتقي التصميم البصري بالتصميم الميكانيكي: فأختام المطاط الصناعي تسمح باستبدال النافذة لكن لها حدوداً حرارية وكيميائية، والوصلة الملحومة بالقصدير أو بالنحاس توسّع المدى على حساب إدارة الإجهاد الحراري. وقد ربط Ockenfels وآخرون نافذة من الياقوت باللحام النشط بشفة معدنية عبر حلقتين على شكل حرف C من معدنين مختلفين تخفّفان الإجهاد الحراري، وشغّلوا خلية بنافذتي رؤية من هذا النوع بين 20 و450 °C عند ضغوط تصل إلى 330 bar دون تسرّب قابل للقياس [12]. وفي الاتحاد الأوروبي، تخضع معدات الضغط والتجميعات التي يتجاوز ضغطها الأقصى المسموح به 0.5 bar للتوجيه 2014/68/EU، ولذلك فإن ما إذا كان المسبار المُدخَل يُعدّ ملحقاً ضغطياً للوعاء، وما التصنيف والوثائق التي يحتاجها، مسألة مطابقة لا ادعاء في كتيّب [13]. وتترتّب على ذلك ثلاث نقاط عملية:

• اختر الهندسة بحسب الوسط. السوائل الصافية أو المعتدلة التشتت: النفاذ أو النفاذ الانعكاسي؛ والأوساط المسبّبة للتلوّث أو اللزجة أو شديدة الامتصاص: ATR، مع قبول أن الطبقة السطحية وحدها هي التي تُستشعر [3][4].
• حدّد مواصفات الليف لا المسبار وحده. ليف منخفض OH، وأقصر مسار يسمح به المخطط، وليف ذو طلاء محكم حيث يوجد الهيدروجين [6][7].
• خذ المرجع وتحقّق على المسبار المركَّب. أطياف خلفية عند درجة حرارة العملية ومعايرة مبنية عبر النافذة والليف والفجوة الفعلية، لأن امتصاص النافذة وفقد الليف جزء من الطيف المُقاس [6][9].

كيف تتعامل USTECH مع ذلك

صُمّم محلل FT-NIR العملياتي ProLine2550 للاستخدام في الخط على المفاعلات وخطوط الأنابيب والخلاطات مع السوائل والملاط وتدفقات المواد الصلبة البسيطة، ويضع ProLine17EC مستشعر NIR بصفيف InGaAs خلف نافذة من الياقوت مختومة بحلقة O داخل غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ 316. وتُختار هندسة الواجهة والسبيكة الملامسة للوسط والختم بحسب وسط العملية ودرجة حرارتها وضغطها؛ ثم تُبنى المعايرة في caliX على أطياف مجمّعة عبر الواجهة المركَّبة وتُوصل بنظام التحكم عبر ProChem. ونقطة البداية دراسة جدوى على عيناتكم الخاصة وفي ظروف عمليتكم الخاصة.