Korozif Kimyasal Reaktörler için Fiber Optik Arayüz Tasarımları

Spektrometrenin ne gördüğünü arayüz neden belirler

Yakın kızılötesi spektroskopi kimya ve ilaç endüstrisindeki yerini büyük ölçüde ölçüm noktasının cihazdan ayrılabilmesine borçludur: Reich, numune konumu ile spektrometrenin fiber optik sondalarla birbirinden ayrılmasını tekniğin başlıca avantajları arasında sayar [1]. Bir reaktörün içinde bu kolaylığın bedeli, kararlı bir optik yolu korurken ortama, sıcaklığına ve basıncına dayanması gereken ıslanan bir arayüzdür. Kalibrasyon yalnızca bu arayüzden geri dönen ışığı görür; temel kaynakların numune sunumunu cihazın bir parçası olarak ele almasının nedeni budur [2].

Geçirgenlik, transfleksiyon veya ATR

Sıvı fazdaki reaktör uygulamalarının çoğunu üç geometri karşılar. Geçirgenlik sondası ışığı iki pencere arasındaki bir aralıktan bir kez geçirir; transfleksiyon sondası ışığı bir aynayla geri döndürür, böylece ışık aralığı iki kez geçer ve sonda, fiberleri tek uçta olan tek bir daldırma elemanına dönüşür; zayıflatılmış toplam yansıma (ATR) ise ışığı yüksek kırılma indisli bir kristalin içinde yönlendirir ve yalnızca kristale temas eden numune katmanını algılar. Fahrenfort ATR ilkesini şöyle tarif etmiştir: yoğun ortamdan kritik açının üzerinde gelen ışınım, numunenin soğurduğu yerler dışında tamamen yansıtılır ve bir geçirgenlik spektrumuna benzeyen yüksek kontrastlı bir spektrum verir [3]. ASTM E573, iç yansıma ölçümlerine ilişkin teoriyi, etkileyen parametreleri ve pratik kılavuz ilkeleri bir araya getirir [4].

ATR yalnızca kristal yüzeyindeki katmanı algıladığından, geçirgenlik aralığının kirleneceği güçlü soğuran, viskoz veya partikül yüklü ortamlara uygundur; NIR bölgesinin daha zayıf üst ton ve kombinasyon bantları ise genellikle, kullanılan bantların absorbansına göre ayarlanmış bir aralıkla geçirgenlik veya transfleksiyon modunda ölçülür [2][4]. Kristal malzemesi geometri kadar önemlidir: Kemsley ve ark., yaygın ATR kristallerinin gıda teması onayı bulunmadığı için paslanmaz çelik bir fiber optik sondaya safir bir ATR kristali yerleştirmiş, safiri sert, inert ve toksik olmadığı için seçmiştir [5].

Fiber bağlantı: hidroksil ve hidrojen

Işığı analizör ile sonda arasında silika fiber taşır ve fiberin kendi soğurması da ölçümün bir parçasıdır. Humbach ve ark., silikadaki bağlı hidroksilin (SiOH) yaklaşık 2,7 µm civarında bir temel bant oluşturduğunu ve 1,38 µm civarındaki bant dâhil olmak üzere üst ton ve kombinasyon bantlarının bir fiberin OH kaynaklı geçirgenliğini belirlediğini bildirir [6]. Dolayısıyla fiber sınıfı (uzun dalga boyu bölgesi için düşük OH) ve fiber uzunluğu, kullanılabilir aralığın ne kadarının gidiş-dönüş yolculuğundan sağ çıkacağını belirler; çünkü fiberin OH bantları pek çok kalibrasyonda kullanılan su ve kombinasyon bantlarıyla örtüşür [6].

Hidrojen ikinci mekanizmadır. Stone'un derlemesi, moleküler hidrojenin üst ton soğurmasını, OH gruplarının oluşumunu, fiber ve kablo malzemelerindeki yaygın hidrojen kaynaklarını ve hidrojen girişine karşı önlemleri ele alır [7]. Bir hidrojenasyon reaktöründe veya hidrojence zengin bir tesis atmosferinde, hermetik kaplamalı fiber ve onu çevreleyen kablo malzemeleri optik tasarımın bir parçasıdır [7].

Pencereler ve ıslanan alaşımlar

Safir (tek kristal Al₂O₃) reaktör sondaları için olağan pencere malzemesidir; mekanik, kimyasal ve optik özellikleri Dobrovinskaya ve ark. tarafından derlenmiştir [8]. Gryvnak ve Burch, safirin soğurma katsayısının 0,56 ile 6 µm arasındaki çoğu dalga boyunda sıcaklık arttıkça yükseldiğini ve 4 µm altındaki kırılma indisinin de sıcaklıkla arttığını bulmuştur [9]. Dolayısıyla pencere geçirgenliği ve optik yol sıcaklıktan tam olarak bağımsız değildir; bu, arka plan spektrumunu sonda proses sıcaklığındayken toplamak için bir gerekçedir [9].

Şaft ve pencere yuvası kimyaya uygun seçilmelidir. Haynes'in nikel-krom-molibden alaşımı HASTELLOY C-276 için verdiği veriler, yaklaşık %5 üzerindeki hidroklorik asitte 316L ve 254SMO paslanmaz çeliklere göre büyük bir iyileşme, oksitleyici ve oksitleyici olmayan asitlere direnç ve klorür kaynaklı çukurcuk korozyonu, aralık korozyonu ve gerilmeli korozyon çatlamasına karşı yüksek direnç gösterir [10]. Aynı veri sayfası, kaynak metalinin dövme malzemeden daha hızlı korozyona uğradığını belirtir ve endüstriyel kullanımdan önce saha testlerini önerir [10]. Sınırlar gerçektir: Haynes'in doymuş ıslak klor testinde, 80 °C sıcaklıkta sıvı fazdaki C-276 kuponlarında şiddetli kaynak metali korozyonu ve taneler arası saldırı görülmüş, C-22'de ise lokal saldırı görülmemiştir [11]. Bir sonda kaynaklıdır ve pencere yuvasında çoğu zaman farklı bir alaşım taşır; bu yüzden ıslanan malzemeler listesi bir katalog varsayılanında değil, uygulama incelemesinde ele alınmalıdır [10][11].

Sızdırmazlık, basınç ve uygunluk

Pencere-metal birleşimi optik ve mekanik tasarımın buluştuğu yerdir: elastomer contalar pencere değişimine izin verir ancak sıcaklık ve kimyasal sınırları vardır; lehimli veya sert lehimli bir birleşim ise ısıl gerilmelerin yönetilmesi pahasına kullanım aralığını genişletir. Ockenfels ve ark., bir safir pencereyi, ısıl gerilmeyi azaltan farklı metallerden iki C biçimli halka aracılığıyla aktif lehimleme ile metal bir flanşa bağlamış ve bu tür iki gözetleme penceresi taşıyan bir hücreyi 20 ile 450 °C arasında, 330 bar'a kadar basınçta ölçülebilir sızıntı olmadan çalıştırmıştır [12]. Avrupa Birliği'nde azami izin verilen basıncı 0,5 bar üzerinde olan basınçlı ekipman ve donanımlar 2014/68/AB sayılı Direktif kapsamına girer; dolayısıyla daldırılan bir sondanın kabın bir basınç aksesuarı sayılıp sayılmadığı ve hangi anma değerine ve belgelere ihtiyaç duyduğu bir broşür iddiası değil, bir uygunluk sorusudur [13]. Buradan üç uygulama noktası çıkar:

• Geometriyi ortama göre seçin. Berrak veya orta derecede saçıcı sıvılar için geçirgenlik veya transfleksiyon; kirletici, viskoz veya güçlü soğuran ortamlar için, yalnızca yüzey katmanının algılandığını kabul ederek ATR [3][4].
• Yalnızca sondayı değil, fiberi de belirtin. Düşük OH'li fiber, yerleşimin izin verdiği en kısa hat ve hidrojen bulunan yerlerde hermetik kaplamalı fiber [6][7].
• Referansı ve doğrulamayı kurulu sonda üzerinde yapın. Arka plan spektrumları proses sıcaklığında alınmalı ve kalibrasyon gerçek pencere, fiber ve aralık üzerinden kurulmalıdır; çünkü pencere soğurması ve fiber kaybı ölçülen spektrumun parçasıdır [6][9].

USTECH bu konuya nasıl yaklaşıyor

ProLine2550 proses FT-NIR analizörü, sıvılar, bulamaçlar ve basit katı akışlarıyla reaktörlerde, boru hatlarında ve karıştırıcılarda hat içi kullanım için tasarlanmıştır; ProLine17EC ise InGaAs dizili bir NIR sensörünü, 316 paslanmaz çelik bir gövde içinde O-ring ile sızdırmazlığı sağlanmış bir safir pencerenin arkasına yerleştirir. Arayüz geometrisi, ıslanan alaşım ve conta prosesin ortamına, sıcaklığına ve basıncına göre seçilir; ardından kalibrasyon caliX içinde, kurulu arayüzden toplanan spektrumlar üzerinde kurulur ve ProChem aracılığıyla kontrol sistemine bağlanır. Başlangıç noktası, kendi proses koşullarınız altında kendi numunelerinizle yapılan bir fizibilite çalışmasıdır.