测量碳氢化合物中的水蒸汽制造技术

可以使用差分吸收分光计来检测和量化一种或多种碳氢化合物气体的背景内的低浓度水蒸汽。脱水的样品气体被用作背景样品，其吸收光谱允许排除不是因为气体中的水蒸汽而造成的吸收特征。可以使用可调谐二极管激光器作为光源来记录吸收光谱，这些激光器可以具有波长带宽，该波长带宽窄于用于分析差分吸收光谱的水蒸汽吸收特征。

【技术实现步骤摘要】
本申请是分案申请，原申请的申请日为2007年4月19日、申请号为200780020902.X(PCT/US2007/009648)、专利技术名称为“测量碳氢化合物中的水蒸汽”。相关申请本专利申请根据35U.S.C.§119法案，要求2006年4月19日提交的序列号为NO.60/793,404，标题为“MEASUREMENT OF MOISTURE IN OLEFIN GASES”(“烯烃气体中的水分测量”)的美国临时专利申请的优先权，该临时申请的全部内容通过参考合并于此。
在此公开的主题涉及碳氢化合物气体混合物中的水蒸气的测量。
技术介绍
目前可利用的用于表征碳氢化合物气体混合物中水蒸汽的技术存在各种各样的缺点。例如，此领域所需的持续维护和校正使其使用起来非常麻烦并且非常昂贵。此外，这些技术可能校准困难，随时间偏移，通常不能提供快速响应和较短的恢复时间，并且可能导致不确定的和错误的测量。一种传统技术通过使气体混合物流经冷镜，测量气体混合物中水蒸汽的露点。当镜的温度是气体混合物的露点或低于气体混合物的露点时，被取样的气体混合物中的水分在镜上冷凝。为了估计水蒸汽的浓度，使用适当的从热到冷的范围来扫描镜的温度，而且当在镜表面开始冷凝时，温度被测量。露点是气体混合物的相对湿度的函数，露点之后被转换成气体混合物中的水蒸汽的分压或浓度。检测镜上冷凝可以通过视觉或光学装置完成。例如，光源可以通过镜反射到检测器，并且通过改变从镜中反射的光线检测浓度。该观测也可以通过人眼完成。然而，已经证明冷凝开始的准确点不能用一致和可重复的方法检测。此外，因为镜的温度动态地通过露点，所以测量中的误差较大。此外，较低蒸汽压的气体混合物组分，诸如高分子量烃、乙醇类、和乙二醇类，冷却时也可以在镜上冷凝。自动联机系统不能辨别在镜面上冷凝的气体混合物组分，而且人工系统通常需要技能熟练的操作员。另一种传统技术使用两个邻近隔开的、平行的镀有五氧化二磷(P2O5)薄膜的线圈。线圈上施加的电位将镀膜吸收的水分子电解成氢和氧。电解反应的电流消耗与进入传感器中的水蒸汽的质量成比例。必须准确控制流速和引入样品的压强，以维持进入传感器的标准样品质量流速。然而，线圈上的油剂、液体或乙二醇的冷凝引起读数偏移，将永久地导致错误读取和使得传感器无用。气体混合物中大量的水将弄湿表面，使传感器饱和，并且在可以重新准确测量之前需要几十分钟到几百小时来“干燥”。此麻烦过程在使用此类传感器的实际的石油化工过程中非常普遍。有效的样品调制和移除液体是必要的，但是在使用此类传感器的实际的石油化工过程中难以实现。另一个传统技术利用压电吸附。此仪器用来比较吸湿地镀膜的石英晶体振荡器的频率变化。由于吸湿镀膜吸附水蒸汽，晶体的质量改变，因而石英晶体的共振频率改变。传感器是相对测量装置，其需要具有干燥剂、渗透管、和样品线路开关的集成校准系统。暴露在高湿度下的石英晶体振荡器可能导致湿气扩散到晶体中，从而永久地改变晶体的振荡属性和湿度的检测灵敏度。此外，正如上述基于电解的系统，随着传感器头的“干燥”，水滴可使系统长时间地失去功能。这些仪器也遭受乙二醇、甲醇、和其他极性分子干扰以及遭受硫化氢的损坏。然而，所需的校准系统不够准确，并且增加了成本和系统的机械复杂度。频繁更换干燥剂、渗透组分、和传感器头的工作大大增加了操作成本。也可以使用氧化铝和氧化硅传感器。这些传感器包括惰性基底材料和两层介电层，其中惰性基底材料和两层介电层都对湿气敏感。气体混合物中的水分子穿过传感器裸露面上的气孔，并且引起裸露面下面的层的物理属性的改变。在氧化铝传感器中，两金属层形成电容器的电极。传感器的介电常数随着传感器表面吸收水分子而改变。传感器电容与水的浓度有关。氧化硅传感器是光学装置，其折射率随着敏感层吸收水分而改变。当光线经过基底反射时，可以根据与湿度精确相关的输出检测波长偏移。使用氧化铝和氧化硅传感器，水分子花时间进入和离开气孔，导致润湿和干燥延迟，尤其暴露在高水分期间和暴露在高水分之后。污染物和腐蚀物将损坏并阻塞气孔，导致校准损失和使得传感器永久地无用。和压电和电解传感器一样，这些传感器也遭受乙二醇、甲醇、和其他有机化合物干扰。由于损坏或堵塞，传感器的表面变得无活性，从而使校准偏移，所以校准在传感器寿命初期最可靠。
技术实现思路
在第一方面，碳氢化合物气体混合物的第一样品被脱水以减少其水蒸汽浓度，并且在指定波长记录第一样品的第一吸收光谱。在指定波长记录碳氢化合物气体混合物的第二样品的第二吸收光谱，并且第一吸收光谱和第二吸收光谱产生差分吸收光谱。分析差分光谱来确定碳氢化合物气体混合物中水蒸汽的浓度。在各种可选方面，可以使用谐振光谱法、直接吸收光谱法、单线吸收峰光谱法、或多线吸收峰光谱法来记录第一吸收光谱和第二吸收光谱。通过使用指定波长的光照射第一样品、测量光线穿过第一样品的第一透射强度、和将测得的透射强度传送到数据分析装置，可以选择性地记录第一吸收光谱，与此同时，通过使用指定波长的光照射第二样品、测量光线穿过第二样品的第二透射强度、和将测得的透射强度传送到数据分析装置，可以记录第二吸收光谱。可以在单个样品室内相继记录第一吸收光谱和第二吸收光谱。可选地，可以在第一样品室和第二样品室内使用基本相同的光路长度来并行地记录第一吸收光谱和第二吸收光谱。在第二相关方面，装置可以包括光源、样品室、脱水器、一个或多个阀门和光电探测器；其中光源可以发出指定波长的光束，脱水器可以减少碳氢化合物气体混合物的第一样品中的水蒸汽，一个或多个阀门用于选择性地将碳氢化合物气体混合物的第一样品或第二样品提供到样品室，光电探测器位于可以量化穿过样品室的光线的位置。所述装置还包括微处理器。当样品室包含第一样品时，微处理器记录来自光电探测器的第一吸收光谱，当样品室包含第二样品时，微处理器记录第二吸收光谱、计算第一吸收光谱和第二吸收光谱的差分吸收光谱，并且基于差分吸收光谱计算第二样品中水蒸汽的浓度。在第三个相关方面，装置可以包括光源、脱水器、第一样品室和第二样品室，其中光源发出指定波长的光束，脱水器用于减少碳氢化合物气体混合物的第一样品中的水蒸汽，第一样品室包含第一样品，第二样品室包含碳氢化合物气体混合物的第二样品。第二样品室具有与第一样品室基本相同的路径长度。所述装置还包括光学组件，该光...

【技术保护点】
一种方法，其包括：将碳氢化合物气体混合物的第一样品脱水，以降低所述第一样品的水蒸汽浓度，而没有影响所述碳氢化合物气体混合物的所述第一样品的其他组分的浓度；记录所述第一样品在指定波长的第一吸收光谱；记录包含初始水蒸汽浓度的所述碳氢化合物气体混合物的第二样品的第二吸收光谱，所述第二吸收光谱与所述第一吸收光谱并行或相继获得；由所述第一吸收光谱和所述第二吸收光谱产生差分吸收光谱，其中所述差分光谱通过从所记录的第二光谱减去所记录的第一吸收光谱产生；以及分析所述差分光谱以确定所述碳氢化合物气体混合物中水蒸汽的浓度，其中所述浓度在没有任何校准的情况下获得。

【技术特征摘要】
2006.04.19 US 60/793,4041.一种方法，其包括：
将碳氢化合物气体混合物的第一样品脱水，以降低所述第一样品
的水蒸汽浓度，而没有影响所述碳氢化合物气体混合物的所述第一样
品的其他组分的浓度；
记录所述第一样品在指定波长的第一吸收光谱；
记录包含初始水蒸汽浓度的所述碳氢化合物气体混合物的第二样
品的第二吸收光谱，所述第二吸收光谱与所述第一吸收光谱并行或相
继获得；
由所述第一吸收光谱和所述第二吸收光谱产生差分吸收光谱，其
中所述差分光谱通过从所记录的第二光谱减去所记录的第一吸收光谱
产生；以及
分析所述差分光谱以确定所述碳氢化合物气体混合物中水蒸汽的
浓度，其中所述浓度在没有任何校准的情况下获得。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳氢化合物气体混合物
包含一种或多种烯烃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用谐波光谱方法来记录所
述第一吸收光谱和所述第二吸收光谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一吸收光谱的记录包
括：使用指定波长的窄光谱光线照射所述第一样品，该窄光谱基本与
水蒸汽吸收谱线相符；测量穿过所述第一样品的光的第一透射强度；
并且将测得的强度传送到数据分析装置；以及
所述第二吸收光谱的记录包括：使用指定波长的窄光谱光线照射
所述第二样品，该窄光谱与水蒸汽吸收谱线基本一致；测量穿过所述
第二样品的光的第二透射强度；并且将测得的强度传送到数据分析装
置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述指定波长是使水蒸汽具

\t有与所述碳氢化合物气体混合物的其他组分不同的可分辨差分吸收特
征的波长。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述指定波长是使水蒸汽具
有与所述碳氢化合物气体混合物的其他组分的吸收特征基本一致的吸
收特征的波长。
7.根据权利要求1所述的方法，其中带有100ppm的水蒸汽浓度
的空气对所述指定的波长的吸收至少近似于包含碳氢化合物的干燥空
气对所述指定的波长的吸收的0.0000001倍，其中干燥空气包含的碳氢
化合物的浓度近似等于所述碳氢化合物气体混合物中碳氢化合物的浓
度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中带有100ppm的水蒸汽浓度
的空气对所述指定的波长的吸收至少近似于包含碳氢化合物的干燥空
气对所述指定的波长的吸收的0.001倍，其中干燥空气包含的碳氢化合
物的浓度与所述碳氢化合物气体混合物中碳氢化合物的浓度相等。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述指定的波长可以从
1359.5nm、1856.7nm、2605.6nm、1361.7nm、1859.8nm、2620.5nm、
1368.6nm、1877.1nm、2626.7nm、1371.0nm、1890.3nm、2630.6nm、
1392.2nm、1899.7nm、2665.1nm、1836.3nm、1903.0nm、2676.1nm、
1840.0nm、1905.4nm、2711.2nm、1842.1nm、2573.6nm、2724.2nm、
1847.1nm、2583.9nm、2735.0nm、1854.0nm、2596.0nm和2740.3nm
中选择。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括提供来自二极
管激光器的所述指定波长的激光束，该激光束的波长范围约在
400nm-3000nm之间。
11.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括提供来自量子
级联激光器的所述指定波长的激光束，该激光束的波长范围约在

\t400nm-20,000nm之间。
12.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括提供非线性光
学处理产生的所述指定波长的窄光谱光束，该光束的波长范围约在
400nm-20,000nm之间。
13.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括提供由激光器
产生的所述指定波长的激光束，该激光器可以从色心激光器、固态激
光器、气态激光器或液态激光器中选择。
14.根据权利要求1所述的方法，其中使用光电探测器记录所述第
一吸收光谱和所述第二吸收光谱，该光电探测器可以从砷化铟(InAs)、
砷化镓(GaAs)、磷砷化铟(InAsP)、锑化铟(InSb)、砷镓化铟(InGaAs)、
硅、锗、碲镉汞(MCT)和硫化铅(PbS)探测器中选择。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳氢化合物气体混合物
的压强至少是1Pa。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一吸收光谱和所述第
二吸收光谱在单个样品室中被相继记录。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一吸收光谱和所述第
二吸收光谱在具有基本相同的光路长度的第一样品室和第二样品室内
被并行记录。
18.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括将所述第一样
品和所述第二样品保持在恒定温度下。
19.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括测量所述碳
氢化合物气体混合物的温度，并且使用该测量作为湿度计算的输入。
20.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括将所述第一样

\t品和所述第二样品保持在恒定压强下。
21.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括测量所述碳氢
化合物气体混合物的压强，并且使用该测量作为湿度计算的输入。
22.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括使用露点传感
器、压电吸收传感器、五氧化二磷电解传感器和氧化铝或氧化硅传感
器中的一个来测量所述碳氢化合物气体混合物中水蒸汽的浓度。
23.一种装置，其包括：
调制的激光光源，其发射指定波长的光束；
样品室；
脱水器，在通过所述脱水器后，所述脱水器减少碳氢化合物气体
混合物的第一样品中的水蒸汽，而没有影响所述碳氢化合物气体混合
物的所述第一样品的其他组分的浓度；
一个或多个阀门，用以将所述碳氢化合物气体混合物的所述第一
样品或第二样品可选择地提供到所述样品室，所述碳氢化合物气体混
合物的所述第二样品包含初始水蒸汽浓度；
光电探测器，其被放置以量化穿过所述样品室的光；以及
微处理器，当所述样品室包含所述第一样品时，该微处理器记录
所述光电探测器的第一吸收光谱，当所述样品室包含所述第二样品时，
该微处理器记录第二吸收光谱，该微处理器计算所述第一吸收光谱和
所述第二吸收光谱的差分吸收光谱，其中所述差分光谱通过从所记录<...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·周，
申请(专利权)人：光学传感公司，
类型：发明
国别省市：美国;US