监测工业流体的方法及工业流体的处理的制作方法

监测工业流体的方法及工业流体的处理的制作方法
【专利摘要】通过采用微分离子迁移率光谱仪对工业流体采样，可以监测工业流体。该方法还可以包括利用场非对称离子迁移率光谱仪的输出结果，控制工业设备或工业过程。该方法还包括在把样本引入场非对称离子迁移率光谱仪中之前，利用设备调节样本。
【专利说明】监测工业流体的方法及工业流体的处理

【技术领域】
[0001] 本公开涉及监测工业流体（industrial fluid)。本公开尤其涉及作为随后处理工 业流体的过程的一部分的这种监测。

【背景技术】
[0002] 通常希望监测工业流体。例如，化学制造过程中的动态过程进料流可能需要密切 的监测，以维持正在制备的产品或中间材料的质量。尽管需要，但是监测工业流体并非总是 无问题的。可能影响这种监测的因素有许多。
[0003] -个因素是安全性。在原油的精炼中，利用热和高压把原油转换成汽油和其它石 油产品。这些材料中的许多材料易挥发并且易燃。一些材料甚至有毒。
[0004] 再一个因素是效率。例如，如果监测工业流体的方法需要从不易接近或者远程位 置获取样本，那么所述监测的成本可能超过其价值。
[0005] 另一个因素是及时。随着采用计算机操作工业过程的部分（通常是重要部分）的 控制器的出现，为了充分利用这种控制器的特征来跟踪和捕捉异常事件，实时分析已变得 重要。在本领域中，希望的是采用一种方法来监测工业流体，所述方法安全、高效，并且可以 用于产生实时或近实时的结果。


【发明内容】

[0006] 在一个方面，本发明是一种监测工业流体的方法，包括采用微分离子迁移率光谱 测定法（differential ion mobility spectrometry)对工业流体进行采样。所述方法还可 以包括利用场非对称离子迁移率光谱仪（field asymmetric ion mobility spectrometer) 的输出结果，控制工业设备或工业过程。所述方法还可以包括在把样本引入场非对称离子 迁移率光谱仪中之前，利用设备来调节（condition)样本。
[0007] 在另一方面，本发明是一种包含在采用用于对工业流体采样的场非对称离子迁移 率光谱测定法的工业过程中生产的中间产品或最终产品的组合物（composition)，其中所 述中间产品或最终产品在组成上不同于未利用微分离子迁移率光谱仪制备的产品。
[0008] 在另一方面，本发明是一种包含微分离子迁移率光谱仪，过程控制器，和场非对称 离子迁移率光谱仪与过程控制器之间的接口的系统。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 通过参考附图详细说明本发明的实施例，本发明的以上及其它特征和优点将变得 更明显，其中附图图解说明假设示例1的系统。

【具体实施方式】
[0010] 对本申请来说，术语"工业流体"包括气体和液体两者。它还包括室温下可能为固 体，但是在工业过程中为流体的材料。工业流体局限于含水流体和不含水流体，包括作为含 水流体与不含水流体的混合物并且存在于：油气的开采或生产中，原油的精炼中，和化学产 品的制造中的乳状液和其它多相流体。
[0011] 对本申请来说，工业流体具体包括（但不限于）：冷却水，工艺用水（process water),油田钻井和完井流体，油气井产流体（oil and gas well production fluid),原 油，脱盐单元的进料流，脱盐单元的流出物（outflow),精炼厂和化工厂传热流体,气体洗漆 器流体，化工厂和精炼厂单元进料流，精炼厂和化工厂中间产品流，和精炼厂和化工厂产品 流和成品流。
[0012] 在本申请的方法的实践中，采用诸如场非对称离子迁移率光谱测定法（FAIMS)之 类的微分离子迁移率光谱测定法（DMS)来监测工业流体。在本发明的一个实施例中，DMS是 基于离子的气相分离的，所述离子的气相分离归因于离子的迁移率在高电场和低电场中的 差异。这些分离的离子可以被量化。在这种方法中，通过利用载气（通常是空气或者诸如 氮气之类的惰性气体），使离子流过两个平行电极之间的间隙，并且在垂直于气流的方向上 (通常利用电磁波，比如射频电磁波）施加非对称振荡电场。在一些实施例中，在约0.7MHz 到约I. 5MHz的频率下，这些电场可以在作为低场的〈1000V/cm到作为高场的约20000? 30000V/cm的范围内。
[0013] 电极之间的非对称场引起离子的振荡运动，这导致这些离子与电极表面碰撞，从 而导致随后的离子损失，不过对于目标（Of interest)离子，通过增加称为补偿电压（CV) 的适当dc电位可以防止离子损失，所述补偿电压将抵消由非对称场引起的净位移（net displacement)，并且把目标离子保持在气体流中，或者保持在所述间隙的中央，在一些实 施例中，可以利用法拉第板来检测所述目标离子。在给定的温度、湿度和分离场的条件下， 补偿电压是是目标离子的特性。通过扫描一定范围的电压，并监测在检测器中出现的离子， 可以确定目标被分析物的补偿电压。
[0014] 包含DMS的任何设备可以和本公开的方法一起使用。例如，包含FAMS的设备可 以和本公开的方法一起使用。也可以使用混合系统。例如，在本发明的一个实施例中，采用 DMS和离子迁移率光谱测定法（MS)的级联设备可以在本公开的方法中利用。尽管DMS是 一种比较新的分析技术，不过，基于DMS的设备（比如FAMS分析仪）可以从市场上获得。 例如，Owlstone公司具有可商业获得的设备。Charles Stark Draper Laboratory公司（从 事本领域的最早实体之一）在这领域也有供应品。
[0015] 在采用DMS时，有时可以直接从工业流体或工业流体流把样本引入DMS设备中。应 用这种方法的限制和任何其它DMS设备是相同的。例如，流体可以是足够易流动的以进入 到仪器中并且离子是可检测到的，流体能够是充分可挥发的，以致流体能够被蒸发，并且所 产生的气体随后能够不凝结或不分解地通过检测器。
[0016] 由于不是所有的流体都满足上面列出的限制，因此有时必须采用设备来预处理工 业流体。本领域普通技术人员已知的可以用于这种应用的任何方法可以和本公开的方法一 起使用。例如，在一个实施例中，可以利用预浓缩器来处理工业流体，以增大目标被分析物 的相对浓度，降低不良（undesirable)流体的出现。在另一个实施例中，工业流体可以经历 提取过程。在另一个实施例中，在被引入DMS设备之前，工业流体可以经历预加热或者第一 分离过程，比如气相色谱法（gas chromatography)。
[0017] 尽管可以手动地采用DMS设备，不过DMS设备实时或者至少近实时地产生结果的 事实使之可以用在自动过程控制应用中。对本申请来说，术语"实时"通常意味"足够快速， 以致可用于控制工业过程"，并且具体地小于约10分钟。在一些实施例中，DMS设备可以在 不到约5分钟内产生结果。在其它实施例中，DMS设备可以在不到约2分钟内产生结果。
[0018] 利用DMS分析样本有必要要求样本可离子化。本领域普通技术人员已知的可以 用于离子化样本的任何方法可以和本公开的方法一起使用。例如，在本公开的发明的一 个实施例中，可以利用电喷雾离子化。在另一个实施例中，可以采用基质辅助激光解吸离 子化（matrix-assisted laser desorption ionization)或者快原子轰击（fast atom bombardment)。在另一个实施例中，可以采用化学处理或衍生剂来预处理流体，以促进待检 查物质的挥发。
[0019] 在本公开的方法的一些实施例中，所述方法还包括利用DMS设备的输出结果，控 制工业设备或工业过程。在一个实施例中，所述输出可以被直接用于控制过程的组成部分 (element)。例如，可以监测不良化合物，并且响应不良化合物的浓度来操作阀门或泵以加 速或减慢特定的过程流。在另一个示例中，所述输入用于改变过程流的pH。在另一个示例 中，本公开的方法可以用于优化诸如腐蚀抑制剂、水合物抑制剂、防污剂、防沫剂、防垢剂、 破乳剂之类添加剂的用量。
[0020] 在另一个实施例中，DMS设备的输出被用作过程的计算机模型的输入。本公开的 方法的这个方面在复杂的精炼和化学生产单元中特别有用。在这种应用中，可能存在许多 输入，当利用模型处理（crunch)时，所述许多输入导致许多工艺变量的变化。例如，不良成 分的增多可能并不仅仅需要改变单一管柱（string)的单一流动，而是需要改变半打进料 流的速率，并且增加温度和/或压力。在一些实施例中，输入可以来自于精炼厂内的第一单 元中的DMS设备，不过，所述输入可能需要对实际进行测量的单元的上游或下游的生产单 元进行改变。
[0021] DMS设备的优点的另一个示例在于它可以容易地被传送到远程位置。期望在远程 位置监测工业流体的应用有许多。例如，许多油井位于非常遥远的位置，在本领域中理想的 是在一些应用中，直接在井口进行测量。
[0022] 不论是远程使用（比如在用于输送原油的管道的收集点处），还是在精炼厂中直 接使用，本公开的方法都可以用于控制向单元或者向油井或者甚至向成品或中间产品添加 "添加剂"。例如，在特别需要的应用中，DMS设备可以和Baker Hughes Sentry System? - 起使用，以控制添加剂向油井的流动。在一个实施例中，可以如此来控制腐蚀抑制剂的流 动。在另一个实施例中，利用这种系统，可以把硫化氢清除剂引入油井中。在精炼厂中，可 以采用诸如消泡剂之类的其它添加剂。利用本公开的方法，可以采用本领域普通技术人员 已知有用的任何添加剂。
[0023] 在另一个方面，本发明是一种包含在采用用于采样工业流体的场非对称离子迁移 率光谱仪的工业过程中生产的中间产品或最终产品的组合物，其中所述中间产品或最终产 品在组成上不同于未利用DMS设备制备的产品。
[0024] 本发明的一个实施例是一种包含在采用用于对工业流体采样的场非对称离子迁 移率光谱仪的工业处理中生产的中间产品或最终产品的组合物，其中所述中间产品或最终 产品不同于未利用DMS设备制备的产品。以下的应用是例证性的，而不是对本实施例的限 制。
[0025] 在本公开的方法的一种应用中，可以采用DMS设备来监测燃料。例如，在一个实施 例中，可以针对例如乙醇的存在，监测汽油。通常，可以监测的其它化合物包括伯醇、仲醇和 叔醇；胺；用作腐蚀抑制剂、清洁剂、减排添加剂的羧酸；等等。
[0026] 甚至可以监测柴油。例如，有时在柴油中存在胡萝卜素和硝酸乙基辛酯。本 公开的方法可以用于针对β -胡萝卜素和/或硝酸乙基辛酯的存在，来监测柴油。
[0027] 尽管在许多情况下，可以针对目标特定化合物，监测工业流体，不过有时必须间接 地进行。例如，通过确定有机硝酸盐的水平，可以监测柴油中的十六烷值增进剂。利用本公 开的方法，也可以监测用作润滑剂、腐蚀抑制剂和分散剂的羧酸、酰胺或酯；用作抗氧化剂 的胺，和用在生物燃料中的酯等。
[0028] 采用本公开的方法，可以监测传热系统。在采用氟利昂?的这种系统中，可以针对 作为泄漏证据的氟利昂的存在来监测系统的外部。在利用水作为传输介质的系统中，可以 针对不良化合物的存在来监测水。这种化合物可能是不良的，因为它们会损害系统，比如腐 蚀性材料。在备选方案中，不良化合物可能是不良的，因为它们指示泄漏的存在。例如，当 利用冷却水从包括胺的处理流带走热量时，可以针对胺的存在来监测冷却水。
[0029] 尽管利用DMS设备可以监测任何工业流体，并且其都在本公开的范围内；不过，理 想的是监测任意以下化合物：伯胺、仲胺和叔胺；有机卤化物；有机酸及其盐（通常出现腐 蚀性化合物）；季胺（吡啶）；多元酸；二聚体-三聚体酸；和卤代有机酸。如上简要所述， 诸如柴油之类的燃料为目标特定化合物供以燃料。例如，除了 β_胡萝卜素之外，理想的是 具体针对诸如脂肪酸甲酯；酸衍生物（酰亚胺、酰胺、内脂和内酰胺）之类的化合物，监测燃 料和生物柴油。
[0030] 在另一种柴油应用中，脂肪酸甲酯可以用作润滑添加剂的存在的指示。
[0031] 另一种应用可以是重油（比如"C"级重油等）和浙青中的硫化氢的监测。
[0032] 巯基乙醇、巯基乙酸和2-巯基乙基硫醚的存在可以用作在产品或精炼中间流体 中存在腐蚀抑制剂的指示。乙二醇、多元醇、聚二甲基硅氧烷可以指示防沫剂在工艺流体中 的存在。有机卤化物，尤其是C 1-Cltl氯化溶剂可以指示石蜡控制添加剂、清洁剂/脱脂剂在 原油中的存在。
[0033] C1-C22有机酸可以指示润滑添加剂在燃料中的存在。羟基酸可以用于确定除污化 学物质在精炼流体中的存在。咪唑啉、烷基吡啶季铵化合物、酰亚胺、酰胺、硫代磷酸酯、磷 酸酯、聚胺、二甲基脂肪胺和季铵化二甲基脂肪胺的存在可以用于监测生产流体或精炼流 体中的腐蚀抑制剂。乙烯-乙酸乙烯酯可以用于监测冷流添加剂在燃料中的存在。
[0034] 可以针对诸如苯二胺（PDA)、受阻酚和有机硝基氧化物（nitroxides)之类化合物 的存在，监测石化工业流体。诸如羟胺、亚硝酸盐、亚硫酸盐、Ν，Ν' -二乙基羟胺、肼和抗坏 血酸之类的除氧剂在石化工业流体中也是值得关注的，并且可以利用本公开的方法监测。 NOx/SOx化合物在任何该化合物被排放到环境中的地方，这样的化合物在工作流体中也是 可以值得关注的。本公开的方法可以用于确定石化流体中的用过的/可用的有机硝基氧化 物的存在，以监测稳定添加剂。
[0035] 废水是本公开的方法特别适合于的另一种工业流体。在一个实施例中，本公开的 方法用于监测废水中的三唑和聚三唑。利用本公开的方法，还可以确定杀虫剂和废水的浓 度。也可以监测磷酸盐和膦酸盐。可以利用本公开的方法监测的用于废水中的任何其它添 加剂在本公开的范围之内。
[0036] 在另一个实施例中，可以在称为冷却水/锅炉水/工艺用水的处理过的水中，普遍 采用本公开的方法。例如，可以针对羟胺的存在，监测锅炉水。可以针对作为防垢剂的指示 的丙烯酸和磺酸的存在，监测冷却水。可以针对挥发性有机化合物的存在，监测通常意义上 的冷却水系统，并且尤其是冷却塔的流出物，是为了环境监测并且为了作为一种确定泄漏 的发生的方法。
[0037] 在另一个非限制性实施例中，本公开的方法可以用在特定的处理流中。在一个这 样的实施例中，本公开的方法用于确定烷化单元中的极低水平的污染物的有无。另一个这 样的实施例可以是其中把本公开的方法用于确定作为腐蚀性极大的化合物的有机酸是否 在蒸馈单元中进入塔顶（going overhead)。
[0038] 在另一方面，本发明是一种包含在采用用于采样工业流体的场非对称离子迁移率 光谱测定仪的工业过程中生产的中间产品或最终产品的组合物，其中所述中间产品或最终 产品在组成上不同于未利用DMS设备制备的产品。例如，本公开的方法可以用于监测从精 炼厂中的蒸馏单元塔顶输送的有机酸的量。在一个实施例中，本公开的方法用于监测并在 需要时，引入添加剂，以除去或者至少减少塔顶输送到蒸馏单元中的有机酸。利用这种方法 生产出的燃料必定具有较少的酸，并且因此，腐蚀性较小。这样的处理在本公开的范围之 内。
[0039] 本公开的发明的另一个方面是一种包含DMS光谱仪，过程控制器，和场非对称离 子迁移率光谱仪与过程控制器之间的接口的系统。在多数实施例中，控制器是计算机或者 包括计算机。所述接口可以简单为数据电缆，或者可以是诸如蜂窝电话机之类的远程通信 设备，或者甚至某种形式的无线电-卫星遥测。
[0040] 在本公开的发明的另一方面，DMS设备可以用于确定目标被分析物的浓度，并且随 后利用该数据来准备预测模型。例如，可以在流体中监测乙醇胺，以预测当通过热交换器或 者塔顶线（overhead line)时，所述流体是否会产生将形成盐（例如，乙醇胺盐酸盐）并且 导致结垢和腐蚀的情形。
[0041] 示例
[0042] 提供以下示例，以举例说明本发明。以下示例并不意图限制本发明的范围，并且不 应如此理解所述示例。除非另有说明，否则量是重量份或者重量百分比。
[0043] 假设示例1
[0044] 脱盐流出液
[0045] 请参见图1。利用FAMS设备（101)监测在管线终点的脱盐单元（100)，FAMS设 备（101)输出指示乙酸和丙酸的浓度的信号（102)。流出的脱盐原油（104)的样本（103) 被发送到FAIMS设备，并且输出信号被发送到Baker Hughes Sentry?系统（105)，Baker Hughes Sentry?系统（105)然后被用于控制经管道（107和108)的腐蚀抑制剂（106)的 供给。新的产物流体流进入脱盐单元，使得指示酸性化合物的高浓度的报警状态被发送给 Sentry系统。Sentry系统然后开始增大对脱盐单元的流入液的处理速率,直到脱盐流出液 通过FAMS设备产生在脱盐单元的预置极限内的稳态响应。
[0046] 假设示例2
[0047] 蒸馏单元的精炼原油进料
[0048] 利用FAIMS设备监测正在提供给蒸馏单元的原油进料流，FAIMS设备输出指示乙 醇胺的浓度的信号。FAMS设备的输出作为蒸馏控制模型的主输入被输到控制器。乙醇胺的 水平被用作调整蒸馏单元中的进料速率、温度和压力的因素，以使在蒸馏单元中在塔顶获 得的胺的量降至最小。
[0049] 假设示例3
[0050] 蒸馏单元的精炼原油进料的第二种情况
[0051] 示例2的条件被大体相同地再现，除了对所述方法所实施的变化都未在降低去 向塔顶（going overhead)的乙醇胺的量的方面获得成功之外。控制器随后开始增大 EXCALIBUR?污染物减少添加剂的量。
[0052] 假设示例4
[0053] 监测锅炉给水
[0054] 利用FAMS仪器监测锅炉给水中的除氧剂（即，N，N二乙基羟胺）的水平，作为腐 蚀监测程序的一部分。该仪器还监测在整个蒸汽回路的各个位置的蒸汽冷凝液中的中和胺 (环己胺、吗啉、单乙醇胺等）的水平。该仪器监测中和剂的分布，从而监测当前的pH，以控 制腐蚀，并且根据发现的中和剂的量允许添加更多/更少的中和剂。
【权利要求】
1. 一种监测工业流体的方法，包括采用微分离子迁移率光谱测定法来采样所述工业流 体。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括利用所述微分离子迁移率光谱测 定法控制工业过程。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中利用场非对称离子迁移率光谱仪，进行所述微分 离子迁移率光谱测定法。
4. 根据权利要求3所述的方法，还包括在把工业流体引入场非对称离子迁移率光谱仪 中之前，调节所述工业流体。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述工业流体选自包括水流体、不含水流体、和含 水流体与不含水流体的混合物的组中。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述工业流体选自包括作为含水流体与不含水流 体的混合物的乳状液和其它多相流体的组中。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中所述工业流体选自包括存在于油气的开采或生产 中的流体、存在于原油的精炼过程中的流体、和存在于化学产品的制造过程中的流体的组 中。
8. 根据权利要求2所述的方法，其中所述工业流体选自包括冷却水、工艺用水、油田钻 井和完井流体、油气井产流体、原油、脱盐单元的进料流、脱盐单元的流出物、精炼厂和化工 厂传热流体、气体洗涤器流体、化工厂和精炼厂进料流、精炼厂和化工厂中间产品流、和精 炼厂和化工厂产品流和成品流的组中。
9. 根据权利要求2所述的方法，还包括采用离子迁移率光谱测定法采样所述工业流 体。
10. 根据权利要求4所述的方法，其中利用预浓缩器，进行所述工业流体的调节。
11. 根据权利要求4所述的方法，其中利用分离设备，进行所述工业流体的调节。
12. 根据权利要求2所述的方法，其中实时进行所述离子迁移率光谱测定法。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中采用选自包括电喷雾离子化、基质辅助激光解吸 离子化、快原子轰击离子化和化学离子化的组中的方法，使所述工业流体离子化。
14. 根据权利要求2所述的方法，其中通过利用所述微分离子迁移率光谱测定法的输 出来直接控制在所述工业过程中的一个或多个设备，来控制所述工业过程。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个设备选自包括阀和泵的组中。
16. 根据权利要求2所述的方法，其中通过利用所述微分离子迁移率光谱测量法的输 出来优化添加剂的用量，来控制所述工业过程。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述添加剂选自包括腐蚀抑制剂、水合物抑制 齐[J、防污剂、防沫剂、防垢剂、破乳剂和它们的组合的组中。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中利用所述微分离子迁移率光谱测定法确定所述 工业流体内的目标被分析物的浓度，并且随后利用浓度测定来准备预测模型。
19. 一种包含在采用用于采样工业流体的场非对称离子迁移率光谱测定法的工业过程 中生产的中间产品或最终产品的组合物，其中所述中间产品或最终产品在组成上不同于未 利用微分离子迁移率光谱仪制备的产品。
20. -种包含微分离子迁移率光谱仪，过程控制器，和场非对称离子迁移率光谱仪与过 程控制器之间的接口的系统。
【文档编号】H01J49/26GK104246491SQ201380022055
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月30日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】S·R·皮纳普, B·G·哈瑞里, R·G·瑞彻蒂恩, J·J·维尔斯, C·L·桑多, J·M·布朗 申请人:贝克休斯公司