如何优化流程工艺过程?其中的一条途径就是在线过程分析技术,在这一技术的帮助下流程工业企业可以获得更大的收益

PAT过程分析技术——在今年的ACHEMA展中成为焦点。在它的帮助下，流程工艺技术将提高到新的高度。因此，如何把PAT过程分析技术纳入现有的控制系统结构之中成为一个非常吸引人的话题。

反应釜、管道或者搅拌设备运行的真实状况如何?用什么样的检测仪器才能真正看清流程设备的生产过程?在哪里打开观察流程工艺过程的窗口?

尽管这些问题还没有全部给出答案，但在过去几年里，过程分析技术正致力于这些工作。“随着小型化和快速数据处理技术的发展，一些复杂的分析技术例如过程光谱分析技术和在线色谱分析技术越来越多地成为流程工业中的标准化技术。在传感器的世界里，可以看到推动我们不断前进的几个发展趋势：一是仪器仪表的小型化趋势，而且这种小型化趋势仍将继续下去;另一个是光学检测系统的新光源，例如LED发光二极管光源，它将会带来一些创新性的应用;此外还有多传感器系统。”拜耳技术服务公司的Thomas Steckenreiter博士说道。

“过程分析技术的作用将随着工业4.0的实施显得愈加重要。”

——Thomas Steckenreiter博士，拜耳技术服务公司

如今，仅仅在线提供一个检测结果已经远远满足不了人们的需要，过程分析技术已经成为质量保证的重要因素，例如保证流程工艺的中间检测参数与最终成品的检测参数差异在规定允许的范围之内。而过程分析技术的应用领域贯穿了整个流程工业，例如在高分子工业领域、食品生产领域或者制药工业领域，甚至在批次确认时都可以利用过程分析技术。

流程设备高可用性的支柱

对于Steckenreiter先生来讲，流程工艺技术中的PAT过程分析技术是保证流程设备高可用性和不断提高成品质量的支柱。“过程分析技术的意义将随着工业4.0的贯彻落实愈加重要。在实现人机交互的愿景时，PAT过程分析技术将自动成为产品与质量管理以及生产与安全之间的接口。”Steckenreiter先生说。

当前，人们正在努力使过程分析技术的分析方法更加强大，具有更好的在线性能。同时也提出了开发新型传感器的要求，以便为过程分析中的应用提供更强大的功能和广泛的应用。近期的Namur大会也对传感器技术进行了专题讨论，未来的传感器将模仿人类的感官收集信息，以便做出最终决策。在技术上，已经可以实现仿生传感器，例如把光学传感器当作手机摄像头，用于单色光源结晶过程的二维散射图案拍摄和检测并使这些信息能够用于过程控制。另一个例子是测量仪器设备专家Krohne公司与汉堡技术大学合作开发的新产品微型质谱仪。Krohne公司正在开发的X射线层析摄影技术也受到了业界的关注，它能够反应盐粒在管道中的溶解过程。

创新技术与控制调节技术的结合

未来，智能传感器必须能够自我标定。但自我标定的数据从何而来，如何使用自我标定的数据?这就需要过程分析技术与创新性控制调节技术的结合，例如先进过程控制技术与过程分析技术的结合。

为了能够检验这种相互结合的实际性能，不久前欧洲开始了名为Recoba的研究项目(以节约能源和原材料为目的的跨部门先进过程控制和批次工艺过程优化的实时检测)。除项目协调员巴斯夫公司外，还有许多欧洲的工业企业和科研机构也参与了这一项目的研究。

在这一项目中，巴斯夫的重点工作是开发乳化液共聚过程在线控制调节的预测模型。“我们的目标是用模型支持的在线过程控制调节方法替代目前以在固定时间段进行重复检测为基础的检测方法。”巴斯夫公司的项目负责人Libor Seda博士介绍说。通过这种新的控制调节技术，流程工业的过程控制可以建立在当前的最新技术水平之上。新技术的控制调节机制能够实现过程控制变量地实时控制和调节，始终遵循着最佳的流程工艺曲线，控制调节流程设备的生产运行，从而保证获得所希望的高质量的最终产品。在乳化液共聚过程中所控制的产品特性包括固体物质含量、共聚物组成成分和聚合乳胶颗粒的形态等。“模型支持下过程控制的优点是能够在最高的时间效率和节能效率情况下，保证最严格的质量标准要求，因为整个流程工艺过程都在遵循着最佳的工艺过程曲线进行生产。”Seda先生说。这可以显著提高反应器的生产效率，同时也节约了反应器加热和冷却所需的能源。

尽管做了大量的研发工作，并且很多企业已经在生产中应用了过程分析技术，但它仍然需要一个被接受的过程。Steckenreiter先生肯定地说道：“说句真心话，我认为最大的挑战不是技术方面的问题，而是用户间的相互沟通。在复杂的分析技术方法和传感器系统中，PAT过程分析技术的价值往往不易得到准确评估，因为它的技术性太强。客户很难在使用前就看到和认识到它的高附加值。”

分析与控制的共生

Evonik公司清楚地认识到过程分析技术的高附加值。通过应用过程控制实时优化系统，十年内可以为企业节约5 000万欧元，整个过程只需对APC系统补充一套RTO实时优化系统即可。

在调节过程中，除考虑了流程设备的技术参数外，实时优化系统也会根据市场因素进行生产优化调节，例如原材料的价格和能源价格等。根据这些数据，实时优化系统不断地测算着最佳的流程工艺曲线和流程设备的操作条件，并把测算的数据和信息传递给APC系统。目前，实时优化系统已经在炼油企业中得到应用，尤其是大型的炼油厂。在过去的六年里，Evonik公司已经在高性能材料生产企业部分设备的APC系统中安装了24套实时优化系统。“我们成功的关键是把实时优化系统与自动化技术结合到一起。”Evonik公司流程工艺技术与工程部计算机辅助工艺工程与自动化业务负责人Hans-Rolf Lausch博士解释说。

ACHEMA展中的PAT过程分析技术

从药品生产到火力发电

浓度测定

利用Sensotech公司的Liqui Sonic分析检测技术可以直接在流程工艺生产过程中测定液体介质的浓度。

这一检测技术可以在化学品生产过程中使用;例如在硫酸、氯碱电解、烟尘洗涤、相分离过程、结晶或者聚合等工艺过程中使用。检测分析传感器可以直接安装在管道或者容器中。传感器的检测数据每秒钟更新一次，供在线计算机和流程设备控制系统使用。

最重要的话题

Analytics公司研发生产的Falcata系列和Excalibur系列潜水光学传感器是拐角式传感器转化器Ceramat和Senso Gate的最好补充。

这种潜水传感器可以在流程设备生产运行过程中进行计量检定和维护保养。它使得光学传感器的清洁变得非常简单方便，因此也非常适合于在线检测中使用。另外，该公司也展出了全球第一种获得3A认证的近红外光学传感器。可以对重要的卫生参数进行在线检测和主动的控制调节。

比实验室快捷的在线检测

Endress+Hauser公司研发生产的Liquiline CA80AM科里奥利氨分析仪按照科里奥利标准检测原理的靛酚蓝分光光度法进行检测。借助该分析仪，污水净化设备的操作者可以按照ISO 7150-1标准、DIN 38406-5标准和GB 7481-87标准可靠地进行氨含量检测。

与常规的实验室检测相比较， Liquiline CA89AM在线分析仪能够更快地提供检测结果。在污水净化过程中能够更快地对污水中的氨含量变化做出反应，准确地调整曝气系统。在污水净化池的出水口处，这一检测系统能够提供准确的氨含量调整数据，满足环保要求。

防止锈蚀

锈蚀是蒸汽发电厂的天敌。它会出现在管道、涡轮机叶片和转子等零部件上。因此，必须不间断地对水蒸汽循环系统中腐蚀性阴离子的浓度进行检测，并且能够在微量的范围内进行检测。Metrohm德国公司研发生产的离子色谱分析仪满足了在线检测监控的要求。