先進化學製程分析解決方案

先進化學製程分析解決方案
 
先進化學製程分析解決方案

拉曼(Raman)、可調式二極體雷射吸收光譜(TDLAS)

​  現今化工產業對即時監測與智慧製程控制的需求日益提升,過程分析化學(Process Analytical Chemistry, PAC)正成為推動效能、安全與品質躍進的關鍵技術。本文將討論拉曼光譜(Raman Spectroscopy)與可調式二極體雷射吸收光譜(TDLAS)等先進技術在化工製程中的實際應用及方案。




 
先進化學製程分析解決方案
 

 

自動化測量關鍵化學製程參數,提升工廠效能

  相較於氣相層析儀(Gas Chromatography, GC)或質譜儀(Mass Spectrometry, MS)等傳統分析設備,基於雷射技術的測量方法,如拉曼光譜分析儀(Raman Spectroscopy)與可調式二極體雷射吸收光譜儀(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS),展現出強大的潛力。這些分析儀器沒有活動部件,顯著降低取樣需求,維護更為簡便,且能在數秒內提供高精度的測量結果。此特性使得即時控制快速變化的製程成為可能,同時減少操作人員接觸危險化學品的風險。


》小知識:活動部件是什麼?

  活動部件(No Moving Parts)指的是儀器在運作過程中任何需要機械移動的部分,例如旋轉、推進或震動等機構,而沒有活動部件的設計能夠提升設備的穩定性與耐用性。


》小知識:為什麼拉曼光譜和TDLAS可以降低取樣需求?

  拉曼光譜分析儀(Raman Spectroscopy)與可調式二極體雷射吸收光譜儀(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)都屬於光學型分析儀器,可以直接在線上或非接觸式的方式量測製程氣體或液體,不需要將待測樣品導引至額外的分析儀系統,因此可以省去複雜的取樣與輸送步驟。


》小知識:拉曼光譜與TDLAS為什麼能在數秒內提供高精度的結果?

  拉曼光譜分析儀(Raman Spectroscopy)與可調式二極體雷射吸收光譜儀(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)之所以可以在短時間內完成高精度量測,關鍵在於它們屬於光學即時偵測技術,可以透過雷射光照射物質後所產生的光與分子或原子的能階互動,快速解析能量變化和組成特性。這類型的技術不需要等待樣品反應或化學變化即可獲得訊號,加上設備內建高靈敏感測器,能夠即時接收並轉換光訊號為數據,再透過高效演算法迅速運算與輸出結果,使整個分析流程在數秒內就可以完成,進而大幅提升反應監控與製程控制的即時性與準確性。


 

我們提供的協助

  我們的分析解決方案能夠快速、即時地測量(Real-time)化學成分,將操作成本與安全風險降至最低。我們專注於提供客製化的分析解決方案,協助用戶克服特定的測量挑戰,包括設計專屬探頭(Process-specific probes)、分析儀機架與機櫃。

  • 提供從可行性研究、調試與維護,到長期化學計量模型的完整應用支援​
  • 遵循全球產業標準設計製程分析化學解決方案
  • 擁有全球性的服務與支援網絡​


 

[1] 反應終點檢測與動力學控制

  聚合反應(Polymerization Reaction)通常在水溶液中進行,使用適當的界面活性劑或聚合乳化劑(Polymer Emulsifier),使單體保持穩定。可使用一種或多種單體,生成的聚合物或共聚物以穩定的懸浮液形式存在,通常為乳狀液體(Emulsion)。
 

我們的專業知識

  拉曼光譜分析儀(Raman Spectroscopy)是監測此類化學反應的理想解決方案,特別適合測量特定的雙鍵,且不會污染水溶液。

  • 頻帶比值(Band ratios)可以補償反應整體量測強度的變化​
  • 測量過程不會污染水溶液
  • 可在玻璃反應器或觀察窗外部進行測量
  • 與色譜分析與質譜分析結果高度一致


》小知識:為什麼拉曼光譜特別適合測量特定的雙鍵?

  拉曼光譜的基本原理是測量分子與雷射光互動後產生的非彈性散射(Raman Scattering),而雙鍵(Double Bonds)如 C=C 或 C=O,其鍵振動頻率明顯且具特徵性,這些頻率在拉曼光譜中會產生明確而且可被識別的峰值(Spectral Peaks),所以拉曼對這些鍵結的極化率變化(Polarizability Change)特別敏感,因此非常適合追蹤含有雙鍵的反應物與生成物濃度。


》小知識:頻帶比值(Band ratios)補償

  藉由比較不同波段(band)的光譜強度比值,可以排除因外部條件(像是光源變化、樣品濃度不一、路徑長度改變等)所造成的整體強度波動,讓分析結果更穩定、可靠。這種方法在光譜分析中很常見,尤其在拉曼光譜等量測技術裡,是一種常用的補償方式。

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[2] 即時測量氣體雜質

  進氣品質不合格可能導致工廠停機,造成高昂的成本,這在石化產業中尤為明顯。這是因為石化工業的製程極度依賴高純度氣體(如氫氣、氧氣、氨氣等)來驅動反應或保持催化劑活性。若進氣中含有污染物(Contaminants)如乙炔(C₂H₂)、硫化物、水氣等,可能會[1]引起毒化催化劑(Catalyst Poisoning),降低反應效率;[2]引發安全事故,例如爆炸或中毒;[3]損壞設備,導致生產中斷或大量維修。這些問題都會造成高額損失,甚至影響整體產能與交貨時程
 

我們的專業知識

  TDLAS 分析儀(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)可以監測進氣氣體的品質,選擇性地測量氨氣(NH₃)、水氣(H₂O)或乙炔(C₂H₂)等污染物的濃度。這些測量有助於改進製程控制,確保產品符合設計要求,防止催化劑中毒,並盡可能減少燃燒。
  TDLAS 分析儀僅需要數秒就可以提供可靠的測量結果,便於快速反應,我們為用戶提供完整的分析儀解決方案,包括樣氣採集與預處理系統,以及合適的分析儀機櫃。
 

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[3] 在線監測產品性能與品質

  聚合過程通常為半間歇反應過程(Semi-batch Process),能夠精確控制產品的組成,通過微調生產出滿足用戶特定要求的高性能材料。在反應過程中,必須嚴格控制反應物濃度,以避免生成不符合要求的產物。僅僅按照正確的比例添加反應物是不夠的。
 

我們的專業知識

  我們的拉曼分析儀(Raman Spectroscopy)對特定功能團非常敏感,例如聚合單體常見的乙烯基基團(–CH=CH₂)與烷基基團(–R,其中R表示一個烷烴鏈,如–CH₃、–C₂H₅等)。樣氣接口、光纖探頭與底座的連接接口設計簡單,便於在間歇反應器或製程管路上靈活調整底座位置。

  • 可選擇非接觸式光學部件,允許在反應器觀察窗外部進行測量​
  • 單台分析儀可同時測量多達四個反應器或製程管道中的氣體
  • 保證不同批次的平均分子量與聚合度分散性一致


》小知識:什麼是特定功能團(Functional Group)?

  功能團是指分子中具有特定化學性質的原子團,它決定了化合物的反應性與物理特性。而不同的功能團會對不同的分析技術(例如拉曼光譜、紅外線光譜)產生獨特的光譜反應。這些功能團指的是羧基(–COOH)、羥基(–OH)、胺基(–NH₂)、乙烯基(–CH=CH₂)等。

》小知識:什麼是半間歇反應過程(Semi-batch Process)?
  半間歇反應是一種化學反應操作模式,部分原料在反應開始前就加入反應器,另一部分則在反應進行中逐步添加。這種方式結合了間歇式(Batch)的靈活性與連續式(Continuous)的效率,優點是:[1]反應控制性強,可精細調整反應速率與生成物特性;[2]熱能管理容易,有助於避免過熱或副反應。
 

》小知識:什麼是樣氣接口(Sample Interface)?

  樣氣接口是連接待測氣體來源和分析儀器間的橋樑設備,它的作用包含導引氣體樣本至分析儀;控制流量、壓力與溫度;保護分析儀不受腐蝕性氣體或液體干擾。而在光學分析系統中,也可指與光纖探頭(Optical Probe)連接的光路進氣點。
 
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優勢展現

  製程分析化學(Process Analytical Chemistry, PAC)對於控制與優化化工製程至關重要。選擇 TDLAS 與拉曼光譜等在線分析技術,您將更深入地了解製程,更有效地實施即時控制。這將提升產量、提高品質,並提供安全的工作環境,使您的化工廠性能達到新的突破。​
 

 
TDLAS分析儀監測氣體汙染物
拉曼(Raman)監測聚合過程