4.7. Об аналитическом контроле в промышленности*

Ю.А. Золотов

*{По материалам пленарного доклада на V Всероссийской конференции по химической технологии. Волгоград, май 2016 г.}

Термины «химический анализ» и «аналитический контроль», как известно, не являются синонимами. Аналитический контроль – это использование химического анализа для проверки соответствия химического состава объекта наперёд заданным требованиям, установленным нормам. Обычно же выполнение химического анализа, понятно, не связано с априори установленными нормами содержаний.

Аналитический контроль в химических, металлургических и иных производствах складывается из трёх направлений: 1) экспресс-анализ по ходу технологических процессов, 2) маркированный анализ сырья и продукции и 3) экологический контроль производства. Можно назвать ещё арбитражный анализ, но он не является массовым.

Экспресс-анализ (контроль технологических процессов). Значение экспресс-анализа и одновременно его сложность увеличиваются по мере интенсификации, по мере ускорения технологических процессов. Требование оперативности является в этом случае главным, при этом обычно предъявляются менее жёсткие требования к многокомпонентности контроля, а часто и к точности анализа. Вот известный пример усложнения экспресс-контроля: при мартеновской плавке стали можно было относительно не торопясь отобрать пробу, более или менее спокойно провести её анализ и успеть учесть его результаты для корректировки условий плавки. В случае же конверторной плавки, продолжительность которой почти в десять раз меньше, это сделать намного труднее, но столь же важно.

Потребности в экспресс-анализе стимулировали создание совершенно новых методов и приёмов анализа; они разрабатывались и разрабатываются постоянно.

Рис. 1. Уменьшение времени на определение углерода в стали.

Время анализа стали на содержание углерода впечатляющим образом уменьшалось на протяжении десятилетий (рис. 1) [1]. Были разработаны способы определения газообразующих элементов (азота, водорода, кислорода, серы) в расплавленном металле. Созданные в своё время в СССР на металлургических заводах автоматизированные системы аналитического контроля (АСАК) (рис. 2) в существенной степени обеспечили контроль технологических процессов [2]. Успешно осуществляется экспресс-контроль и в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, где важную роль играют промышленные газовые хроматографы [3, 4], позволяющие относительно быстро проводить многокомпонентный анализ, а также разные анализаторы и химические сенсоры, дающие возможность контролировать содержание отдельных веществ, в том числе «посторонних», как, например, ионов металлов или хлоридов в нефти.

Рис. 2. Схема АСАК в металлургии.

Общая методология экспресс-контроля технологических процессов может быть разной: off-line, at-line, on-line, in-line, non-invasive. В случае off-line анализа отбирается проба, доставляется в лабораторию, результат анализа сообщается в цех. Если речь идёт об at-line контроле, то предполагается, что аналитические приборы находятся в цехе. On-line анализ характеризуется тем, что из технологического потока через байпас непрерывно отбирается часть перемещающейся в потоке смеси и эта часть проходит через непрерывно работающий анализатор. Если же датчик анализирующего устройства поместить непосредственно в технологический поток, мы будем иметь дело с in-line контролем. Наконец, в принципе возможен непрерывный анализ вообще без какого-либо контакта с анализируемым объектом, например, за счёт использования токов высокой частоты.

Если химический состав контролируемого объекта может быстро меняться со временем, периодический контроль оказывается неэффективным, нужен непрерывный, а следовательно автоматизированный анализ [5]. Автоматизация обеспечивает не только надёжность контроля в указанном смысле, не только обеспечивает ускорение анализа и повышение его производительности, но также имеет своим результатом исключение субъективных ошибок. Существует общее стремление избежать по возможности операций пробоподготовки, например разделения и выделения аналитов, иными словами – стремление к прямому неразрушающему анализу.

В этой связи следует сказать не только о многочисленных создаваемых и используемых анализаторах, но и о химических сенсорах. Эти устройства, несомненно, будут играть существенную роль в аналитическом контроле, а в ряде случаев уже и играют, прежде всего в контроле за содержанием газов.

Понятие «химический сенсор» ещё не устоялось. Иногда к таким сенсорам относят вещества, материалы или устройства, просто реагирующие на изменение химического состава среды, например меняющие электросопротивление или окраску. Однако для использования в химическом анализе этого недостаточно; в лучшем случае достаточно для обнаружения самого факта присутствия влияющего вещества, и то только в случае, если доказано, что другие вещества, присутствие которых возможно, гарантированно не мешают. Для количественного анализа нужно многое другое. С точки зрения профессионального аналитика под химическим сенсором для количественного анализа можно понимать устройство, часто портативное и относительно недорогое, позволяющее без отбора проб и без пробоподготовки, непрерывно (а следовательно, функционируя обратимо), с малым временем отклика определять содержание нужного вещества в данной среде (рис. 3).

Рис. 3. Набор газовых сенсоров.

Аналитический контроль технологических процессов, даже шире – аналитическая химия процессов, – оформляются в отдельную область аналитической химии. Журнал Analytical Chemistry публикует обзоры под названием Process Analytical Chemistry, даже аббревиатура РАС стала общепонятной. В университете штата Вашингтон, в Сиэттле, давно существует Центр такой аналитической химии под названием СРАС (произносится «Сипак»). Под названием Process Analytical Chemistry проходят конференции и издаются монографии. Проходит даже дифференциация этой области. В фармацевтической области контроль технологических процессов называют PAT – Process Analytical Technology [6], здесь существенное место отводится использованию инфракрасной спектрометрии в ближней области и другим спектрометрическим методам контроля в сочетании с приёмами хемометрической обработки данных.

Ничего в аналитическом контроле не сваливается с неба. Потребности диктует производство, возможности обеспечивает наука. Один пример того, что дала наука. Кафедра аналитической химии МГУ совместно с Магнитогорским металлургическим комбинатом разработала рентгенофлуоресцентный способ непрерывного определения железа и кальция в концентрате железной руде, поступающей по транспортёру в доменную печь (рис. 4,5) [7–9]. Метод внедрён и, более того, комбинат как будто бы распространяет его на другие металлургические предприятия.

Лежащие в основе экспресс-контроля принципы – по возможности прямого анализа преимущественно физическим методами, непрерывности, автоматизированности, возможности оперативно влиять на сам технологический процесс и другие – и далее будут определять развитие этой области и обеспечивать условия и возможности совершенствования самих технологических процессов.

Маркировочный анализ. Маркировочный анализ – основной в аналитическом производственном контроле по объёму, многообразию контролируемых объектов и аналитов, широте спектра используемых методов. Он включает контроль сырья, в ряде случаев полупродуктов и, конечно, финишной продукции. Уровень требований здесь может быть высоким с точки зрения точности, производительности, перечня контролируемых показателей; в ряде случаев нужны и высокая чувствительность. Маркировочные анализы обычно осуществляются в стационарных лабораториях. В мощных производствах, думающих о будущем, лабораторные анализы, часто уже не рутинные, используются и при разработке новых технологий.

Рис. 4. Схема рентгенофлуоресцентного анализа концентрата железной руды на транспортёре.

В общеметодологическом плане – это более или менее обычный количественный анализ. Специфика проявляется в природе анализируемых объектов и перечне решаемых задач; эта специфика предопределяет, например, набор используемых методов. Если в металлургических или машиностроительных производствах, где важнее всего элементный анализ, основными являются методы атомной спектрометрии, то в нефтехимии и нефтепереработке, где центральным является молекулярный анализ сложных смесей, на первое место выходят хроматографические методы.

Большую роль при осуществлении маркировочного анализа играет обеспечение и контроль качества анализа (QA/QC), аттестация, унификация и стандартизация методик, вообще следование различной нормативно-технической документации, начиная с ГОСТов, а также аккредитация, лицензирование лабораторий [10].

Экологический контроль. За последние десятилетия сильно возросли требования к экологическому контролю производств. Если, начиная с 1930-х годов прошлого века, упор делался в основном на санитарно-гигиенический контроль рабочей зоны, главным образом воздуха, то в настоящее время объектами контроля являются и газовые, жидкие, иногда и твёрдые выбросы, отходы, а подчас и сама продукция – с точки зрения её экологической безопасности.

В ряде случаев решать такие задачи очень трудно, особенно принимая во внимание постоянное ужесточение требований [11]. Примером может служить экологический контроль на химических заводах по уничтожению химического оружия. Здесь чрезвычайно высоки требования по чувствительности обнаружения и определения не только самих ОВ, но и продуктов их превращений, их деструкции.

Общие вопросы аналитического контроля. Парадокс: чем совершеннее, отлаженнее, стабильнее технология, тем меньше потребность в аналитическом контроле. Однако, поскольку применить все эти эпитеты можно лишь к очень немногим технологиям, значение аналитического контроля, несомненно, очень велико.

Практика показывает, что затраты на аналитический контроль всегда себя оправдывают за счёт совершенствования технологии, улучшения качества продукции, избавления от штрафов за грязные выбросы и т.д.

Не слишком опытные руководители производств иногда склонны ставить перед аналитиками сверхзадачи, например задачу обеспечить максимальную точность. Между тем хорошо известно, что точность не всегда должна быть максимально возможной (даже если она возможна), требуемая точность должна сообразовываться с требованиями к качеству объекта и стоимостью анализа.

Для организации хорошего аналитического контроля нужны хорошие кадры. Не раз уже отмечалось неблагополучие в этой сфере. В аналитических службах предприятий, во всяком случае на руководящих постах, часто работают выпускники технических и технологических вузов. Они могут неплохо знать производство, но редко имеют хорошую подготовку как аналитики. С другой стороны, выпускники-аналитики классических университетов практически не знают ни одного производства. Задача давно сформулирована: технические и технологические вузы должны выпускать инженеров-аналитиков.

---

Вы можете обсудить книгу, и возможно задать вопрос автору в
Facebook группе "Книги. Издательство. Репринт.".
Также в этой группе можно узнать о новостях Издательства книг PRESS-BOOK.RU.

Наши книги  |  Наши авторы