FT-NIR Analysis of the Hock Process for the Production of Phenol and Acetone

Význam tématu

Produkce fenolu a acetonu z cumenu pomocí Hockova procesu je průmyslově klíčová díky nízkým vstupním nákladům a vysoké kvalitě produktů. Kontrola meziproduktu cumen-hydroperoxidu (CHP) je kritická pro bezpečnost, optimalizaci výtěžku a prevenci tvorby nežádoucích vedlejších produktů. Rychlá a spolehlivá analytická metoda přímo v procesu umožňuje okamžitou regulaci provozních podmínek a snižuje množství mimo specifikaci, laboratorní zátěž i časové prodlevy mezi odběrem vzorku a výsledkem.

Cíle a přehled studie / článku

Účelem prezentované aplikace bylo demonstrovat využitelnost FT‑NIR spektroskopie (systém Thermo Scientific Antaris) pro kvantitativní sledování CHP a cumenu v průběhu Hockova procesu. Studie porovnávala čas a přesnost FT‑NIR versus tradiční titrační metodu a ukázala možnost reálného času, vícebodového měření v rámci kontinuálních oxidačních věží a destilačních kolon.

Použitá metodika a instrumentace

Spektrální sběr a zpracování:

• Systém: Thermo Scientific Antaris EX (procesní FT‑NIR) s možností více paralelních sond (Antaris EX/MX).
• Pro měření byl použit vláknový optický průzkumný (fiber optic) probe s optickou délkou 1 mm z důvodu potřeby zachovat absorpci v oblasti nižších vlnových čísel (zejm. ~4800 cm⁻¹).
• Sběr: 32 souhrnných skenů při rozlišení 8 cm⁻¹, což dává čas sběru spektra ~20 s; pozadí naměřeno vzduchem pro korekci prostředí a interakcí se sondou.
• Spektroskopické charakteristiky: klíčové absorpční maxima CHP u ~6800 cm⁻¹ a ~4800 cm⁻¹ (OH skupina peroxidu); rozdíly cumenu patrné především v oblasti 6000–5600 cm⁻¹.
• Zpracování: 2. derivace spektra s Norris filtrem (segment length = 11, gap = 0) pro zvýraznění skrytých rysů a odstranění drobných baseline posunů.
• Kalibrace: multivariační PLS (partial least squares) modely s vybranými spektrálními regiony: 5272–4671 cm⁻¹ pro CHP a 6000–5457 cm⁻¹ pro cumene.

Hlavní výsledky a diskuse

Modely PLS dosáhly vysoké přesnosti přes široké koncentrační rozsahy: 0–80 % pro CHP a 6–100 % pro cumen. Statistické ukazatele a vlastnosti modelu:

• RMSEC (root mean square error of calibration): CHP 0,169 %; cumen 0,323 %.
• RMSECV (root mean square error of cross‑validation) pro CHP: 0,362 %, což indikuje dobrou prediktivní schopnost na nezávislých vzorcích.
• Optimální složitost modelu: 3 faktory pro CHP, 4 faktory pro cumen; nízký počet faktorů naznačuje, že hlavní spektroskopická variabilita koresponduje s koncentrací sledovaných složek a model není přeučen.
• PRESS analýzy ukázaly prudký pokles chyby při započtení prvních faktorů, tedy dobře kondicionované kalibrace.

Spektrální analýza prokázala jasné, specifické absorpce CHP, které nezasahují významně do oblastí cumenu, čímž jsou minimalizovány mezisložkové interference a umožněna spolehlivá vícekonstrukční kvantifikace.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy nasazení FT‑NIR pro sledování Hockova procesu:

• Rychlost: tradiční titrace vyžaduje ~30 minut, laboratorní NIR ~5 minut, in‑line FT‑NIR umožňuje měření za ~20 sekund — umožňuje skutečné reálné‑časové rozhodování.
• Vícebodové simultánní měření: možnost sledovat více oxidačních věží a destilačních proudů současně, poskytující „momentový snímek“ procesu.
• Úspora nákladů: snížení zmetků, menší potřeba laboratorních analýz a rychlejší reakce na odchylky procesu.
• Bezpečnost a provozní robustnost: instrumenty s certifikovaným krytím (EX) pro výbušné či korozivní prostředí a možnost instalace přímo do potrubí nebo nádrží.

Budoucí trendy a možnosti využití

Nasazení FT‑NIR pro reálné procesní řízení je v souladu s průmyslem 4.0 a očekává se více integrovaných systémů se živým streamováním dat do řídicích center a automatickým uzavíráním regulačních smyček. Potenciální směry rozvoje:

• Vylepšení algoritmů strojového učení pro robustnější kalibrace napříč provozními podmínkami a matrice.
• Rozšíření počtu současně monitorovaných komponent v komplexních směsích a integrace výsledků do prediktivní údržby a rozhodovacích systémů.
• Miniaturizace a zvýšení odolnosti sond pro náročnější provozy a delší bezúdržbový provoz.

Závěr

FT‑NIR s procesními sondami (Antaris EX/MX) představuje rychlou, přesnou a provozně vhodnou alternativu ke klasické titraci pro sledování CHP a cumenu v Hockově procesu. Metoda nabízí výrazné zkrácení doby analýzy, možnost kontinuálního vícebodového monitoringu a spolehlivé kvantitativní výsledky s nízkými chybami kalibrace a validace. Implementace vede k lepšímu řízení procesu, nižším ztrátám a efektivnějšímu provozu chemických výrob.

Reference

• Thermo Fisher Scientific, Application Note 51711: FT‑NIR Analysis of the Hock Process for the Production of Phenol and Acetone, Chris Heil, 2008.