一种低温混合物气液相平衡实验测试系统及其测定方法与流程

本发明涉及相平衡测试技术领域，具体涉及一种低温混合物气液相平衡实验测试系统及其测定方法。

背景技术：

气液相平衡数据是化工领域发展新产品、开发新工艺、进行混合物相变分离等操作的重要基础数据之一。化工生产中精馏、冷凝和蒸发等分离过程设备的改造与设计等操作均需要精确可靠的气液相平衡数据。目前，气液相平衡数据的实验测定方法主要有直接法与间接法两大类，直接法包括静态法、流动法和循环法，间接法包括露点法、泡点法以及总压法，其中直接法中的静态法较为常用。现有技术中低温混合物气液相平衡测试系统多采用单套气相色谱仪采集气相和液相样品，由此造成时间不同步，从而容易导致相平衡数据测量出现较大偏差。

技术实现要素：

本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种低温混合物气液相平衡实验测试系统及其测定方法。本发明为静态法测定混合物气液相平衡实验数据的装置及方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

发明目的：为克服现有技术不足，提高测量精度，本发明以低温相变分离富氧燃烧烟气中co2的研究为出发点，旨在提供一种更加精确的低温混合物气液相平衡实验测试系统及其测定方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种低温混合物气液相平衡实验测试系统，包括样品储罐、恒温系统、平衡釜、数据采集系统、组分测量系统和真空配气系统；所述平衡釜设在恒温系统内，样品储罐与平衡釜通过管道相通；数据采集系统、组分测量系统和真空配气系统分别与平衡釜相接。

工作原理：本发明测定低温混合物气液相平衡系统在使用时，平衡釜安装在恒温系统中，样品储罐向平衡釜内充注入待测气体，通过恒温系统为平衡釜维持设定温度，由数据采集系统采集压力、温度、气液相界面的形成与移动现象等数据，通过组分测量系统采集平衡釜内气液相组分，在样品采集与测量过程中，采用两组气相色谱仪对气液相组分进行同时采样，同时测量，避免单套气相色谱仪分别采集气相和液相样品所造成时间不同步而导致的相平衡数据的偏差，通过真空配气系统对平衡釜进行抽真空操作。

优选地，所述恒温系统包括恒温气浴装置、液氮杜瓦瓶、流量调节阀、自力式压力调节阀、制冷机、冷却盘管、温度控制器、电加热器、第一温度传感器和真空绝热罩；真空绝热罩设在恒温气浴装置外周，液氮杜瓦瓶、制冷机和温度控制器设在恒温气浴装置外，平衡釜、冷却盘管、电加热器和第一温度传感器均设在恒温气浴装置内，冷却盘管伸出恒温气浴装置与制冷机相接，电加热器和第一温度传感器伸出恒温气浴装置与温度控制器相接，液氮杜瓦瓶与恒温气浴装置通过管道相通，流量调节阀设在液氮杜瓦瓶与恒温气浴装置之间的管道上；自力式压力调节阀设置在恒温气浴装置底部；平衡釜安装在真空绝热罩内的恒温气浴装置中，维持恒温的冷量由制冷机通过冷却盘管与液氮杜瓦瓶通过流量调节阀提供，制冷机在进行230k～310k气液相平衡实验时为系统提供冷量，并结合电加热器微补偿控制气浴中的温度；而液氮杜瓦瓶在216～230k气液相平衡实验时为系统提供冷量，通过调节恒流量阀开度控制液氮消耗量，并结合电加热器微补偿控制气浴中的温度，自力式压力调节阀用于维持恒温气浴装置内部压力在安全范围。

优选地，所述数据采集系统包括计算机、数据采集仪、压力传感器、第二温度传感器、第一摄像仪和第二摄像仪，压力传感器和第二温度传感器分别通过数据采集仪与计算机相接，第一摄像仪和第二摄像仪均与计算机相接；压力传感器和第二温度传感器分别从平衡釜顶部伸入平衡釜内；平衡釜顶部和恒温气浴装置顶部对应位置设有第一可电加热防雾视窗，平衡釜侧壁和恒温气浴装置侧壁对应位置设有第二可电加热防雾视窗，第一摄像仪设在恒温气浴装置外对应第一可电加热防雾视窗处，第二摄像仪设在恒温气浴装置外对应第二可电加热防雾视窗处；第一、第二摄像仪能通过第一、第二可电加热防雾视窗观测气液界面形成与移动现象，第二温度传感器能获得平衡釜中混合物的温度，压力传感器测量平衡釜内压力，计算机能记载所有采集的测量及观测数据。

优选地，上述第二温度传感器为高精度铂电阻温度计，压力传感器为高精度绝对压力传感器。

优选地，所述组分测量系统包括第一气相色谱仪、第二气相色谱仪、气相采集阀、液相采集阀和气化容器；第一气相色谱仪、第二气相色谱仪分别与计算机相接，第一气相色谱仪通过管道与平衡釜底部相通，气化容器设在第一气相色谱仪与平衡釜底部之间的管道上，液相采集阀设在气化容器与第一气相色谱仪之间的管道上；第二气相色谱仪通过管道与平衡釜上部相通，气相采集阀设在第二气相色谱仪与平衡釜之间的管道上。采用第一、第二两套气相色谱仪同时采集微量气液相流体样品进行气/液相组分分析，能在平衡釜内达到平衡后，避免单套气相色谱仪分别采集气相和液相样品由于时间不同步而导致的相平衡数据偏差。

优选地，所述真空配气系统包括第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵；第一真空泵与样品储罐和平衡釜之间的管道相接，第二真空泵与真空绝热罩相接，第三真空泵分别与气化容器和平衡釜之间的管道、气相采集阀与平衡釜之间的管道相接；能为测定气液相平衡系统提供初始真空环境。

优选地，所述恒温气浴装置内设有风机，能促进气体循环，通过气体循环保证恒温气浴装置中温度快速均匀。

优选地，所述平衡釜内底部和恒温气浴装置底部设有非接触式磁力搅拌器，非接触式磁力搅拌器搅拌部分设在平衡釜内底部，控制部分设在对应搅拌部分的恒温气浴装置底部；采用非接触式磁力搅拌，既能促进气液相中热质传递，加快实现平衡釜内部的相平衡状态，又能避免直接接触搅拌方式对平衡釜高压密闭性能的影响。

优选地，所述样品储罐为2个及以上，每个样品储罐底部均设有电子天平，能定量控制注入样品的质量。

一种低温混合物气液相平衡实验测定方法，包括如下步骤：

(1)系统气密性检测：在实验操作开始之前，首先应对实验系统进行气密性检测，确定系统气密性良好之后，开启第一真空泵和第二真空泵，对系统进行抽真空操作；

(2)平衡釜清洗：系统经过抽真空操作之后，充入0.1kg-0.2kg高沸点的co2，静置一段时间后，将系统内气体排出并再次进行抽真空操作；反复多次之后，确保系统内的杂质气体被充分的置换排除干净，最大程度的降低系统内杂质对实验过程及结果的影响；

(3)实验样品配备与充注：系统经过多次清洗操作之后，根据实验目的及要求，记录各所需样品储藏罐的初始质量，采用单级蒸汽压缩制冷机组为平衡釜和恒温气浴装置进行预冷，预冷到230k后，平衡釜继续降温和恒温通过液氮喷淋来实现(由于液氮的充注，恒温气浴装置内部会出现压力过高的安全风险，需在自力式压力调节阀门上设置恒温气浴装置安全压力值，当压力达到设定值后，阀门自动打开泄压，确保恒温气浴装置内部压力在安全范围)，打开管道上对应样品储罐阀门及平衡釜进气阀门，对系统进行样品充注操作，为确保充注量的准确，阀门开度应先大后小；

(4)设定实验温度：当系统内实验样品充注完成后，在温度控制器上设定实验所需温度条件，打开风机和非接触式磁力搅拌器，加速系统热质传递，等待系统温度达到设定值；

(5)记录温度、压力数据：当系统达到设定温度并稳定在±0.01k、压力稳定在±0.001mpa两小时后，系统达到相平衡状态，通过数据采集系统记录温度、压力数据；

(6)记录组分数据：打开第一气相色谱仪、第二气相色谱仪及相应阀门，调整第一气相色谱仪、第二气相色谱仪相关参数，采集气相组分进行分析；调节液相取样器，采集液相组分进行分析，气液相同时采集，同时测量，记录气液组分相关数据；

(7)改变温度：重复步骤(4)-(6)相关操作，在新的试验温度下进行相平衡的实验操作。

(8)改变组分：改变组分的比例或更换新的实验组分，从实验步骤(2)开始，进行下一种组分的实验操作。

相对于现有技术，本发明的优点如下，

本发明能用于任何物系气液相平衡数据的测定，能够用于大部分气液相平衡的测量实验场所，能够在较大的温度和压力范围内进行气液相平衡数据的测量与采集工作。采用两组色谱仪同时进行采样和测量，避免单套气相色谱仪分别采集气相和液相样品由于时间不同步而导致的相平衡数据的偏差；采用非接触式磁力搅拌，既能促进气液相中热质传递，加快实现平衡釜内部的相平衡状态，又能避免直接接触搅拌方式对平衡釜高压密闭性能的影响。该发明能解决当前化工产业中相平衡数据严重不足的技术问题，提高相平衡时气液相数据测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为电子天平，2为样品储罐，3为第一真空泵，4为风机，5为压力传感器，6为第一温度传感器，7为第一摄像仪，8为数据采集仪，9为计算机，10为第二摄像仪，11为第二真空泵，12为第一气相色谱仪，13为气相采集阀，14为液相采集阀，15为气化容器，16为磁力搅拌器，17为第一可电加热防雾视窗，18为平衡釜，19为第一可电加热防雾视窗，20为冷却盘管，21为制冷机，22为电加热器，23为温度控制器，24为第二温度传感器，25为真空绝热罩，26为恒温气浴装置，27为第三真空泵，28为流量调节阀，29为液氮杜瓦瓶，30为第二气相色谱仪，31为自力式压力调节阀。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种低温混合物气液相平衡实验测试系统，包括样品储罐2、恒温系统、平衡釜18、数据采集系统、组分测量系统和真空配气系统；所述平衡釜18设在恒温系统内，样品储罐2与平衡釜18通过管道相通；数据采集系统、组分测量系统和真空配气系统分别与平衡釜18相接；恒温系统包括恒温气浴装置26、液氮杜瓦瓶29、流量调节阀28、制冷机21、冷却盘管20、温度控制器23、电加热器22、第一温度传感器6、真空绝热罩25和自力式压力调节阀31；真空绝热罩25设在恒温气浴装置26外周，液氮杜瓦瓶29、制冷机21和温度控制器23设在恒温气浴装置26外，平衡釜18、冷却盘管20、电加热器22和第一温度传感器6均设在恒温气浴装置26内，冷却盘管20伸出恒温气浴装置26与制冷机21相接，电加热器22和第一温度传感器6伸出恒温气浴装置26与温度控制器23相接，液氮杜瓦瓶29与恒温气浴装置26通过管道相通，流量调节阀28设在液氮杜瓦瓶29与恒温气浴装置26之间的管道上；自力式压力调节阀31设置在恒温气浴装置26底部；数据采集系统包括计算机9、数据采集仪8、压力传感器5、第二温度传感器24、第一摄像仪7和第二摄像仪10，压力传感器5和第二温度传感器24分别通过数据采集仪8与计算机9相接，第一摄像仪7和第二摄像仪10均与计算机9相接；压力传感器5和第二温度传感器24分别从平衡釜18顶部伸入平衡釜18内；平衡釜18顶部和恒温气浴装置26顶部对应位置设有第一可电加热防雾视窗19，平衡釜18侧壁和恒温气浴装置26侧壁对应位置设有第二可电加热防雾视窗17，第一摄像仪7设在恒温气浴装置26外对应第一可电加热防雾视窗19处，第二摄像仪10设在恒温气浴装置26外对应第二可电加热防雾视窗17处；组分测量系统包括第一气相色谱仪12、第二气相色谱仪30、气相采集阀13、液相采集阀14和气化容器15；第一气相色谱仪12、第二气相色谱仪30分别与计算机9相接，第一气相色谱仪12通过管道与平衡釜18底部相通，气化容器15设在第一气相色谱仪12与平衡釜18底部之间的管道上，液相采集阀14设在气化容器15与第一气相色谱仪12之间的管道上；第二气相色谱仪30通过管道与平衡釜18上部相通，气相采集阀13设在第二气相色谱仪30与平衡釜18之间的管道上；真空配气系统包括第一真空泵3、第二真空泵11和第三真空泵27；第一真空泵3与样品储罐2和平衡釜18之间的管道相接，第二真空泵11与恒温气浴装置26侧壁底部相接，第三真空泵27分别与气化容器15和平衡釜18之间的管道、气相采集阀13与平衡釜18之间的管道相接；恒温气浴装置26内设有风机4；平衡釜18内的底部和恒温气浴装置26底部设有非接触式磁力搅拌器16，非接触式磁力搅拌器16的搅拌部分设在平衡釜18内底部，非接触式磁力搅拌器16的控制部分设在对应搅拌部的恒温气浴装置26底部；样品储罐2为2个及以上，每个样品储罐2底部均设有电子天平1。

实施例2：

将实施例1的低温混合物气液相平衡实验测试系统用于获取气液相平衡数据，以下简称系统

低温混合物气液相平衡实验测定方法，包括如下步骤：

(1)系统气密性检测：在实验操作开始之前，首先应对实验系统进行气密性检测，确定系统气密性良好之后，开启第一真空泵3和第二真空泵11，对系统进行抽真空操作；

(2)平衡釜清洗：系统经过抽真空操作之后，充入0.1kg-0.2kg高沸点的co2，静置一段时间后，将系统内气体排出并再次进行抽真空操作；反复多次之后，确保系统内的杂质气体被充分的置换排除干净，最大程度的降低系统内杂质对实验过程及结果的影响；

(3)实验样品配备与充注：系统经过多次清洗操作之后，根据实验目的及要求，记录各所需样品储藏罐的初始质量，开启恒温系统，对平衡釜18和恒温气浴装置26进行预冷操作，一段时间后，打开管道上相应阀门，对系统进行样品充注操作，为确保充注量的准确，阀门开度应先大后小；

(4)设定实验温度：当系统内实验样品充注完成后，在温度控制器23上设定实验所需温度条件，打开风机4和非接触式磁力搅拌器16，加速系统热质传递，等待系统温度达到设定值；

(5)记录温度、压力数据：当系统温度稳定在±0.01k、压力稳定在±0.001mpa两小时后，认为系统达到相平衡状态，通过数据采集系统记录温度、压力数据；

(6)记录组分数据：打开第一气相色谱仪12、第二气相色谱仪30及相应阀门，调整第一气相色谱仪12、第二气相色谱仪30相关参数，采集气相组分进行分析；调节液相取样器，采集液相组分进行分析，气液相同时采集，同时测量，记录气液组分相关数据；

(7)改变温度：重复步骤(4)-(6)相关操作，在新的试验温度下进行相平衡的实验操作；

(8)改变组分：改变组分的比例或更换新的实验组分，从实验步骤(2)开始，进行下一种组分的实验操作。

本实施例以测定co2-n2-o2三元混合物的气液相平衡数据为例，在平衡釜18中注入工质前，先对平衡釜18抽真空、并用高沸点co2清洗，重复两次以上保证平衡釜18无其他杂质；然后开启制冷机21和温度控制器23将整个测定气液相平衡系统调整到预设的实验温度，将样品气体引入平衡釜18，利用电子天平1和阀门定量控制注入样品的质量，先充入高沸点co2，根据温度和压力判断达到饱和状态后定量充入低沸点n2和o2；观测气液相平衡现象，待温度、压力(温度±0.01k；压力±0.001mpa)稳定两小时后，通过数据采集系统记录压力、温度，通过组分测量系统采集气/液相组分数据及其他相关数据。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本申请虽然以测定co2-n2-o2三元混合物气液相平衡为出发点，但是实际应用中不局限于此，原则上可以用于任何物系气液相平衡数据的测定。

要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。