一种气体传质行为测试装置及测试方法与流程

本发明属于气体传质技术领域，具体涉及一种气体传质行为测试装置及测试方法。

背景技术

随着国民经济的迅猛发展，我国石油消费需求量不断攀升。目前我国已成为世界第一大石油进口国，随之世界石油市场呈现稠油份额日趋增加且劣质化程度逐渐加剧的景象的发生，稠油正成为我国进口石油的重要来源。作为世界第四大稠油生产国，我国国内重质劣质稠油的产量也占有很大比重。然而，此类劣质稠油的沥青质和胶质含量高，黏度大、流变性极差，不仅难于满足长距离管输船运的基本要求(v50℃<380cst，°api>12，安定性良好)，还会严重影响后续深加工。因此，稠油浅度改质降黏和深度改质加工研究成为石油行业关注的热点。活性氢具有及时淬灭稠油裂解大分子自由基的能力，对抑制体系结焦，提高降黏效率和轻质油品收率均具有重要意义，因而加氢方案是稠油改质加工的重要选择之一。研究表明(ngftt.upgradingheavyoilbitumenemulsionsviainsituhydrogengeneration[j].abstractsofpapersoftheamericanchemicalsociety,1998:u872.)，活性氢可来自于气相分子氢也可来自于水-气转化(co+h2o→co2+h2)原位变换出的新生氢。无论是何种活性氢来源，氢气或一氧化碳向稠油体系的传质都是增强活性氢作用于稠油分子的重要条件，传质平衡时的气体溶解量(即溶解度)是衡量气体传质效率的重要基础数据，对于建立稠油改质加工动力学、设计和优化工艺过程、开发高效稠油改质加工工艺具有重要的理论参考和应用价值。

目前氢气或一氧化碳在简单小分子烃类化合物中的传质已有大量报道，包括各种烷烃、环烷烃和芳烃等，在复杂低分子量烃类混合物中的传质研究则常见于不同馏程的轻质馏分油，如汽油、柴油和蜡油等。相比之下，氢气或一氧化碳在复杂大分子混合体系，如稠油中的传质行为的研究则存在较大挑战，原因在于稠油高密度和高黏度的特点导致测定过程不易操作且不确定因素较多。研究者报道了直接测定氢气在重质烃类原料中溶解度的装置和方法。部分研究者[刘晨光,阙国和.氢气在石油馏分中溶解度的测定[j].炼油设计,1999,29(5):33-36；lald.,ottof.,mathera.solubilityofhydrogeninathabascabitumen[j].fuel,1999,78(12):1437-1441.]利用装有水的u型管或带刻度/缓冲瓶的u型计量管测得溶氢油样中释放氢气的体积，依据理想气体标准状态方程、大气压、温度和油样质量计算氢气溶解度，然而取样后内部体系压力并非大气压，导致方法的准确性较差。部分研究者[牟学春,凌开成,张海军.氢气在煤焦油中平衡溶解度的研究[j].煤炭转化,2009,32(1):50-56；朱天星,凌开成,申峻,等.氢气在煤液化油中溶解度的测定[j].煤炭转化,2006,29(3):32-36.]在测量系统中加入抽真空装置，利用取样前后水银计量器所得压力差计算氢气溶解度，然而该方法为负压状态因而对装置的气密性和操作过程要求严苛，且不适用于测定挥发性较强的油类体系。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种气体传质行为测试装置及测试方法，解决目前氢气或一氧化碳在重质稠油中传质行为存在方法精确性低、操作不便等问题，适用于监测气体在低黏度烃类体系和高黏度稠油体系中的传质行为，具有操作便捷、方法精确较高、用量少的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种气体传质行为测试装置，包括气体溶解系统和溶解气收集测量系统；

所述气体溶解系统包括气体溶解釜、进气系统、出气系统；所述进气系统包括气体钢瓶，所述气体钢瓶的气相出口通过进气管线与气体溶解釜的进气口进行连通；所述出气系统包括与气体溶解釜的出气口相连通的出气管线；所述气体溶解釜内还设有用来搅拌内部介质的搅拌机构；所述气体溶解釜上设有测量内部压力的压力表和测量内部温度的测温热电偶；

所述溶解气收集测量系统包括样品暂存罐、溶解气析出瓶、气体缓冲瓶、测量瓶、u型管、量筒、升降台；所述样品暂存罐的入口通过取样管连通至气体溶解釜的底部，所述样品暂存罐的底部出口通过出液管连通至溶解气析出瓶的底部；所述溶解气析出瓶、气体缓冲瓶、测量瓶依次连通；所述测量瓶与量筒通过u型管进行连通；所述量筒固定设置在升降台上；所述溶解气析出瓶、气体缓冲瓶、测量瓶均为密封结构；

所述气体溶解釜的外侧设有加热装置。

优选的，所述加热装置为加热炉。

优选的，所述样品暂存罐和取样管的外表面包覆加热带。

优选的，所述溶解气析出瓶的外部配有电加热套。

优选的，所述进气管线上设有进气阀门；所述出气管线上设有出气阀门；所述取样管上设有取样阀门；所述出液管上设有出液阀门。

优选的，所述搅拌机构包括搅拌电机，所述搅拌电机的转轴与搅拌桨进行同轴固定连接，所述搅拌桨的下部设有两组搅拌叶片，所述搅拌叶片位于气体溶解釜的内部。

优选的，所述进气管线上设有第一排气管，所述第一排气管上设有第一排气阀门；所述气体缓冲瓶顶部设有第二排气管，所述第二排气管上设有第二排气阀门。

一种气体传质行为测试装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：在测量瓶和量筒内加入蒸馏水，打开第二排气阀门，调节升降台的高度，使测量瓶内的液位与量筒内液位齐平，之后关闭第二排气阀门，并记录此时量筒内液位读数v1；

步骤二：在气体溶解釜内加入原料，加入的原料要浸没搅拌叶片和取样管的端部；

步骤三：打开进气阀门和出气阀门，将待测气体充入到气体溶解釜内，然后排出；连续充排三次，使气体溶解釜内的控制排尽，之后关闭出气阀门；

步骤四：启动加热装置，使气体溶解釜1内的温度达到测试温度te；

步骤五：向气体溶解釜为充入一定压力待测气体，之后关闭进气阀门；并启动搅拌机构对气体溶解釜内的原料进行搅拌；

步骤六：当气体溶解釜内压力不再变化时，气体溶解达到平衡，记录此时溶解平衡时的压力p1；停止搅拌并静置一段时间以使内部气泡充分逸出；

步骤七：打开取样阀门，启动加热带进行加热，使气体溶解釜内的溶解有待测气体的原料沿取样管流入样品暂存罐，并称重此时溶解气析出瓶的质量；

步骤八：打开出液阀门，使样品暂存罐内的溶解有待测气体的原料流入溶解气析出瓶内，之后关闭出液阀门，并称重此时溶解气析出瓶的质量，溶解气析出瓶前后的质量差mf即为流入的溶解有待测气体的原料的质量；

步骤九：启动电加热套，对溶解气析出瓶加热一定时间，使其中溶解的气体充分析出；随后利用冷水浴对溶解气析出瓶进行冷却处理至室温；

步骤十：调节升降台的高度，使测量瓶内液面高度与量筒内液面高度再次持平，记录此时量筒内液位读数v2；并计算待测气体溶解度，计算公式如下；

△v＝v2-v1；

其中，s为一定温度和压力下待测气体在原料中的溶解度，mol/kg；

pa为常压，1.01325×10⁵pa；

ta为常温，298.15k；

v2为步骤十中量筒9内液位读数，m³；

v1为步骤一中量筒9内液位读数，m³；

mf为流入溶解气析出瓶5的溶解有待测气体的原料的质量，kg；

ρf为原料的密度，kg·m^-3；

r为理想气体常数，8.314j·mol^-1·k^-1；

步骤十一：取相同量原料加入气体溶解釜1中，采用待测气体连续充排三次以排净气体溶解釜内空气，随后充入0.1mpa待测气体，并升温至测试温度te，记录此时升至测试温度后气体溶解釜内总压pe，通过扣除样品蒸气压计算所得气体溶解度对应的压力，计算公式如下；

其中，p为待测气体溶解度对应的压力，mpa；

p1为步骤六中溶解平衡时压力，mpa；

pe为步骤十一中升至测试温度后气体溶解釜1内总压，mpa；

te为测试温度，k。

优选的，所述步骤四和步骤十一中的测试温度为298.15k～626.15k；所述步骤五中充入的待测气体的压力为1mpa～25mpa。

优选的，所述步骤六中静置时间为60-180min；所述步骤九中溶解气析出瓶加热时间为20-120min。

其中，本申请的原料为重油等高黏度复杂烃类混合物，待测气体包括氢气、一氧化碳、氮气等。

本发明的有益效果是：

本发明气体传质行为测试装置通过气体溶解系统和溶解气收集测量系统能够测量待测气体的溶解度及对应的压力，具有操作便捷、方法精确较高、用量少的特点；同时量筒、升降台、u型管的设置能够使气体析出后的溶解气析出瓶、气体缓冲瓶、测量瓶内的压力调整为和实验前一样，均为大气压，有助于提高计算的准确性。

附图说明

图1为本发明气体传质行为测试装置的结构示意图；

其中，1-气体溶解釜，11-搅拌电机，12-搅拌桨，13-搅拌叶片，14-压力表，15-测温热电偶，16-加热装置；

2-气体钢瓶，21-进气管线，211-第一排气管，212-第一排气阀门，22-进气阀门；

3-出气管线，31-出气阀门；

4-样品暂存罐，41-取样管，42-出液管，43-取样阀门，44-出液阀门；

5-溶解气析出瓶，51-电加热套；

6-气体缓冲瓶，61-第二排气管，62-第二排气阀门；

7-测量瓶，8-u型管，9-量筒，10-升降台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种气体传质行为测试装置，包括气体溶解系统和溶解气收集测量系统；

所述气体溶解系统包括气体溶解釜1、进气系统、出气系统；所述进气系统包括气体钢瓶2，所述气体钢瓶2的气相出口通过进气管线21与气体溶解釜1的进气口进行连通；所述出气系统包括与气体溶解釜1的出气口相连通的出气管线3；所述气体溶解釜1内还设有用来搅拌内部介质的搅拌机构；所述气体溶解釜1上设有测量内部压力的压力表14和测量内部温度的测温热电偶15；

所述溶解气收集测量系统包括样品暂存罐4、溶解气析出瓶5、气体缓冲瓶6、测量瓶7、u型管8、量筒9、升降台10；所述样品暂存罐4的入口通过取样管41连通至气体溶解釜1的底部，所述样品暂存罐4的底部出口通过出液管42连通至溶解气析出瓶5的底部；所述溶解气析出瓶5、气体缓冲瓶6、测量瓶7依次连通；所述测量瓶7与量筒8通过u型管8进行连通；所述量筒8固定设置在升降台10上，使用的时候测量瓶7和量筒8内盛有蒸馏水；所述溶解气析出瓶5、气体缓冲瓶6、测量瓶7均为密封结构；

所述气体溶解釜1的外侧设有加热装置。

优选的，所述加热装置为加热炉。

优选的，所述样品暂存罐4和取样管41的外表面包覆加热带，以利于高黏度样品的取出。

优选的，所述溶解气析出瓶5的外部配有电加热套51，以利于溶解气完全析出。

优选的，所述进气管线21上设有进气阀门22；所述出气管线3上设有出气阀门31；所述取样管41上设有取样阀门43；所述出液管42上设有出液阀门44。

优选的，所述搅拌机构包括搅拌电机11，所述搅拌电机11的转轴与搅拌桨12进行同轴固定连接，所述搅拌桨12的下部设有两组搅拌叶片13，所述搅拌叶片13位于气体溶解釜1的内部。

优选的，所述进气管线21上设有第一排气管211，所述第一排气管211上设有第一排气阀门212；所述气体缓冲瓶6顶部设有第二排气管61，所述第二排气管61上设有第二排气阀门62。

一种气体传质行为测试装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：在测量瓶7和量筒9内加入蒸馏水，打开第二排气阀门62，调节升降台10的高度，使测量瓶7内的液位与量筒9内液位齐平，之后关闭第二排气阀门62，并记录此时量筒9内液位读数v1；

步骤二：在气体溶解釜1内加入原料，加入的原料要浸没搅拌叶片13和取样管41的端部；

步骤三：打开进气阀门22和出气阀门31，将待测气体充入到气体溶解釜1内，然后排出；连续充排三次，使气体溶解釜1内的控制排尽，之后关闭出气阀门31；

步骤四：启动加热装置16，使气体溶解釜1内的温度达到测试温度te；

步骤五：向气体溶解釜1为充入一定压力待测气体，之后关闭进气阀门22；并启动搅拌机构对气体溶解釜1内的原料进行搅拌；

步骤六：当气体溶解釜1内压力不再变化时，气体溶解达到平衡，记录此时溶解平衡时的压力p1；停止搅拌并静置一段时间以使内部气泡充分逸出；

步骤七：打开取样阀门43，启动加热带进行加热，使气体溶解釜1内的溶解有待测气体的原料沿取样管41流入样品暂存罐4，并称重此时溶解气析出瓶5的质量；

步骤八：打开出液阀门44，使样品暂存罐4内的溶解有待测气体的原料流入溶解气析出瓶5内，之后关闭出液阀门，并称重此时溶解气析出瓶5的质量，溶解气析出瓶5前后的质量差mf即为流入的溶解有待测气体的原料的质量，其中mf适宜为1-10g；

步骤九：启动电加热套51，对溶解气析出瓶5加热一定时间，使其中溶解的气体充分析出；随后利用冷水浴对溶解气析出瓶5进行冷却处理至室温；

步骤十：调节升降台的高度，使测量瓶7内液面高度与量筒9内液面高度再次持平，记录此时量筒9内液位读数v2；并计算待测气体溶解度，计算公式如下；

△v＝v2-v1；

其中，s为一定温度和压力下待测气体在原料中的溶解度，mol/kg；

pa为常压，1.01325×10⁵pa；

ta为常温，298.15k；

v2为步骤十中量筒9内液位读数，m³；

v1为步骤一中量筒9内液位读数，m³；

mf为流入溶解气析出瓶5的溶解有待测气体的原料的质量，kg；

ρf为原料的密度，kg·m^-3；

r为理想气体常数，8.314j·mol^-1·k^-1；

步骤十一：取相同量原料加入气体溶解釜1中，采用待测气体连续充排三次以排净气体溶解釜1内空气，随后充入0.1mpa待测气体，并升温至测试温度te，记录此时升至测试温度后气体溶解釜1内总压pe，通过扣除样品蒸气压计算所得气体溶解度对应的压力，计算公式如下；

其中，p为待测气体溶解度对应的压力，mpa；

p1为步骤六中溶解平衡时压力，mpa；

pe为步骤十一中升至测试温度后气体溶解釜1内总压，mpa；

te为测试温度，k。

优选的，所述步骤四和步骤十一中的测试温度为298.15k～626.15k，与原料的沸点、热稳定性有关；所述步骤五中充入的待测气体的压力为1mpa～25mpa。

优选的，所述步骤六中静置时间为60-180min，与原料的黏度有关；所述步骤九中溶解气析出瓶5加热时间为20-120min。

其中，本申请的原料为重油等高黏度复杂烃类混合物，待测气体包括氢气、一氧化碳、氮气等。

一种气体传质行为测试装置，其具体实施方式为：

实施例1：

将60g一种重质渣油(100℃黏度为673mm²/s，密度为0.9821g/cm³)加入气体溶解釜1中；采用氢气连续充放三次以排净气体溶解釜1内空气，开始加热升温；当温度升至200℃时向气体溶解釜1内充入2.4mpa左右氢气，开启搅拌；当气体溶解釜1内压力不再变化时，停止搅拌并静置90min，此时对应溶解平衡压力为2.379mpa；通过取样管41取出6.012g样品进入样品暂存罐4，打开加热带加热以使黏度较高的样品流入已称重的溶解气析出瓶5；利用电加热套51对溶解气析出瓶5加热30min，而后利用水浴冷却至室温；调节升降台10使u型管8两端水面高度相同，读出量筒9体积变化值为27.3ml，根据公式计算得到溶解度为0.1440mol/kg。

取60g原料渣油于气体溶解釜1中，采用氢气连续充放三次以排净釜内空气，充入0.1mpa的氢气，开始升温至200℃，此时对应气体溶解釜1内压力为0.434mpa，根据公式计算所得溶解度对应的压力为2.106mpa。

综上，200℃、2.106mpa下氢气在该重质渣油中的溶解度为0.1440mol/kg。

实施例2：

将60g一种重质渣油(100℃黏度为2995mm²/s，密度为1.0199g/cm³)加入气体溶解釜1中；采用co连续充放三次以排净气体溶解釜1内空气，开始加热升温；当温度升至300℃时向气体溶解釜1内充入6.2mpa左右的co，开启搅拌；当气体溶解釜1内压力不再变化时，停止搅拌并静置90min，此时对应溶解平衡压力为6.127mpa；通过取样管41取出5.025g样品进入样品暂存罐4，打开加热带加热以使黏度较高的样品流入已称重的溶解气析出瓶5；利用电加热套51对溶解气析出瓶5加热30min，而后利用水浴冷却至室温；调节升降台10使u型管8两端水面高度相同，读出量筒9体积变化值为44.1ml，根据公式计算得到溶解度为0.3186mol/kg。

取60g原料渣油于气体溶解釜1中，采用co连续充放三次以排净气体溶解釜1内空气，充入0.1mpa的co，开始升温至300℃，此时对应气体溶解釜1内压力为0.556mpa，根据公式计算所得溶解度对应的压力为5.766mpa。

综上，300℃、5.766mpa下co在该重质渣油中的溶解度为0.3186mol/kg。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。