一種連續流動式高溫高壓實驗裝置的製作方法

2023-09-16 15:06:05

本發明涉及熱力學相平衡、反應工程、化工傳質與化工分離領域，具體涉及一種連續流動式高溫高壓實驗裝置。

背景技術：

相平衡關係是精餾、吸收等化工單元操作的基礎數據，也是物性估算、模擬計算、計算機輔助設計、化工工藝優化和設備改進的依據，對化工理論研究及實際應用都具有十分重要的意義。目前，相平衡數據主要是通過實驗測定和理論計算兩種方法獲得，但由於缺乏相應的物性參數，很多物質的相平衡數據很難由理論計算直接得到，因此，實驗測定法仍然是獲得相平衡數據最有效、最可靠的手段。

國際上較為典型的相平衡測定方法有蒸餾法、流動法、靜態法、循環法以及泡露點法等。蒸餾法所採用的實驗裝置簡單，操作方便，但測定時需要耗費大量液體，且在操作過程中容易產生蒸汽冷凝和沸騰液體過熱的現象，導致誤差較大；流動法雖在取樣過程中不會破壞平衡釜內平衡，但僅限於測定達到平衡時間較短的體系，適用範圍較窄；靜態法所採用的實驗設備簡單，但在取樣過程中會在一定程度上破壞平衡釜內已達到的平衡狀態，且試劑消耗量大，平衡時間較長；泡露點法可用於多組分的相平衡數據測定，無需分析組成，但精度較低，平衡時間長；循環法尤其是採用汽-液雙循環的相平衡釜，不但有利於減少平衡時間，還可獲得能夠準確代表真正達到平衡狀態時樣品。

cn200910193714.8和cn200910193713.3是以dvorak-boublik釜為基礎，從dvorak-boublik釜的沸騰釜上部和下部分別引出支管與攪拌室相連形成液相內循環迴路，與原設備的液相回流和氣相冷凝液循環一併形成三個內循環迴路，平衡時間短；但由於汽相循環是依靠自身相變來實現，液相回流液需冷卻，因此，裝置僅適用於相對揮發度較小的體系相平衡數據測定，且無法獲得準確能夠準確代表真正達到平衡狀態時的兩相樣品，測定結果不能真實反映出平衡狀況。

cn201120229585.6是以兩個內循環迴路的汽液平衡釜為基礎，包括汽相提升管、汽液分離器、蒸餾釜和溫控櫃，保溫效果較好，溫度控制也準確，適用於相對揮發度較小體系的相平衡數據測定，且無法獲得準確代表真正達到平衡狀態時的兩相樣品。

cn201310109090.3是以具有恆定體積的不鏽鋼可視平衡釜為基礎，對進料系統和採樣系統進行進一步優化和改進，數據採集簡便，但僅適用於液-液兩相平衡數據測定，且無法快速達到混合體系的相平衡。

不同於上述內部動力進行循環的汽、液兩相雙循環法，本發明提供的高溫高壓實驗裝置是利用外部動力進行循環的汽、液兩相三循環法，操作彈性比較大，適用物系的範圍更廣，並能對汽、液兩相實時在線分析；相平衡釜、無洩漏泵和六通換向閥的串聯使用，可以保證採樣過程不影響流動體系的相平衡，獲得真正代表狀態的相平衡樣品；載氣釜和分離釜的引入，使得本發明提供的連續流動式高溫高壓實驗裝置可獲得多種實驗數據，如多元體系相平衡、超臨界流體萃取及高溫高壓化學反應等的測定。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有相平衡測定手段的不足和缺陷，提供一種連續流動式高溫高壓實驗裝置，以期縮短平衡時間，獲得準確代表真正達到平衡狀態時的體系樣品，適用範圍更廣的體系相平衡測定。同時，本發明提供的連續流動式高溫高壓實驗裝置還可適用於超臨界流體萃取和高溫高壓化學反應等多種實驗數據的測定。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

一種連續流動式高溫高壓實驗裝置，包括緩衝釜、三循環高壓相平衡釜、分離釜、溶劑儲罐、第一無洩漏泵、第二無洩漏泵、第三無洩漏泵、第四無洩漏泵、抽真空裝置、第一六通換向閥、第二六通換向閥和在線分析系統；

所述緩衝釜為316不鏽鋼高壓罐體，內部設有磁力攪拌系統，外部配備獨立控溫系統，通過調整緩衝釜溫度，控制釜內流體壓力；

所述三循環高壓相平衡釜分別與緩衝釜出口、溶劑儲罐出口、分離釜進口及抽真空裝置進口相連，連接管路設有控制閥門，釜蓋為活動連接，釜體配有進液漏鬥和藍寶石視窗，釜底配有排液漏鬥，釜內置有磁力轉子，釜體兩側設有三個獨立的外循環迴路，驅動所述第一無洩漏泵、第二無洩漏泵、第三無洩漏泵，可加快釜內物流循環混合，縮短平衡時間；

所述第一無洩漏泵、第二無洩漏泵、第三無洩漏泵、第四無洩漏泵為單向泵，通過外設磁場控制泵體內活塞運動，帶動釜體三個外循環管路，分別對混合體系的不同相態進行強制循環；無洩漏泵體為一根無磁性不鏽鋼管套，鋼管外部設環狀永久磁性裝置，泵體內置磁性不鏽鋼活塞，中間有孔，內設單向閥，保證活塞在磁力驅動作上下往復運動時，泵內流體只能單向朝上運動，而不能向下反流；處於平衡釜上部的汽相流體在無洩漏泵的驅動下，從釜頂汽相出口引出，經第一六通換向閥、第一無洩漏泵後，從釜底汽相入口進入液相層鼓泡上升；處於平衡釜底部的液相流體從釜底液相出口抽出，經第二無洩漏泵、第二六通換向閥後，從釜頂液相入口返回至平衡釜；處於平衡釜中部液相流體由從控制閥v4流出，在第三無洩漏泵的作用下，經控制閥v5返回至平衡釜；

所述第一六通換向閥、第二六通換向閥，由隔板分成兩腔，共有三對相通的接口，分別串聯在無洩漏泵出口與平衡釜之間，載氣進口與氣相色譜儀進口之間，定量取樣管之間，通過手柄帶動閥杆與凸輪旋轉，實現不停車換向，保證採樣過程不影響流動體系的相平衡；

所述分離釜為316不鏽鋼高溫高壓罐體，外置控溫夾套，經閥門v7、無洩漏泵、高壓相平衡釜、閥門v6串聯成循環迴路；原高壓相平衡釜可作為萃取釜，通過調整分離釜溫度，可以改變釜內流體密度，進而析出溶質，完成亞超臨界流體萃取操作。

所述在線分析系統由氣相色譜和計算機組成，可實時監控緩衝釜、相平衡釜以及分離釜的溫度、壓力變化；所述氣相色譜與第一六通換向閥、第二六通換向閥及載氣相連，載氣管路上裝有流量調節閥v8、調節閥v9，第一轉子流量計、第二轉子流量計及淨化器。

在實驗裝置中所採用的各種釜、罐、閥、泵、管路及各種轉接口均設有獨立的夾套式控溫系統。

所述緩衝釜最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為100mpa；相平衡釜最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為50mpa；分離釜最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為100mpa。

所述緩衝釜、相平衡釜及分離釜內部均置有溫度和壓力接收探頭，可實時在線監控。

所述高溫高壓實驗裝置適用於多元體系相平衡、超臨界流體萃取及高溫高壓化學反應等多種實驗數據的測定。

本發明的連續流動式高溫高壓實驗裝置，主要包括緩衝釜、溶劑儲罐、三循環高壓相平衡釜、無洩漏泵、六通換向閥、抽真空裝置、分離釜及在線分析系統，其中高壓相平衡釜蓋為活動連接，釜體配有進液漏鬥和藍寶石視窗，釜底設有排液漏鬥，釜內置有磁力轉子，釜體兩側帶有三個外循環迴路，可加快釜內物流循環混合，縮短平衡時間；無洩漏泵為單向泵，通過外設磁場控制泵體內活塞運動，帶動外循環管路，分別對混合體系的不同相態進行強制循環；六通轉向閥共有三對相通的接口，分別串聯在無洩漏泵出口與平衡釜之間，載氣進口與氣相色譜儀進口之間，定量取樣管之間，通過不停車換向，確保採樣過程不影響流動體系的相平衡。

本發明提供的連續流動式高溫高壓實驗裝置適用於多元體系相平衡、超臨界流體萃取及高溫高壓化學反應等多種實驗數據的測定，能夠獲得真正代表狀態的相平衡樣品，平衡時間短，平衡組成、平衡溫度和平衡壓力測定準確，實驗操作簡便。

相對於現有技術，本發明具有以下優點：

(1)相平衡釜(3)採用不鏽鋼316作為釜體，藍寶石作為視窗材質，整個裝置最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為50mpa，保證可以在較大溫度、壓力範圍內獲得穩定的相平衡狀態。

(2)採用藍寶石視窗使整個裝置可視化，使整個測定過程準確可靠，同時可實現相平衡變化過程的實時拍攝。

(3)利用外部動力進行循環的汽、液兩相三循環法，操作彈性比較大，適用物系的範圍更廣，並能對汽、液兩相實時在線分析。

(4)相平衡釜、無洩漏泵和六通換向閥的串聯使用，可以保證採用過程不影響流動體系的相平衡，能夠獲得真正代表狀態的相平衡樣品。

(5)色譜在線檢測系統方便數據的採集，保證數據的可靠性。

(6)緩衝釜和分離釜的引入，使得本發明提供的連續流動式高溫高壓實驗裝置適用於多元體系相平衡、超臨界流體萃取及高溫高壓化學反應等多種實驗數據的測定。

附圖說明

圖1：連續流動式高溫高壓實驗裝置的結構示意圖。

圖2：連續流動式無洩漏泵結構示意圖。

圖3：六通閥接口連接示意圖。

圖4：相平衡數據測定的結構示意圖。

圖5：亞超臨界萃取結構示意圖。

圖6：實施例1相平衡數據測定結果圖。

圖7：實施例2相平衡數據測定結果圖。

圖8：實施例3亞超臨界萃取實驗測定結果圖。

圖中：1-氣瓶，2-緩衝釜，3-三循環高壓相平衡釜，4-分離釜，5-溶劑儲罐，6-第一無洩漏泵，7-第二無洩漏泵，8-第三無洩漏泵，9-第四無洩漏泵，10-抽真空裝置，11-第一六通換向閥，12第二六通換向閥，13-為釜頂汽相出口，14-釜底汽相入口，15-釜底液相出口，16-釜頂液相入口，17-在線分析系統，18-載氣瓶，19-淨化器，20-第一轉子流量計，21-第二轉子流量計，22-無磁性不鏽鋼管套，23-環狀永久磁鐵，24-人造紅寶石小球，25-磁性不鏽鋼活塞。

其他：a-載氣進口，b-載氣出口，c和f之間由定量管連接，d-樣品出口，e-樣品進口；v1-v9控制閥；p0-第一壓力傳感器；p1-第二壓力傳感器；p2-第二壓力傳感器；p3-第三壓力傳感器；p4-第四壓力傳感器；t1-第一溫度傳感器；t2-第二溫度傳感器；t3-第三溫度傳感器；ev1-安全閥。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。

本發明提供一種連續流動式相平衡數據測定裝置，包括緩衝2，三循環高壓相平衡釜3，分離釜4，溶劑儲罐5，第一無洩漏泵6、第二無洩漏泵7、第三無洩漏泵8、第四無洩漏泵9，抽真空裝置10，第一六通換向閥11、第二六通換向閥12，在線分析系統17。

緩衝釜2為316不鏽鋼高壓罐體，內設攪拌系統，第一控制閥v1連接氣瓶，第二控制閥v2連接載氣釜2進口和進液漏鬥，載氣釜底連接排液閥，操作壓力範圍為0～100mpa，操作溫度範圍為233k～523k，通過調整緩衝釜2溫度，可以提升釜內流體壓力。

三循環高壓相平衡釜3分別與緩衝釜2出口、溶劑儲罐5出口、分離釜4進口及抽真空裝置10進口相連，連接管路均設有控制閥門，釜蓋為活動連接，釜體配有進液漏鬥和藍寶石視窗，釜底配有排液漏鬥，釜內置有磁力轉子，釜體兩側設有三個獨立的循環迴路，可加快釜內物流循環混合，縮短平衡時間。

相平衡釜3採用不鏽鋼316作為釜體及管路材料，藍寶石作為視窗材料，裝置最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為50mpa。相平衡釜3中的內部空間呈圓筒形，由平衡釜體和視窗圍繞形成，有效容積40ml。藍寶石視窗使整個裝置可視化，在整個體系達到均相前，通過觀察相界面、釜體內溫度和壓力，調節循環流速，可以獲得準確可信的平衡數據，同時實現相平衡變化過程的實時拍攝。

所述第一無洩漏泵6、第二無洩漏泵7、第三無洩漏泵8、第四無洩漏泵9為單向泵，泵體為一根無磁性不鏽鋼管套22，鋼管外部設環狀永久磁性裝置23，泵體內置磁性不鏽鋼活塞25，中間有孔，內設單向閥，保證活塞在磁力驅動作上下往復運動時，泵內流體只能單向朝上運動，而不能向下反流；無洩漏泵壓頭為1.2米水柱，最大流量為4ml/min以水計；特別注意的是，本發明提供的無洩漏泵可在低壓如0.5mpa操作時，仍能驅動流體正常循環。無洩漏泵殼不但能夠精確控制不同相態物系的循環流速，還可控制取樣流速，防止流速過快對體系造成不利影響。

第一六通換向閥11、第二六通換向閥12，由隔板分成兩腔，共有3對相通的接口，分別串聯在無洩漏泵出口與平衡釜之間，載氣進口與氣相色譜儀進口之間，定量取樣管之間，通過手柄帶動閥杆與凸輪旋轉，實現不停車換向，保證採樣過程不影響流動體系的相平衡。

分離釜4為316不鏽鋼高溫高壓罐體，最高耐受溫度達523k，最高耐受壓力為100mpa外置控溫夾套，經閥門v7、無洩漏泵9、高壓相平衡釜3、閥門v6串聯成循環迴路；原高壓相平衡釜3可作為萃取釜，通過調整分離釜4溫度，可以改變分離釜4內的流體密度，進而析出溶質，完成亞超臨界流體萃取操作。

在線分析系統17由氣相色譜和計算機組成，可以實時監控緩衝釜2、相平衡釜3以及分離釜的溫度、壓力變化。氣相色譜與第一六通換向閥11、第二六通換向閥12及載氣18相連，載氣18管路上裝有第一六通換向閥11、第二六通換向閥12，第一轉子流量計20、第二轉子流量計21及淨化器19。

實施例1：

相平衡數據測定：

1、開啟高低溫循環槽，設定平衡釜3操作所需溫度；開啟真空泵，將緩衝釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至極限壓力，利用真空度吸入20ml丁酸乙酯。

2、將一定量的co2氣體從氣瓶1中引出，依次經閥門v1、閥門v2進入緩衝釜2中，降溫至-20℃，後升溫至30℃，載氣釜2中流體迅速升壓至40mpa，高壓流體經單向閥v3送入相平衡釜3，與丁酸乙酯混合。

3、開啟無洩漏泵6和7，循環流速為0.5ml/min～3ml/min，分別對汽液兩相進行強制循環。

4、待平衡釜3內的壓力、溫度長時間穩定不變時，透過藍寶石視窗觀察相界面，當相界面清晰穩定，分別旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12至第一無洩漏泵6、第二無洩漏泵7、第三無洩漏泵8與平衡釜3之間的通道，取出汽、液兩相平衡樣品；繼續旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12串聯定量取樣管與循環管路之間的通道，所取樣品進入定量取樣管中；再次旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12，定量管中樣品由載氣18帶入氣相色譜17進行分析。

5、重複步驟2至4，直至體系達到均相，停止實驗。

實施例2：

相平衡數據測定：

1、開啟高低溫循環槽，設定平衡釜3操作所需溫度；開啟真空泵，將緩衝釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至極限壓力，利用真空度吸入25ml醋酸異丁酯。

2、將一定量的co2氣體從氣瓶1中引出，依次經閥門v1、閥門v2進入緩衝釜2中，降溫至-20℃，後升溫至70℃，載氣釜2中流體迅速升壓70mpa，高壓流體經單向閥v3送入相平衡釜3，與丁酸乙酯混合。

3、開啟無洩漏泵6和7，循環流速為1ml/min～3.5ml/min，分別對汽液兩相進行強制循環。

4、待平衡釜3內的壓力、溫度長時間穩定不變時，透過藍寶石視窗觀察相界面，當相界面清晰穩定，分別旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12至第一無洩漏泵6、第二無洩漏泵7、第三無洩漏泵8與平衡釜3之間的通道，取出平衡樣品；繼續旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12串聯定量取樣管與循環管路之間的通道，所取樣品進入定量取樣管中；再次旋轉第一六通換向閥11、第二六通換向閥12，定量管中樣品由載氣18帶入氣相色譜17進行分析。

5、重複步驟2至4，直至體系達到均相，停止實驗。

實施例3：

亞超臨界萃取實驗：

1、開啟高低溫循環槽，設定平衡釜3操作所需溫度；開啟真空泵，將緩衝釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至極限壓力，利用真空度吸入30ml機油。

2、將一定量的co2氣體從氣瓶1中引出，依次經閥門v1、閥門v2進入緩衝釜2中，降溫至-30℃，後升溫至80℃，載氣釜2中流體迅速升壓95mpa，高壓流體經單向閥v3送入相平衡釜3，與機油混合。

3、開啟無洩漏泵9，循環流速為1ml/min～3.5ml/min，對混合體系進行強制循環，每次間歇萃取時間為2h。

4、萃取完畢後，萃取所得物料由平衡釜3底部閥門排出後，經第六控制閥v6和第七控制閥v7，進入分離釜4，通過調整分離釜4溫度，改變釜內超臨界流體密度，提取出機油。

5、用石油醚對分離釜4內殘留機油進行清洗，並進行吹掃；合併所得物料，脫除石油醚以後，用分析天平稱得萃取的機油質量。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，依據本發明的技術實質，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進等，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍之內。