測定樣品中油和/或水含量的裝置及方法
2023-06-29 05:48:56 2
專利名稱：測定樣品中油和/或水含量的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測定樣品中油和/或水含量的裝置及方法，更具體地講，是指一種改進的Dean-stark裝置以及利用該裝置測定石油工業或食品工業中固態、半固態樣品中油和/或水含量的方法。
背景技術：
在石油工業或食品工業的一些科學研究中，通常需對樣品中油和/或水含量進行測定。Dean-Stark裝置(又稱作Dean-Stark接收器或Dean-Stark蒸懼器)是常用的一種通過蒸餾方法測定樣品中水含量的玻璃儀器。例如，目前含油汙泥中油/水含量測定採用的是加拿大Alberta省油砂管理局推薦的「Dean-Stark改進裝置」，其結構詳見圖I所示，該裝置主要包括提取裝置部分以及 Dean-Stark分離器，提取裝置部分主要是利用溶劑對樣品進行抽提以使溶劑蒸汽及水蒸汽進入Dean-Stark分離器中分離水分進而得測定水分含量，再利用減量法計算得到油含量。該「Dean-Stark改進裝置」的核心部分是Dean-Stark分離器(或稱分水器)10，其是一個類似於h型結構的裝置，其主體為一個豎直的柱狀玻璃管，上方與回流冷凝器20的底部相連，下方連接可以測量液體體積的水阱101 (帶有計量刻度，該水阱101也可以改為類似於滴定管的玻璃制收集裝置以收集較多體積的液體)，該分水器10主體玻璃管的中上部斜伸出一根支管(或稱回流管)，支管與柱狀玻璃管下方管壁成銳角，支管伸展到臨近末端時折為豎直，以便插入連接提取瓶的過渡接頭50中。提取裝置部分主要包括提取瓶30以及套設在提取瓶30內的抽提管40,抽提管40懸於提取瓶30內(抽提管40底部與提取瓶30底部有一定距離)，且抽提管40底部設有貫通的小孔401。提取裝置部分與Dean-Stark分水器10之間通過過渡接頭50磨口連接，保證提取裝置與分水器之間的連接密封性。在利用該裝置測定含油汙泥中油/水含量時，提取瓶30內裝有溶劑(如甲苯)，待測含油汙泥樣品用濾紙包裹後置於抽提管40內，安裝好分水器10、冷凝器20，利用加熱裝置60對提取瓶30進行加熱(中下部及底部加熱)。隨著溫度的升高，提取瓶30內溶劑甲苯以及樣品中的水在提取裝置中蒸發，形成蒸汽進入分水器10支管，並沿支管進入外層通有冷卻水的回流冷凝器，冷凝成液體，滴入Dean-Stark分水器10主管下方的水阱101。在水阱101中，不能混溶的溶劑甲苯與水發生分層，下層是水，上層是密度較小的甲苯溶劑。隨著蒸發的進行，當水阱中上層溶劑逐漸增多至支管連接處時，就會沿支管回流到提取裝置中，對裝在抽提管40中用濾紙包裹的被測含油汙泥直接進行衝淋，並經抽提管40底部的小孔401流入提取瓶30中。而水阱下層的水則留在了水阱中而得以測量(若待測樣品中的水分含量較高，水阱部分可改設為類似於滴定管的帶旋鈕的收集裝置，等到水收集到一定體積，可打開收集裝置下部的旋鈕放出部分收集的水，以防止水量過多而沿支管回流進入提取裝置)。抽提完畢後，可將被測含油汙泥樣品在115°C溫度條件下乾燥，使甲苯揮發並至恆重，根據從分水器水阱中讀取水的體積數換算為樣品的水含量，進一步利用減量法計算出樣品的油含量。
上述「Dean-Stark改進裝置」，結構簡單、易於操作，不僅可用於石油、石化工業中對含油汙泥油和/或水含量的測定，還可用於測定其它石油產品，如焦油、乳化浙青和其它浙青材料的水含量，此外也可用於食品工業中對一些食品樣品，如麵包、餅乾、油炸薯條等的油和/或水含量的測定。然而，由於液體向下流動時總是遵循阻力最小原則(即遵循兩點間直線最短流動原則)，因此含油樣品，如含油汙泥，中的油並不能被抽提完全；此外為保證抽提管中流入的溶劑迅速流出進行下一次抽提而使抽提管懸於提取瓶中對於油的完全抽提也是不利的(完全依靠衝淋)，這些問題的直接後果是油含量測定數據的準確性及平行性較差。
發明內容
本發明的一個目的在於針對上述現有方法測定樣品中油和/或水含量的裝置所存在的問題，對測量裝置進行改進，提供一種新的測定樣品中油和/或水含量的裝置，以提高測定數據的準確性及平行性。 本發明的另一目的在於提供一種利用所述裝置測定樣品中油和/或水含量的方法，準確、快速地測定樣品中油和/或水的含量。為達到上述目的，一方面，本發明提供了一種測定樣品中油和/或水含量的裝置，該裝置主要是對上述現有技術的「Dean-Stark改進裝置」的提取裝置部分做了進一步的改進，進而可使樣品中的油分抽提更為完全，提高測定的準確性及平行性。具體地講，本發明提供的測定樣品中油和/或水含量的裝置主要包括利用溶劑對樣品進行抽提以使溶劑及水的蒸汽進入Dean-Stark分水器中分離水而得以測定樣品水含量的提取裝置，該提取裝置主要包括用於容置抽提溶劑的提取瓶；置於所述提取瓶內、用於容置待測樣品的抽提管，該抽提管上端敞口，管壁中上部設置有溢液孔；用於連接Dean-Stark分水器與提取瓶的汽液分流頭，該汽液分流頭設置有供蒸汽從提取瓶內向上通過該汽液分流頭進入Dean-Stark分水器的升汽管以及供液體從Dean-Stark分水器向下通過該汽液分流頭進入抽提管底部的降液管。根據本發明的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置還包括Dean-Stark分水器該分水器可採用現有技術的Dean-Stark分水器,其結構可參考如前所述，該分水器主體為一個豎直的柱狀玻璃管，上方與冷凝器的底部相連，下方連接帶有計量刻度的水阱；在分水器主體豎直柱狀玻璃管的中上部斜伸出一根支管作為溶劑回流管，該支管與柱狀玻璃管下方管壁成銳角，支管下端折為豎直並通過所述汽液分流頭與提取瓶連接。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置還包括用於冷凝Dean-Stark分水器中蒸汽的冷凝器，該冷凝器可為現有技術中常用的回流冷凝器，其具體結構本發明不再贅述。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置中，所述汽液分流頭設置上、下磨口，上磨口與分水器支管下端形成密封連接，下磨口與提取瓶瓶口之間形成密封連接。
根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置中，所述抽提管位於提取瓶中心位置，其底部與提取瓶底部接觸，在進行加熱抽提時，可保持提取瓶內及抽提管內的溶劑始終處於沸騰狀態。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置中，所述汽液分流頭的降液管位於汽液分流頭的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置中，所述汽液分流頭的升汽管頂端高於降液管的液體入口處，優選地位差至少大於I. 5cm，這樣可有效防止分水器中的回流溶劑從升汽管流入提取瓶。另一方面，本發明還提供了一種測定樣品中油和/或水含量的方法，該方法包括 利用本發明所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置對樣品進行抽提將抽提溶劑置於提取瓶中，將待測樣品置於抽提管中，利用加熱裝置對提取瓶中的溶劑進行加熱，使提取瓶中的溶劑及抽提管中樣品內的水形成蒸汽，這些蒸汽上升進入Dean-Stark分水器中，經冷凝成液體後、再經溶劑與水的分層而使得樣品中的水分得以分離出來，進而測定樣品的水含量。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的方法還包括抽提完畢後，將被測樣品乾燥、使溶劑揮發至樣品恆重後稱重，並根據從分水器分離出水的質量，利用減量法計算出樣品的油含量。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的方法，所述抽提過程中，保持提取瓶內及抽提管內的溶劑一直處於沸騰狀態。根據本發明優選的具體實施方案，本發明測定樣品中油和/或水含量的方法中，所述抽提溶劑優選對油溶解性好且密度小於水的有機溶劑，如甲苯、己烷、石油醚等。本發明的裝置及方法，可廣泛適用於對固態或半固態的石油產品或礦物或食品中的水和/或油進行測定，如，待測樣品可以是含油汙泥、油砂、浙青、油頁巖、麵包、餅乾、油炸薯條等。與現有技術的「Dean-Stark改進裝置」相比，本發明中，將對被測樣品的衝淋抽提過程改為連續的動態浸取過程，從汽液分流頭降液管流出的液態甲苯進入抽提管的底部，待抽提管中液位上升至抽提管中上部的溢液口時，由溢液口連續流出，進入到提取瓶中。抽提管中的溶劑連續溢出及溶劑汽泡的劇烈擾動，可保證溶劑對樣品中可溶油分的完全抽提，同時也可使樣品中的水以水-溶劑共沸物的形式完全蒸出並經冷凝器冷凝後進入到分水器的水阱底部，從而使測定結果更為準確可靠。實驗結果表明，相比於現有技術的「Dean-Stark改進裝置」，利用本發明的裝置及方法，對待測樣品中的油和/或水含量進行測定，測定數據的準確性及平行性大幅度提高，同時提取效率也大幅度提高。並且本發明的裝置造價低廉，故適於大面積推廣應用。
圖I為現有技術的「Dean-Stark改進裝置」結構示意圖。圖2為本發明的測定樣品中油和/或水含量的裝置結構示意圖。
圖3為本發明的測定樣品中油和/或水含量裝置中抽提管的俯視結構示意圖。圖4為本發明的測定樣品中油和/或水含量裝置中抽提管的正視結構示意圖。圖5為本發明的測定樣品中油和/或水含量裝置中汽液分流頭的俯視結構示意圖。圖6為本發明的測定樣品中油和/或水含量裝置中汽液分流頭的正視結構示意圖。圖7為具體實施例2含油汙泥中油含量測定速率與現有技術的「Dean-Stark改進裝置」對含油汙泥中油含量測定速率的比較曲線圖。圖8為具體實施例2含油汙泥中水含量測定速率與現有技術的「Dean-Stark改進裝置」對含油汙泥中水含量測定速率的比較曲線圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例並結合附圖進一步詳細說明本發明的裝置與方法特點及使用效果，但本發明並不因此而受到任何限制。實施例I如圖2所示，本實施例提供的測定樣品中油和/或水含量的裝置主要包括Dean-Stark分水器1，該分水器主體為一個豎直的柱狀玻璃管，上方與回流冷凝器2的底部相連，下方連接帶有計量刻度的水阱11 ;在分水器主體豎直的柱狀玻璃管中上部斜伸出一根支管作為溶劑回流管，支管與柱狀玻璃管下方管壁成銳角，支管伸展到末端時折為垂直，以便插入提取裝置的汽液分流頭5的上部磨口中。所述提取裝置部分主要是利用溶劑對樣品進行抽提並使溶劑及水的蒸汽進入Dean-Stark分水器中分離水，進而得以測定樣品的水含量，該提取裝置主要包括 用於容置抽提溶劑的提取瓶3 ；置於所述提取瓶3內、用於容置待測樣品的抽提管4 ;詳見圖3、圖4所示的抽提管結構示意圖，該抽提管4為玻璃試管，其上端敞口，且管壁中上部設置有溢液孔41 ；用於連接Dean-Stark分水器與提取瓶的汽液分流頭5 ;詳見圖5、圖6所示的汽液分流頭結構示意圖，該汽液分流頭5設置有供蒸汽從提取瓶內向上通過該汽液分流頭進入Dean-Stark分水器的升汽管51以及供液體從Dean-Stark分水器向下通過該汽液分流頭進入抽提管的降液管52 ;升汽管51頂端高於降液管52的液體入口處，優選位差至少I. 5cm ；降液管52位於汽液分流頭的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部；並且，汽液分流頭5設置上、下磨口(圖中所示上磨口為內磨口，下磨口為外磨口)，上磨口與分水器I支管下端形成密封連接，下磨口與提取瓶3瓶口之間形成密封連接，保證了連接的密封性(為保證測定過程磨口間密閉無漏氣，實驗時磨口間要塗抹凡士林)。在利用該裝置測定樣品中油和/或水含量時，提取瓶3內裝入溶劑(對油溶解性好且比水密度小的有機溶劑，如甲苯、己烷、石油醚等)，待測樣品置於抽提管4中(為防止待測樣品在抽提過程中散亂，可事先用濾紙或濾網包裹好樣品)。利用加熱裝置6將提取瓶3中的溶劑加熱至沸騰，溶劑蒸汽及水蒸汽通過汽液分流頭5的升汽管51上升進入分水器I的支管，並沿支管上升至冷凝器2，經冷凝器2冷凝成液體後向下流入分水器I的水阱11中，溶劑與水在水阱中分層，下層為水，上層為溶劑，待分水器I水阱中冷凝的溶劑逐漸增多至支管連接處時，沿支管向下流動並經汽液分流頭5的降液管52流入抽提管4底部，在抽提管4內裝有用濾紙包裹的待測樣品，抽提管4內過量累積的溶劑將由溢液孔41流入提取瓶3中，經加熱重複上述過程。抽提過程中，提取瓶內溶劑的添加量應保證有足夠的液體從抽提管溢液孔溢出；抽提管中樣品的裝填高度應低於溢液孔；還可適當控制加熱功率，以保證冷凝管中的冷凝液連續流出，等等，這些對於本領域的技術人員而言在閱讀本發明後可根據其操作經驗而自行確定，本發明不再贅述。抽提完畢(通常以水阱水的體積在半小時內增加不超過0. Iml視為抽提完畢)後，將抽提完畢的被測樣品烘乾(通常在100-120°C條件下乾燥)，使溶劑揮發，從分水器的水阱中讀取水的體積數，然後將其轉化為樣品的水含量，利用減量法計算出樣品的油含量。具體計算方法可參照下述計算公式從所述分水器水阱讀取的水體積轉化為樣品中水質量的計算公式為mw = VwX pw;
從所述分水器水阱讀取的水體積轉化為樣品水含量的計算公式為5W=^^X100%
ms0.
9利用減量法計算樣品油含量的計算公式為
msQ- mw- mse So =-X 1 0%
ms09上述各式中Sw-樣品中的水含量，g (水)/g ;S。-樣品中的油含量，g(油)/g ;Vw-分水器水阱中的水體積，mL ；p w-測定溫度條件下水的密度，g/mL ；mw-水的質量，g;ms0-樣品的初始質量，g ；mse-抽提並乾燥恆重後的樣品固體物質量，g。本發明測定樣品中油和/或水含量的裝置中，所述抽提管底部位於提取瓶中心位置且與提取瓶底部接觸，這樣能夠更好地對抽提管內樣品及溶劑進行加熱，在抽提過程中，抽提管4內外的溶劑一直處於沸騰狀態。抽提管4內氣泡的劇烈擾動及溶劑的連續溢出不僅可以保證溶劑將待測樣品中可溶的油分完全抽提，還可使含油樣品中的水以水-溶劑共沸物的形式完全蒸出，從而使測定結果更為準確可靠。實施例2以含油汙泥A為待測樣品，利用實施例I的裝置及方法對含油汙泥油、水含量進行抽提測定，將抽提完畢的被測含油汙泥樣品在115°C條件下乾燥，使甲苯揮發並至樣品恆重後稱重，計算油、水的含量。並與利用圖I所示的現有技術的「Dean-Stark改進裝置」測定結果進行比較，測定結果列於下表。含油汙泥A油含量(溼基質量分數)測定結果平行性分析
權利要求
1.一種測定樣品中油和/或水含量的裝置，該裝置包括 利用溶劑對樣品進行抽提以使溶劑和水的蒸汽進入Dean-Stark分水器中分離水分，進而得以測定水分含量的提取裝置，該提取裝置包括 用於容置抽提溶劑的提取瓶； 置於所述提取瓶內、用於容置待測樣品的抽提管，該抽提管上端敞口，管壁中上部設置有溢液孔； 用於連接Dean-Stark分水器與提取瓶的汽液分流頭，該汽液分流頭設置有供蒸汽從提取瓶內向上通過該汽液分流頭進入Dean-Stark分水器的升汽管以及供液體從Dean-Stark分水器向下通過該汽液分流頭進入抽提管的降液管。
2.根據權利要求I所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置，該裝置還包括 Dean-Stark分水器，該分水器主體為一個豎直的柱狀玻璃管，上方與冷凝器的底部相連，下方連接帶有計量刻度的水阱；在分水器主體豎直的柱狀玻璃管的中上部斜伸出一根支管作為溶劑回流管，該支管與柱狀玻璃管下方管壁成銳角，支管下端折為豎直並通過所述汽液分流頭與提取瓶連接； 優選地，該裝置還包括用於冷凝Dean-Stark分水器中蒸汽的回流冷凝器。
3.根據權利要求2所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置，其中，所述汽液分流頭設置上磨口及下磨口，上磨口與分水器支管下端形成密封連接，下磨口與提取瓶瓶口之間形成密封連接。
4.根據權利要求I所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置，其中，所述抽提管位於提取瓶的中心位置，底部與提取瓶的底部相接觸。
5.根據權利要求I所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置，其中，所述汽液分流頭的降液管位於汽液分流頭的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部。
6.根據權利要求I或5所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置，其中，所述汽液分流頭的升汽管頂端高於降液管的液體入口高度，優選位差至少大於I. 5cm。
7.一種測定樣品中油和/或水含量的方法，該方法包括 利用權利要求I 6任一項所述的測定樣品中油和/或水含量的裝置對樣品進行油和/或水的抽提將溶劑置於提取瓶中，將待測樣品置於抽提管中，利用加熱裝置對提取瓶中的溶劑進行加熱，使提取瓶中的溶劑及抽提管中樣品內的水形成蒸汽，這些蒸汽上升進入Dean-Stark分水器中，並經冷凝使得樣品中的水得以分離出來，進而測定水含量。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法還包括 抽提完畢後，將被測樣品乾燥，使溶劑揮發至恆重後稱重，並根據從分水器分離出的水量，利用減量法計算樣品的油含量。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其中，所述抽提過程中，保持提取瓶及抽提管內的溶劑始終處於沸騰狀態。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，所述待測樣品為固態或半固態的石油產品或礦物或食品，例如含油汙泥、油砂、浙青、油頁巖、麵包、餅乾、油炸薯條等；優選地，所述抽提溶齊IJ為對油溶解性好且密度小於水的有機溶劑，例如甲苯、己烷、石油醚等。
全文摘要
本發明提供了一種測定樣品中油和/或水含量的裝置及方法，該裝置包括利用溶劑對樣品進行抽提以使溶劑和水的蒸汽進入Dean-Stark分水器中分離水分進而得以測定水分含量的提取裝置，該提取裝置包括用於容置抽提溶劑的提取瓶；置於所述提取瓶內、用於容置待測樣品的抽提管，該抽提管上端敞口，管壁中上部設置有溢液孔；用於連接分水器與提取瓶的汽液分流頭，該汽液分流頭設置有供蒸汽從提取瓶內向上通過該汽液分流頭進入分水器的升汽管以及供液體從分水器向下通過該汽液分流頭進入抽提管的降液管。利用本發明的裝置進行樣品油和/或水含量測定，準確性及穩定性良好，且造價低廉，適於大面積推廣應用。
文檔編號G01N5/04GK102778409SQ20121018327
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者周勇, 張珂, 朱建華, 武本成, 謝迎東, 馬亮 申請人:中國石油大學(北京)