測定酸性氣體在鹼性吸收液中平衡溶解度的裝置及方法
2023-05-05 16:15:16
專利名稱：測定酸性氣體在鹼性吸收液中平衡溶解度的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於氣體吸收分離、石油化工以及廢氣處理等領域，主要用於測定弱酸性氣體在鹼性溶液中不同氣體分壓力及不同吸收溫度條件下的平衡溶解度。
背景技術：
在氣體分離行業和石化行業中，吸收法是分離氣體最常用的方法之一。其原理是根據不同氣體在吸收液中溶解度的不同而實現氣體分離的，因此，弱酸性氣體在吸收液中的平衡溶解度成為設計分離裝置以及分離過程的時候必不可少的參數，然而，當下存在的測定鹼性吸收液中弱酸性氣體溶解度的裝置都存在著或多或少的問題。首先，吸收溫度的控制是個問題。為了使吸收溫度保持均勻穩定，許多溶解度測定裝置都需要採用水浴，但是水浴鍋的大小以及深淺限制著吸收裝置的大小，很難較為自由的設計吸收裝置。其次，攪拌方式的選取成為一個問題。氣液之間的傳質低效率會導致氣液之間長時間無法達到平衡，因此需要採用攪拌等手段使氣液儘快達到平衡，但如果使用了水浴，就無法使用磁力攪拌器進行非接觸式攪拌，只能採用機械攪拌，這就容易產生密封性不好的問題，因此很難使攪拌和水浴並存。再次，取樣分析的困難也是個問題。徐偉[1]等設計了一種測定氣體在較高沸點液體中的溶解度的裝置及方法，採用真空解析的方法和利用氣體狀態方程求得樣品中氣體的體積，方法雖然新穎，但是，真空解析同樣會使液體蒸發，所取得的氣體中的組分不只有溶解的氣體成分，還應該有相當一部分蒸發的液體組分，利用狀態方程求得的氣體量對於實際氣體有較大偏差，其結果有待驗證，並且，其限定為沒有化學反應的吸收，對應用範圍有了很大的影響。針對取樣難的問題，肖世才[2]設計了一種測定溶解度的取樣裝置，但 是如果用於氣體溶解度的測量，取出的液樣暴露大氣，使得帶壓力的氣體瞬間揮發，會使結果產生大量誤差甚至錯誤，因而不能用於氣體溶解度的取樣。最後，設計的吸收裝置的測量範圍是個問題。焦真[3]等設計了一套測定低分壓CO2在有機胺水溶液中的溶解度測定裝置，其二氧化碳的產生採用碳酸氫鈉和過量硫酸反應，因而其CO2分壓力相對很低，難以用作較大分壓力的平衡溶解度測定。還有，分析溶解度的方法也存在問題。對氣相和液相的分析，大都採用對氣液分別進行分析的方式，但是，對氣體取樣會使裝置複雜化，也容易產生密封性差的問題。綜上所述，設計一種能夠解決上述幾個難題，並且比較方便且準確測量實驗結果的裝置成為了最迫切需要解決的問題。
發明內容
本發明的目的在於解決吸收溫度的控制、攪拌方式的選取、取樣分析的困難、吸收裝置的測量範圍、分析溶解度的方法等問題，設計較為方便準確的測得弱酸性氣體在鹼性吸收液中的平衡溶解度的測試裝置。
—種弱酸性氣體在鹼性溶液中平衡溶解度的測試裝置，該裝置由輸氣系統、反應罐、溫控系統、取樣系統、氣體分壓力測量系統、液樣分析系統、氣體體積測量系統七部分組成。其中所述輸氣系統由氣源、氣路轉換閥和進氣閥構成；氣路轉換閥是一個三通閥門，一端連接氣源，一端連接進氣閥，另一端與取樣系統相連，形成氣源與進氣閥和氣源與取樣系統兩個氣路，用來保證吸收裝置用氣以及取樣系統輔助用氣兩部分的用氣量；整個系統功能是保證裝置使用時所有的用氣量；輸氣系統的進氣閥採用不鏽鋼針閥，防止因為腐蝕而產生漏氣，保證裝置有較長的使用壽命。所述反應罐是用不鏽鋼加工而成的圓柱形容器，內部裝有磁力攪拌器所用的攪拌子，底部平整；反應罐下面有一個磁力攪拌器，用來實現反應罐內的攪拌；反應罐罐體有進液口、進氣管、液樣取液口、溫度控制A和溫度控制B的2個溫度傳感器連接口以及壓力顯示的傳感器連接口六個開口。其中反應罐頂部焊接有進氣管，進氣管下端距離反應罐底部約10毫米，以保證將氣體輸送到反應罐中液體的液面以下；進液口採用螺紋連接封口，保證液體進入後封閉不漏氣；溫度控制A和溫度控制B的兩個溫度傳感器螺紋與罐體上焊接的螺紋相連，用以保證密封性；液樣取液口在反應罐側面最下端，其與取樣系統之間採用過緊配合進行連接，以保證不漏氣、不漏液；壓力顯示的傳感器與焊接於反應罐側面的不鏽鋼管也採用過緊配合相連，避免反應罐上表面過多開口帶來的問題，以保證密封性；整個反應罐是氣體與吸收液進行吸收過程的場所，是整個吸收過程的樞紐。所述溫控系統由兩個不同功率的加熱套A和加熱套B與溫度控制A和溫度控制B分別相連組成溫度控制迴路。而溫度控制A和溫度控制B均由一個PtlOO熱電阻、一個AI5180P智能控制儀表以及一個光電隔離單相交流調壓模塊組成。兩個不同功率的加熱套A和加熱套B分別緊貼在反應罐外側面，位於上部的加熱套功率較小，用以實現對氣體的溫度控制，位於下部的加熱套功率較大，用來實現液體溫度控制；溫度控制A和溫度控制B的兩個熱電阻長短不同，溫度控制A的熱電阻長，且直接插到液體中，只測量液體的溫度，與較大功率的加熱套8形成迴路，溫度控制B的熱電阻短，底端位於液面線以上，只測量氣體的溫度，與功率較小的加熱套形成迴路。也就是說，採用兩套不同的溫控系統以解決氣液間由於比熱不同而導致的溫度分布不均勻問題，從而解決由於水浴產生的各種問題；該系統的功能是保證吸收溫度的均一穩定，保證測得的不同分壓下的溶解度是在相同的溫度下。所述取樣系統由焊接在液樣取液口的一段不鏽鋼管和三通閥構成。三通閥一端接鋼管，一端連接液樣分析系統，另一端接氣路轉換閥，從而分別形成液樣取液口和液樣分析系統以及氣路轉換閥與液樣分析系統兩個通路，轉換三通閥以控制兩個通路的通閉。液樣取液口和液樣分析系統之間的通路用來取樣，將液樣導入到液樣分析系統，而氣路轉換閥與取樣系統之間的通路，是為了將氣體導入到三通閥與取樣系統之間的通路中，吹掉每次實驗進行之後殘留在管道中的液體，避免不同實驗之間的影響，提高儀器的精度。所述氣體分壓力測量系統由壓力傳感器和一塊顯示儀表構成。傳感器與焊接在反應罐側面的一段不鏽鋼鋼管通過過緊配合連接，保證壓力測量時密封且壓力的顯示同步；該系統通過充氣前後系統總壓力的不同，用總壓力差值得到氣體分壓力的。因為裝置通過氮氣吹掃，以及溫度恆定之後，非待測氣體的分壓是確定的，只要測定了充氣前的反應罐系統總壓力，就可以知道非待測氣體在之後的過程中所佔的分壓力，從而可以通過總壓減去非待測氣體分壓的方法確定待測氣體的分壓力。所述液樣分析系統利用硫酸是難揮發的強酸的特性，對液樣進行分析，從而將液樣吸收的酸性氣體析出，再將析出的氣體導入氣體體積測量系統，從而可以測定液樣中吸收的氣體體積。本系統由硫酸瓶、電子天平和磁力攪拌器組成。硫酸瓶中盛有過量的5N硫酸和磁力攪拌器的攪拌子，硫酸瓶下面有磁力攪拌器；硫酸瓶可以被單獨取下，可以自由稱量硫酸瓶的重量及添加新的硫酸溶液；電子天平與整個裝置不相連，獨立存在，用以測量硫酸瓶的重量；該系統的主要功能是確定所取的液樣的量。所述氣體體積測量系統由量氣管和水準瓶組成。與液樣分析系統相連。操作上採用連通器的原理，運用等壓面的概念，在量取時保證水準瓶中的液體和量氣管中液體的液面在同一壓力下，即保證氣體取樣時的壓力為一個標準大氣壓。該操作採用連通器的原理，運用等壓面的概念，在量取時保證水準瓶中的液體和量氣管中液體的液面在同一壓力下，即保證氣體取樣時的壓力為一個標準大氣壓。弱酸性氣體在鹼性溶液中的溶解度測試過程如下:首先，對裝置進行氮氣吹掃，將吸收液加入反應罐，封閉進液口以及所有與反應罐相連的閥門。然後，將溫度控制A和溫度控制B的溫度設定在所需要測定的溫度，等到溫度穩定之後記錄下此時的壓力匕。之後，將氣路轉換閥打到氣源與進氣閥相通，打開進氣閥，通入一定量的氣體，關閉進氣閥，等到氣液平衡，壓力顯示的示數不再發生變化時候，記錄此時的總壓力P1，從而得到氣體分壓力為P1-P0O此後，稱量硫酸瓶的重量，記為IV將硫酸瓶連接好並打開磁力攪拌器，將三通閥打到與硫酸瓶相通的位置，放出2 3克液體然後關閉閥門，注意在打開三通閥同時使用量氣管，待反應完全之後，記錄產生的氣體體積V。最後，稱量硫酸瓶的質量得到Hl1,從而得到液樣的質量!^-!^，也就知道了有多少氣體溶解於多少質量的吸收液中，從而得到溶解度。為了使得下一次實驗結果精確，最終將氣路轉換閥I打到與取樣系統相通的位置，用氣體吹掉管路中殘存的液體，從而減小管路殘留液體對實驗結果的影響。本發明提出的氣液分別控溫、取樣裝置氣吹殘留液、硫酸解吸和磁力攪拌等方式保證了該發明裝置測試性 能的穩定可靠，簡單方便，是研究酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度特性參數的有力試驗裝置，適用於不同鹼液不同弱酸性氣體在不同溫度、不同氣體分壓力下平衡溶解度的測量。
圖1是本發明裝置的工作原理示意 圖1中:1.氣路轉換閥；2.進氣閥；3.進液口 ；4.溫度控制A ;5.溫度控制B ;6.壓力顯示；7.反應罐；8.加熱套Α;9.加熱套B ;10.三通閥；11.磁力攪拌器Α;12.磁力攪拌器Β;13.硫酸瓶；14.量氣管和水準瓶；
圖2是本發明裝置中反應罐的簡 15.進氣管；16.液面線；17.取液口；
具體實施例方式本發明實施實例通過測定不同吸收溫度和不同CO2分壓力下有機胺溶液吸收CO2的溶解度實驗。反應罐的直徑101毫米，高度200毫米。本實施實例配製質量分數為百分之十的乙醇胺550克作為吸收液，配製5N硫酸150毫升作為酸解使用。參見圖1和圖2，反應罐7有進氣管15、進液口 3、壓力顯示6、取液口 17、以及安裝溫度控制A4的熱電阻和溫度控制B5六個開口。反應罐中液體的量以液面線16沒過溫度控制A4的熱電偶下端約3 4釐米為準。反應罐外包有加熱套AS和加熱套B9分別與溫度控制A4和溫度控制B5形成兩個溫度控制迴路。溫度控制A4和溫度控制B5均是一塊光電隔離單相交流調壓模塊連接一塊AI5180P智能控制儀表，再與一根Pt 100熱電阻相連，形成溫度控制部分。將配好的乙醇胺溶液從進液口 3加入反應罐7，之後將進液口 3密封，開啟磁力攪拌器11，將溫度控制A4和溫度控制B5調到所需溫度，等待溫度穩定，且壓力顯示6的壓力不再變動時，記錄此時顯示儀表的壓力Po，將氣路轉換閥I打到與進氣閥2相通的狀態，打開進氣閥2，將氣體充入反應罐7，等待1-2小時，關閉進氣閥2，再等待I個小時直到壓力顯示6的數字不再變化為止，此時反應罐內達到平衡，記錄此時壓力顯示6顯示的壓力P1，從而得到此時的二氧化碳分壓力P1-Ptlt5稱量硫酸瓶13的質量Hici後，開啟磁力攪拌器12 ;打開三通閥10取液體3 4克後關閉三通閥，同時用量氣管測量產生的氣體的體積，記錄此時的氣體體積作為V ;然後繼續稱量硫酸瓶13的質量IH1,得到取液的質量Iii1- 1 ,將氣路轉換閥I打到與取樣系統相通的位置，吹除管路內殘餘的液體 ；然後用所得的體積V，分壓力以及取液的質量，可以得到酸性氣體在鹼性吸收液中的溶解度；繼續重複上述過程，直到測出一條分壓力與溶解度的溶解度曲線為止；操作實例結束。
權利要求
1.一種弱酸性氣體在鹼性溶液中平衡溶解度的測試裝置，其特徵在於該裝置由輸氣系統、反應罐、溫控系統、取樣系統、氣體分壓力測量系統、液樣分析系統、氣體體積測量系統七部分組成； 其中所述輸氣系統由氣源、氣路轉換閥(I)和進氣閥(2)構成；氣路轉換閥(I)是一個三通閥門，一端連接氣源，一端連接進氣閥(2)，另一端與取樣系統相連，形成氣源與進氣閥和氣源與取樣系統兩個氣路，用來保證吸收裝置用氣以及取樣系統輔助用氣兩部分的用氣量；整個系統功能是保證裝置使用時所有的用氣量； 所述反應罐(7)是用不鏽鋼加工而成的圓柱形容器，內部裝有磁力攪拌器A (11)所用的攪拌子，底部平整；反應罐下面有一個磁力攪拌器A (11)，用來實現反應罐內的攪拌；反應罐罐體有進液口(3)、進氣管(15)、液樣取液口(17)、溫度控制A (4)和溫度控制B (5)的2個溫度傳感器連接口以及壓力顯示(6)的傳感器連接口六個開口；其中反應罐(7)頂部焊接有進氣管(15)，進氣管(15)下端距離反應罐底部10毫米，以保證將氣體輸送到反應罐中液體的液面(16)以下；進液口(3)採用螺紋連接封口，保證液體進入後封閉不漏氣；溫度控制A (4)和溫度控制B (5)的兩個溫度傳感器螺紋與罐體上焊接的螺紋相連，用以保證密封性；液樣取液口(17)在反應罐側面最下端，其與取樣系統之間採用過緊配合進行連接，以保證不漏氣、不漏液；壓力顯示(6)的傳感器與焊接於反應罐(7)側面的不鏽鋼管也採用過緊配合相連，避免反應罐上表面過多開口帶來的問題，以保證密封性；整個反應罐(7)是氣體與吸收液進行吸收過程的場所，是整個吸收過程的樞紐； 所述溫控系統由兩個功率不同的加熱套A (8)和加熱套B (9)與溫度控制A (4)和溫度控制B (5)分別相連組成溫度控制迴路；而溫度控制A (4)和溫度控制B (5)均由一個PtlOO熱電阻、一個AI5180P智能控制儀表以及一個光電隔離單相交流調壓模塊組成；兩個不同功率的加熱套A (8)和加熱套B (9)分別緊貼在反應罐(7)外側面； 所述取樣系統由焊接在液樣取液口(17)的一段不鏽鋼管和三通閥(10)構成；三通閥一端接鋼管，一端連接液樣分析系統，另一端接氣`路轉換閥(I )，從而分別形成液樣取液口(17)和液樣分析系統以及氣路轉換閥(I)與液樣分析系統兩個通路，轉換三通閥(10)以控制兩個通路的通閉； 所述氣體分壓力測量系統由壓力顯示(6)構成，而壓力顯示(6)則由壓力傳感器和一塊顯示儀表構成；壓力顯示(6)的傳感器與焊接在反應罐(7)側面的一段不鏽鋼鋼管通過過緊配合連接，保證壓力測量時密封且壓力的顯示同步；該系統通過充氣前後系統總壓力的不同，用總壓力差值得到氣體分壓力的；因為裝置通過氮氣吹掃，以及溫度恆定之後，非待測氣體的分壓是確定的，只要測定了充氣前的反應罐系統總壓力，就可以知道非待測氣體在之後的過程中所佔的分壓力，從而可以通過總壓減去非待測氣體分壓的方法確定待測氣體的分壓力； 所述液樣分析系統由硫酸瓶(13)、電子天平和磁力攪拌器(12)組成，硫酸瓶(13)中盛有過量的5N硫酸和磁力攪拌器(12)的攪拌子，硫酸瓶下面有磁力攪拌器(12);硫酸瓶(13)能被單獨取下，能自由稱量硫酸瓶(13)的重量及添加新的硫酸溶液；電子天平與整個裝置不相連，獨立存在，用以測量硫酸瓶(13)的重量； 所述氣體體積測量系統由量氣管和水準瓶(14)組成，與液樣分析系統相連。
2.如權利要求1所述的弱酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度的測試裝置，其特徵是輸氣系統的進氣閥(2)採用不鏽鋼針閥，防止因為腐蝕而產生漏氣。
3.如權利要求1所述的弱酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度的測試裝置，其特徵是位於上部的加熱套(9)功率較小，用以實現對氣體的溫度控制，位於下部的加熱套(8)功率較大，用來實現液體溫度控制；溫度控制A (4)和溫度控制B (5)的兩個熱電阻長短不同，溫度控制A (4)的熱電阻長，且直接插到液體中，只測量液體的溫度，與較大功率的加熱套(8)形成迴路，溫度控制B (5)的熱電阻短，底端位於液面線(16)以上，只測量氣體的溫度，與功率較小的加熱套(9)形成迴路。
4.如權利要求1所述的弱酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度的測試裝置，其特徵是所述的反應罐(7)採用全不鏽鋼製作，所有開口均採用過緊配合以及螺紋連接，能夠承受較高的壓力，增大了溶解度的測量範圍。
5.一種採用權利要求1所述的測試裝置的弱酸性氣體的測試方法，其特徵是弱酸性氣體在鹼性溶液中的溶解度測試過程如下:首先，對裝置進行氮氣吹掃，將吸收液加入反應罐(7)，封閉進液口(3)以及所有與反應罐(7)相連的閥門；然後，將溫度控制A (4)和溫度控制B (5)的溫度設定在所需要測定的溫度，等到溫度穩定之後記錄下此時的壓力Ptl ;之後，將氣路分離閥(I)打到氣源與進氣閥(2)相通，打開進氣閥(2)，通入一定量的氣體，關閉進氣閥(2)，等到氣液平衡，壓力顯示(6)的示數不再發生變化時候，記錄此時的總壓力P1，從而得到氣體分壓力為P1-Ptl;此後，稱量硫酸瓶(13)的重量，記為IV將硫酸瓶(13)連接好並打開磁力攪拌器(12)，將三通閥(10)打到與硫酸瓶(13)相通的位置，放出2 3克液體然後關閉閥門，注意在打開三通閥(10)同時使用量氣管和水準瓶(14)，待反應完全之後，記錄產生的氣體體積V ;最後，稱量硫酸瓶(13)的質量得到Hl1,從而得到液樣的質量Hl1-Hitl，也就知道了有多少氣體溶解於多少質量的吸收液中，從而得到溶解度。
6.如權利要求5所述的弱酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度的測試方法，其特徵是在實驗結束後，最終將氣路轉換閥(I)打到與取樣系統相通的位置，用氣體吹掉管路中殘存的液體。
全文摘要
一種弱酸性氣體在鹼性吸收液中溶解度的測試裝置，屬於氣體吸收及分離和石油化工等領域，適於測定弱酸性氣體在不同氣體分壓力及不同溫度下的平衡溶解度曲線。該裝置由輸氣系統、反應罐、溫控系統、取樣系統、氣體分壓力測量系統、液樣分析系統、氣體體積測量系統七部分組成。不鏽鋼製的反應罐使得氣體分壓力測量範圍增大，氣液分別控溫使得溫度均勻並且使得磁力攪拌器的使用成為了可能，用智能儀表進行高精度的溫度控制以及壓力的顯示，採用了酸解法進行液樣的分析得到溶解度，用氣體吹除上次實驗殘留在管道的液體以提高精度，並且採用了量氣管作為氣體體積測量的工具，保證了氣體體積測量的精度，使實驗結果更加的溫度可靠。本發明裝置測試性能穩定可靠，簡單方便。
文檔編號G01N7/00GK103207127SQ20131012009
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者劉應書, 李小康, 張四宗, 張翠珍, 劉洋, 譚雅倩, 張輝 申請人:北京科技大學