气体平衡装置

什么是汽液相平衡？汽液相平衡，即汽相与液相间的相平衡。对于二元或者多元体系的混合物，在封闭条件下，存在汽-液两相共存的现象，一定的温度和压力下，两相达到一种动态平衡时，即该混合物的汽相和液相组成趋于稳定，不随时间变化，此时这种动态平衡即为该混合物在该条件下（一定温度和压力）的汽液相平衡。为什么要收集汽液相平衡数据？1. 相平衡在自然界和工业界都是非常重要的，在石油和化工领域有重要指导意义。物质的相平衡并不是独立的，而是与空间、压力、温度和组成相关。相平衡研究从二元体系的汽液相平衡到多元体系的相平衡慢慢发展。虽然二元或者三元组分的相平衡只是实际情况的一种简化，因为在通常情况下，会有更多组分是共同存在的。但是，相关研究表明这些二元或三元组分的相平衡数据对于多元体系的相平衡研究是有代表性和指导意义的。2. 作为化工热力学的主要研究内容之一，测量、关联和推算不同体系在不同条件下的理化性质具有重大意义。其中，相平衡研究在化工热力学研究领域占有重要位置。作为化工基础数据的重要组成部分，相平衡数据具有重要的理论和实际价值。相平衡数据不仅对化工设备选型有重大意义，而且对分离单元等操作过程的设计也非常重要，如精馏、萃取和结晶等过程。相平衡数据对化工过程工艺的优化，如温度、压力等条件的选取也具有指导意义。对生产装置的设计与评估、相平衡理论的发展，这些都需建立在相平衡数据的测定和研究的基础之上。3. 二元或多元体系混合物的汽液相平衡是确定理论蒸馏级数及其他蒸馏条件的重要基础。 图1：相图与蒸馏理论塔板数的关联尽管通过文献查询、理论计算能得到大量的汽液相平衡数据，但随着化工生产的不断发展，这些数据远不能满足需求。许多物系的相平衡数据，很难由理论直接计算得到，须由实验测定分析。因此，越来越多的学者通过实验获取或验证相平衡数据。鉴于此，相平衡装置是化工实验室必备的基础设备。如何测定汽液相平衡数据？目前最常用测定汽液相平衡的方法是循环法——即在常压或减压条件下，采用玻璃制作的平衡釜，利用循环法建立体系相平衡，从而获得汽液相平衡数据。 图2：罗斯釜（Rose Kettle）1-釜液 2-加热丝 3-液相取样口 4-液相液体 5-汽液提升管 6-汽液分隔器7-温度计套管 8-汽相取样口 9-汽相冷凝液 10 -球形冷凝管 11-加料口汽液相平衡时同时进行汽相和液相双循环，从而使汽液两相的平衡时间变短，尽可能缩短实验时长，提高实验效率。汽液相平衡实验常用到的玻璃平衡釜主要为罗斯釜(如上图所示）。在工作时，罗斯釜的釜内循环为： 物料在釜内的底部被加热至沸腾→汽液相混合物通过汽液分隔器→液体完成回到釜内，完成液体循环→汽相通过球形冷凝器冷凝回到釜底，完成回流。由循环法测定汽液相平衡数据的方法有很多，我们提到的罗斯釜也是基于该原理，基本原理如下图3所示：由A到B为蒸汽循环线，B到A为液体循环流，在到达平衡时，A和B容器的组分不随时间变化，这时从中取样并进行GC分析组成，即可以得到一组汽液相平衡数据。 图3：循环法的工作原理在进行汽液相平衡实验时往往遇到以下问题：● 因样品组成沸点较高，常压条件已不能满足使用要求，要求装置配备真空系统，同时也要求装置的密封性和完整性；● 对于一些气体样品，常温常压不能进行测试，要求装置配备过压系统，也要求装置的密封性和耐压性；● 建立相平衡的速度慢，而且没有配备双循环的冷凝装置，导致汽相有可能混入小液滴，液相有可能出现返混；● 需要大量且繁琐的重复性验证实验，耗时耗力，要求装置自动化程度高；● 取样效率低，而且准确度和重复性都不好，特别是真空或者过压操作时。这些问题，Pilodist自动汽液相平衡装置VLE110统统可以解决！ Pilodist 自动汽液相平衡装置VLE11001 相平衡装置配备真空操作模块、过压操作模块以及相平衡釜的伴热装置，最 低真空度到1mbar，过压操作到3bar（绝压）。02 相平衡装置需为一体化设计，集成相平衡釜、混合室、加热系统、汽液两相冷却系统等，其中相平衡釜为双层夹套设计，且外层镀银，尽可能维持绝热操作。03 仪器特有的设计，样品在进入相平衡釜之前，汽液混合物在扩展交换区强烈传质，使得汽液两相之间能迅速达到平衡，汽液分离室的设计维持液滴不会进入汽相，液相出来后不会返混。而且汽液两相可单独取样，均为液体，方便GC进样分析。 图4：VLE循环主体结构图仪器能够迅速的达到相平衡状态：这是由于体系中同时有汽相和液相两相在体系内循环，在冷凝后，同时回到混合仓内（1.1）中。在进入汽液分离室之前（1），汽液相的混合物会经过一个加长的接触区域（1.2）以保持汽液间进行强烈的传质，该汽液分离室的设计可以有效的避免液相被夹带进入汽相。随后经过各自的冷凝器，汽相和液相又会回到混合仓中。04 仪器配备相平衡控制系统，基于windows操作系统的相平衡控制软件，操作简便，过程参数可追溯，查看过程压力稳定性；可显示设置值和实际值；控制加热温度、真空度、控制电磁阀取样等。同时配备工业触摸屏，防尘和防水等级为IP65。 图5：VLE控制系统参数设置 图6：IP65工业触摸屏05 三种取样方式收集汽相、液相样品，通过控制电磁阀分别从汽相或液相取样；也可以使用气密性的注射器直接从流体循环回路中抽取汽液两相样品；针对存在混溶间隙的样品可以通过取样针取样。● 通过控制电磁阀，分别从接收器5A汽相取样，接收器5B液相取样；● 通过气密性注射器，分别从1.15汽相取样口取样，1.16液相取样口取样；● 针对不互溶体系，可以用取样针从取样口1.5汽相取样，从1.14液相取样。如果您对上述产品感兴趣，欢迎随时联系德祥科技德祥科技德祥集团成立于1992年，总部位于香港特别行政区。作为科学仪器供应商和服务商,德祥服务于大中华区和亚太地区，每年都为数以千计的客户提供全套解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。作为深耕科学仪器行业的供应商与服务商，德祥现已服务于政府、高校、科研、制药、检测、食品、医疗、工业、环保、石化以及商业实验室等众多领域。公司目前在亚太地区设有13个办事处和销售网点，3个维修中心和1个样机实验室。2009至2021年间，德祥先后荣获了多项奖项。我们始终秉承诚信经营的理念，致力于成为优 秀的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每一天都在使这个世界变得更美好！PILODIST德国PILODIST是德祥集团旗下代理品牌之一。德国PILODIST公司源自于全球实力强悍的蒸馏及精馏设备供应商。公司传承原Fischer公司专业的蒸馏及精馏设备制造技术，为全球石油化工、精细化工行业及科研院所客户提供高品质的原油蒸馏系统、精馏系统、溶剂回收系统、汽液相平衡和分子蒸馏等。

近日，石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究人员应用自主开发的微痕量气体组分同位素分析新技术，对鄂尔多斯盆地的富烃类气藏、云南腾冲的温泉气、济阳坳陷地区二氧化碳气藏中的气体进行氢同位素分析，收到让地球化学研究人员满意的分析效果。历经40多年发展的无锡石油地质研究所实验研究中心在稳定同位素分析领域方面有着深厚的技术积累，逐步形成具有特色的同位素分析技术系列，得到国内外同行认可。面对油气勘探研究需要和目前同位素分析技术难题，在上级的支持下，这个所不断更新实验技术装备，引进3台不同型号的稳定同位素质谱仪，包括与其相配套的水平衡装置、预浓缩装置、气相色谱仪等先进设备。 　　同时，这个所着力加强技术创新和新技术的开发应用，坚持将传统技术方法与创新分析技术相结合，在原有稳定同位素分析技术的基础上，通过将稳定同位素质谱仪与其相配套的设备互相联接，成功开发了新同位素分析技术。　　燃烧/高温裂解元素分析仪与稳定同位素质谱仪(Delta V)联机使用碳—氮、氢—氧同位素连续测定技术，可进行批量样品分析，具有样品量小、检测速度快、准确度高的特点，能满足沉积有机质碳、氢、氧、氮4种元素同位素组成的分析要求。使用燃烧装置能够实现一次进样同时检出样品中碳、氮同位素组成的目标，而使用裂解装置可同时在线测定其氢、氧同位素组成，还可用于水中氢氧同位素分析。　　预浓缩装置与稳定同位素质谱仪(MAT253)联用测定微痕量气体组分的同位素分析技术，能满足低浓度甲烷气样品的碳氢同位素分析，同时利用天然气中各个组分在低温下被特定填料吸附的物理性能差异，对天然气中微痕量氢气的富集与分离，有效消除天然气中微痕量氢气同位素分析的技术瓶颈，为幔源流体中氢的地球化学研究提供有力技术支撑。　　据悉，稳定同位素分析新技术的开发与应用，为石油天然气地质研究提供了丰富的地球化学信息，在油气成因类型判识、油气源对比、运移示踪和成藏机理研究等方面发挥着独特作用，深受课题科研攻关人员和油气田生产单位的欢迎。

土壤呼吸中13C的天然丰度可以为研究土壤-植物大气圈系统中的碳动力学提供有力的工具，并对大气δ13C产生很大影响，因为它是进入大气的最大CO2通量之一。大气δ13C可以进一步反映陆地生态系统的分馏，为生物圈-大气CO2交换提供有价值的示踪剂。此外，使用稳定同位素13C作为示踪剂是划分土壤呼吸成分的极好方法，因为它可以在对土壤环境干扰最小的情况下识别释放的CO2的来源。如果由于缺乏δs数据而导致陆地呼吸的同位素组成参数化不正确，基于呼吸过程中陆地同位素分馏常数的生态系统和全球碳循环模型可能会给出不正确的结果。在现有的δs研究中，最常用的方法是使用静态封闭土壤室，在选定的时间间隔从中收集空气样本，并通过同位素比质谱仪测定进行后分析。在这些实验中，样品采集的频率固有地受到烧瓶采集和离线质谱分析所需的时间和精力的限制。因此，最佳测量时间对于获得日、月或年平均δs非常重要。 基于此，中国科学院地理科学与自然资源研究所温学发等研究人员采用非稳态条件下在线连续多通道双循环观测系统，在中国西北的灌溉玉米生态系统中进行了Rs和δs的原位连续测量。研究过程中，基于连续和高频（1Hz）测量，研究Rs和δs在日、月和季节时间尺度上的最佳测量时间，量化Rs和Δs的最佳测量频率，以在季节时间尺度下达到一定的准确度（±10%、±20%或±30%）。从而评估生长季节土壤呼吸CO2（Rs）及其δ13C（δs）值以及土壤温度（ST）和土壤含水量（SWC）的最佳测量时间和频率。 研究发现，尽管在生长季节，Rs和δs通常随着非生物和生物因素的变化而表现出明显的日变化和季节变化，但在9:00–10:00或此时（如9:00–11:00）的窗口中测得的Rs和Δs通常与日平均值没有显著差异。因此，如果研究人员无法直接测量昼夜模式，建议将这些时间尺度作为气候和植物类型相似地区的最佳测量时间。这项研究的结果为未来在其他灌溉农业生态系统中使用非连续测量提供了指导，可用于选择最佳测量时间并在保证一定精度的同时降低测量频率。试验方案及设备 下图是整套系统的示意图。整个方案由1）分析模块；2）采样模块；3）控制模块和4）校准模块构成。整体采用多通道双循环的设计思路，实现待测气体既能快速周转，又能互不干扰，并且将死体积降至最低水平。下图中蓝色线条代表的气路循环为整套系统的大循环，气体在呼吸室和控制系统内快速循环，能实时反馈气体浓度的变化。黄色线条代表的气路循环为小循环，从大循环中取分析仪需要的气体流量进行分析检测，测试完成的气体再次送回循环气路。原位多通道双循环观测系统示意图（std1, std2, std3：标准气体；MV：3通电磁阀；OF：溢流；V：流量控制阀；P：KNF泵；F：过滤器） 1、降低每一个呼吸室的关闭速度，最大限度减少呼吸室盖紧过程因空气下压产生的土壤呼吸测量的不确定性，保证数据测量结果的稳定性和准确性。 2、缩短每个循环周期的测量时间，尤其有利于土壤呼吸通量较低需要延长单个呼吸室测量时间，以及单次循环土壤呼吸室较多的情况。 3、有利于提高流速较慢分析仪的响应时间。 4、双泵交替工作有利于延长泵的使用寿命。 土壤空间异质性强，即便是同一区块相同土壤类型的土壤呼吸，其通量差异性也非常大。科学家在进行土壤呼吸研究时，通常需要在空间、时间和气体种类上进行多维度的组合研究，才能更好地解释土壤呼吸的内在机制。基于此，普瑞亿科研发了PRI-8600D 多通道土壤呼吸（群落光合）测量系统，能为上述研究提供时间顺序上、不同位点土壤呼吸循环测量解决方案。 PRI-8600D双循环复路系统是普瑞亿科潜心研发多年的土壤呼吸测量多路系统，具有发明专利（专利号：ZL201710784488.5），并在科技部重点研发计划项目支持下，于2023年完成最新一轮的升级。升级完成后，相对其他厂家的同类产品具有以下特点和优势： 1）具有双循环气路设计：设有奇数组和偶数组两个分组，每组均包含1个一体化的汇流排和1一个循环泵，并通过电磁阀组连接在一起交替为分析仪主机提供气源。两组复路系统交替工作，在前一个呼吸室测量结束前，次一个呼吸室开始工作，并在前一个呼吸室测量结束时，切入第二个呼吸室进行测量。 2）升级高度集成的采集汇流排、双路双循环汇流排、标样汇流排，极大的减少了分析气路的“死体积”；而模块化的设计也大大降低了气路泄漏的风险，保证了测量结果稳定可靠。 3）升级每个通道内置的过滤器材质为SUS304，提高了整机的气密性和稳定性，保障了整套系统能靠运行。 4）升级工业级电控逻辑板，即使在极端的工况下，设备也能稳定可靠的运行。MODBUS RTU的RS485通讯为客户大范围远距离应用提供了可能。 5）具有三路标准气接口，这可以实现高校准频率需要的分析仪时间在线校准，比如光谱同位素分析仪。 6）升级的气电混装定制化接头和线缆，设备更简洁/美观和可靠；同时，实现一个较小尺寸的主机箱连接不少于32个土壤呼吸室。 7）标配一个RS-232、一个RS-485 通讯接口，为一个复路系统驳接多个气体分析仪提供可能（可根据客户应用，拓展RS-232、RS-485和TTL通讯）。 8）具有WIFI接口，可以连接触控设备进行测量参数配置；具有双网口，可以进行数据自动上传和远程数据跟踪。 9）可以同时接驳土壤呼吸明室/土壤呼吸暗室/大容量群落光合室等。 10）若只需要CO2 H2O测量，分析仪可以内嵌到一个主机箱内。 8600-2012 全自动土壤呼吸测量暗室具有发明专利（专利号：ZL202021501088.2），该呼吸室升级了气电混装的线缆结构，升级土壤呼吸的防水等级至IP66，升级呼吸室多层采样装置，设备简洁、美观、可靠。 8600-2012 具有动压平衡装置，通过科学的设计，既能保证呼吸室内大气压于外界大气压的平衡，也能在一定限度内消除外界风速对呼吸室内气体的扰动，保证测量结果的准确性。配合PRI-8600D双循环，8600-2012关闭呼吸室的速率可以很低，最大限度消除其对土壤呼吸的扰动。 8600-2012C 是全自动土壤呼吸明室，呼吸室上部没有任何遮挡，考虑到植物生长高度，透明呼吸室高度可以在一定范围内特殊定制。兼容性好，可连接不同的同位素或气体浓度分析仪；双循环气路设计，能提升不同通道之间的切换效率；定制化程度高，通道数量、气路长度、呼吸室种类；标配3路标准气切换模块，可在线进行系统标定；专利的动压平衡装置，能提升通量测量精度和准度。PRI-8600D 多通道土壤呼吸（群落光合）测量系统主要包含多路复路系统主控箱，双循环泵，触屏PAD；可选配 CO2 H2O 分析仪，高精度 CO2 CH4 N2O 气体浓度分析仪，高精度 CO2 CH4 N2O 同位素分析仪；可选各种呼吸室，如土壤呼吸室、群光光合箱，明暗交替呼吸室/箱（含动压平衡装置），空气温度、土壤温度和土壤湿度传感器等；可选配不同长度的气路管线，标配15 m，可以定制长度至100 m。装置，能提升通量测量精度和准度。 PRI-8600D 多通道土壤呼吸（群落光合）测量系统可以满足不同科学研究需要，适用于生态学、农学、林学、肥料学、冻土、地震学研究，以及垃圾掩埋等领域。