CN100578187C - 相分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相分离器，其包括取样单元、用于对取样单元抽真空的真空管线和用于向取样单元输入氮气或惰性气体的鼓泡管线，所述的取样单元包括采样-离析器，在采样-离析器下方设有同采样-离析器可连通或断开的离析器，在采样-离析器上方设有同采样-离析器可连通或断开的气体取样瓶。所述的离析器内部分为上下两个空腔，上部空腔为偏心结构，下部空腔容积为采样-离析器容积的100～110%；在离析器下部空腔中心处设有鼓泡元件。本发明的相分离器，不需要二次离析、取样快捷简便、结构简单易维修、离析效率高。

Description

相分离器

技术领域

本发明涉及一种分离装置，具体涉及一种可将水中溶解气体分离出来的用于获得水中溶解气体含量的气液分离装置。

背景技术

水中溶解气体含量测量主要通过以下两种方法获得：一是采用在线溶解气体分析仪(如在线溶解氢分析仪、在线溶解氧分析仪等)对水中的溶解气体进行在线监测；二是采用手工取样的方法，将溶解于水中的气体分离出来，送实验室进行气相色谱分析，从而得到采集到的水样中溶解气体的含量。第二种方法的关键在于手工取样装置。

目前，手工取样装置，如法国ELTA公司生产的相分离器，其工作原理符合亨利定律(亨利定律为在一定温度和平衡状态下，气体在液体里的溶解度和该气体的平衡分压成正比)，即将一定温度和压力的水样，通过真空离析，改变水样中溶解气体的分压，使溶解于水样中的溶解气体分离出来，并通过惰性气体鼓泡，得到一定压力的气相样品。但是，如法国ELTA公司生产的相分离器等产品离析器均位于采样-离析器的上方，在真空离析前，气体取样瓶已与离析器连通，气体取样瓶和离析器共同参与鼓泡过程，为防止在水样真空离析中采样-离析器内的水样进入离析器，影响取样测量的准确性，离析器内的真空度较低，约为60～70kPa，使得相分离器的一次离析不充分，其一次离析率仅在60％左右，需要进行二次离析。另外，如法国ELTA公司生产的相分离器，其内部结构十分复杂，加工难度较大。

核电厂中采用现有相分离器测定水中溶解氢的含量时，由于需要进行二次离析，造成工作人员取样时间较长，接受放射性剂量较高，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需二次离析、取样快捷简便、结构简单易维修、高离析效率的相分离器。

本发明所述的相分离器，其包括取样单元、用于对取样单元抽真空的真空管线和用于向取样单元输入氮气或惰性气体的鼓泡管线，所述的取样单元包括采样-离析器，在采样-离析器下方设有同采样-离析器可连通或断开的离析器，在采样-离析器上方设有同采样-离析器可连通或断开的气体取样瓶。

如上所述的相分离器，所述的离析器内部分为上下两个空腔，上部空腔为偏心结构，下部空腔容积为采样-离析器容积的100～110％；在离析器下部空腔中心处设有鼓泡元件。

如上所述的相分离器，所述的采样-离析器、离析器及气体取样瓶均为不锈钢密封容器；所述的鼓泡元件为不锈钢多孔网状结构。

如上所述的相分离器，所述的采样-离析器底部与离析器顶部通过一个带有第一三通阀的管路连接，通过扳动第一三通阀实现采样-离析器与离析器的连通或断开；第一三通阀的一个端口还同水样进入管相连，以向采样-离析器内输送水样。

如上所述的相分离器，所述的鼓泡管线包括一个鼓泡气体输入管，鼓泡气体输入管初始端上设有气体流量计，末端分为两个分支管路；一个带有第二三通阀的分支管路与采样-离析器顶部相连，通过扳动第二三通阀实现向采样-离析器内输入或停止输入气体；第二三通阀位于采样-离析器顶部；第二三通阀的一个端口还同水样流出管相连，以使进入采样-离析器内的水样流出；另一个带有第三三通阀的分支管路与离析器底部相连，通过扳动第三三通阀实现向离析器内鼓泡元件输入或停止输入气体；第三三通阀的一个端口还同水样排放管相连，以将离析器内的水样排出。

如上所述的相分离器，所述的气体取样瓶底部设有快装接头，采样-离析器顶部也设有快装接头，通过两个快装接头的连通或断开实现气体取样瓶与采样-离析器之间的连通或断开。

如上所述的相分离器，所述的真空管线包括抽真空金属软管，抽真空金属软管的一端设有快装接头；所述的气体取样瓶顶部设有同抽真空金属软管的快装接头可连通或断开的快装接头。

如上所述的相分离器，所述的采样-离析器上设有温度计；所述的鼓泡管线上设有压力表。

本发明的效果在于：本发明的相分离器主要包括取样单元、真空管线和鼓泡管线，取样单元包括采样-离析器、离析器和气体取样瓶，它们之间均采用可拆卸连接。采样-离析器的作用是采集水样和将离析后具有一定压力的气体样品转移至气体取样瓶中。离析器的作用是离析溶解气体，离析器下部空腔用于盛装水样，上部空腔的作用是增大气液接触面积，利于气液平衡，0为防止在鼓泡过程中下部空腔内的水样进入采样-离析器，上部空腔设计为偏心结构。气体取样瓶的作用是收集离析出的气体，以供分析。本发明的相分离器其离析器位于采样-离析器的下方，采样后再进行真空离析，采样-离析器的水样可全部进入离析器内，使采样-离析器具有采样和离析的双重功能，使得真空离析更彻底，离析效率更高，一次离析效率稳定保持在≥99％，不需要进行二次离析；另外，由于水样中溶解气体含量只与采样结束时采样-离析器内的水样密度有关，与气体取样瓶、采样-离析器和离析器的容积无关，因此不需要对采样-离析器、离析器和气体取样瓶的容积进行精确标定，避免了对采样容器体积标定所带来的误差，进而降低采样容器的加工难度和加工成本。本发明的相分离器，结构简单，安装和拆卸方便，便于维修。在核电厂中采用本发明的相分离器取样，由于不需要进行二次离析，有效缩短了取样时间，减少了核电厂工作人员取样时所接受的放射性剂量，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明的相分离器结构示意图；

图2是本发明的相分离器中离析器内部结构示意图；

图中：1.气体取样瓶顶部快装接头；2.气体取样瓶；3.气体取样瓶底部快装接头；4.采样-离析器顶部快装接头；5.采样-离析器；6.第一三通阀；7.水样进入管；8.离析器；9.鼓泡元件；10.第三三通阀；11.水样排放管；12.气体流量计；13.鼓泡气体输入管；14.压力表；15.温度计；16.第二三通阀；17.水样流出管；18.抽真空金属软管快装接头；19.抽真空金属软管；20.上部空腔；21.下部空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的相分离器作进一步描述。

本发明的相分离器包括取样单元、用于对取样单元抽真空的真空管线和用于向取样单元输入氮气(或惰性气体)的鼓泡管线。

如图1所示，取样单元包括采样-离析器5，在采样-离析器5下方设有的离析器8，在采样-离析器5上方设有的气体取样瓶2，在采样-离析器5上设有可直接读取数据的温度计15。如图2所示，离析器8内部分为上下两个空腔，上部空腔20为偏心结构，下部空腔21内中心处设有鼓泡元件9，下部空腔容积与采样-离析器5的容积相同(或不超过采样-离析器5容积的110％)。采样-离析器5、离析器8和气体取样瓶2均为不锈钢密封容器，鼓泡元件9为不锈钢多孔网状结构。

采样-离析器5底部与离析器8顶部通过一个带有第一三通阀6的管路连接。第一三通阀6的一个端口还同水样进入管7相连。第一三通阀6为一进两出的三通阀，手柄置于中间位置第一三通阀关闭，采样-离析器5与离析器8隔离；手柄置于6b，第一三通阀可将采样-离析器5与离析器8相连通；手柄置于6a，第一三通阀可将水样进入管7与采样-离析器5连通，水样可进入采样-离析器5内。

鼓泡管线包括一个鼓泡气体输入管13，鼓泡气体输入管13初始端上设有气体流量计12，末端分为两个分支管路，在其中任意一个分支管路上设有真空压力表14。

一个鼓泡管线分支管路上带有第二三通阀16，其与采样-离析器5顶部相连，第二三通阀16位于采样-离析器5顶部。第二三通阀16的一个端口还同水样流出管17相连。第二三通阀16为一进两出的三通阀，手柄置于中间位置第二三通阀关闭，采样-离析器5与鼓泡管线分支管路断开，气体停止输入；手柄置于16a，第二三通阀将采样-离析器5与鼓泡管线分支管路连通，气体可进入采样-离析器5；手柄置于16b，第二三通阀将水样流出管17与采样-离析器5连通，水样可从采样-离析器5内流出。

另一个鼓泡管线分支管路上带有第三三通阀10，其与离析器8底部相连，进而同离析器8内鼓泡元件9连接。第三三通阀10的一个端口还同水样排放管11相连。第三三通阀10为一进两出的三通阀，手柄置于中间位置第三三通阀关闭，离析器8与鼓泡管线分支管路断开，气体停止输入；手柄置于10b，第三三通阀将离析器8与鼓泡管线分支管路连通，气体可进入离析器8内鼓泡元件9；手柄置于10a，第三三通阀将水样排放管11与离析器8连通，水样可从离析器8内排出。

气体取样瓶2底部设有快装接头3，采样-离析器5顶部设有快装接头4，通过两个快装接头3、4的连通或断开实现气体取样瓶2与采样-离析器5之间的连通或断开。

真空管线包括抽真空金属软管19，抽真空金属软管19的一端设有快装接头18；气体取样瓶2顶部也设有同抽真空金属软管的快装接头18可连通或断开的快装接头1。

本发明的相分离器工作原理符合亨利定律，即将一定温度和压力的水样，通过真空离析，改变水样中溶解气体的分压，使溶解于水样中的溶解气体分离出来，并通过氮气或惰性气体鼓泡，得到一定压力的气相样品。

本发明的相分离器具体工作步骤如下：

(1)将气体取样瓶顶部快装接头1同抽真空金属软管上快装接头18连通；将气体取样瓶底部快装接头3同采样-离析器5顶部快装接头4连通；将第一三通阀6置于6b，使采样-离析器5和离析器8相连通；将第二三通阀16置于中间位置，使第二三通阀关闭；将第三三通阀10置于中间位置，使第三三通阀关闭。采用真空泵通过抽真空金属软管19对气体取样瓶2、采样-离析器5和离析器8相连组成的取样单元抽真空。抽真空结束后，将气体取样瓶底部快装接头3同采样-离析器顶部快装接头4断开。

(2)将第一三通阀6置于6a，使采样-离析器5同水样进入管7相连通；再将采样-离析器顶部第二三通阀16置于16b，使采样-离析器5同水样流出管17连通。进行水样采集，水样经水样进入管7进入采样-离析器5，从水样流出管17流出，通过温度计15对水样温度进行测量。

(3)待采样-离析器5内水样采集符合要求后，将第二三通阀16置于中间位置，使第二三通阀16关闭；将第一三通阀6置于6b，使采样-离析器5与离析器8连通，此时由于离析器8内为真空负压，采样-离析器5内的水样流入离析器8下部空腔内，而水样中所含气体经真空离析在采样-离析器5内；

(4)将第二三通阀16置于16a，使采样-离析器5与鼓泡管线分支管路连通；打开鼓泡气体输入管13，一定压力的氮气经气体流量计12、第二三通阀16从采样-离析器顶部吹入采样-离析器5。由于氮气的吹入造成采样-离析器5内压力高于离析器8内压力，采样-离析器5内剩余水样在压差的驱动下全部被吹入离析器8内；

(5)将第二三通阀16置于中间位置，使第二三通阀16关闭；将离析器底部第三三通阀10置于10b，氮气经鼓泡气体输入管13、第三三通阀10、鼓泡元件9进入离析器8下部空腔内，对水样进行鼓泡。通过气体流量计12调节鼓泡流量，由压力表14测量系统压力，直至压力值达到一定值(0.2～0.3MPa)后，将第三三通阀10置于中间位置，关闭鼓泡管线，并记录该压力值P。并将第一三通阀6置于中间位置，使第一三通阀6关闭。将采样-离析器5静置一定时间(0.5～3分钟)以使其内部气体混合均匀。

由于气相色谱仪分析需要样品具有一定的正压，系统最终压力必须达到一定值(0.2～0.3MPa)。

(6)将气体取样瓶底部快装接头3与采样-离析器顶部快装接头4连接，由于气体取样瓶2内为真空负压，采样-离析器5内的气体进入气体取样瓶2直至采样-离析器5和气体取样瓶2压力达到平衡后，断开快装接头3和快装接头4的连接，移走气体取样瓶2，进行气相色谱分析。

(7)将离析器底部第三三通阀10置于10a，离析器8内的水样经水样排放管11排放。

采用气相色谱仪对采集到待测气体样品进行分析。该待测气体样品由氮气和经相分离器分离出的水样中所含气体组成。通过外标法或校正归一法，可以获知待测气体样品内水样中所含气体浓度。

通常采用如下公式计算出标准状况下水样中所含气体浓度：

$C_g=\frac{C\×V}{M}\×\frac{P}{P_0}=n\×C---\left(1\right)$

式中，C_g为在标准状况下水样中所含气体浓度，cm³气/g水；

C为气相色谱分析仪测得待测气体样品内水样中所含气体浓度体积百分数；

V为气相容积(采样-离析器5的容积，cm³)；

M为采样结束时采样-离析器5内水的质量，g；

P为对水样进行鼓泡结束后，采样-离析器5及离析器8内的最终压力，MPa；

P₀＝0.1013MPa；

n为V、M、P和P₀的换算常数。

从上述公式(1)可以看出，由于本发明的相分离器结构和工作原理的改变，使得采样-离析器5具有采集水样和离析的功能，在公式中的V和M，分别为采样-离析器5的容积和采集水样的质量，因此，公式(1)可转换为以下公式：

$C_g=\frac{C\×V}{M}\×\frac{P}{P_0}=\frac{C}{\mathrm{\ρ}}\×\frac{P}{P_0}---\left(2\right)$

式中，C_g为在标准状况下水样中所含气体浓度，cm³气/g水；

C为气相色谱分析仪测得待测气体样品内水样中所含气体浓度体积百分数；

V为气相容积(采样-离析器5的容积，cm³)；

M为采样结束时采样-离析器5内水的质量，g；

ρ为采样结束时采样-离析器5内的水样密度，g/cm³，通常情况下ρ＝1g/cm³；

P为对水样进行鼓泡结束后，采样-离析器5及离析器8内的最终压力，MPa；

P₀＝0.1013MPa；

公式(2)中C_g只与采样结束时采样-离析器5内的水样密度有关，与气体取样瓶2、采样-离析器5和离析器8的容积无关，因此不需要对采样-离析器5、离析器8和气体取样瓶2的容积进行精确标定，避免了容积标定所带来的误差，从而降低了取样容器的加工难度。

采用本发明的相分离器对水样中溶解的气体进行分离，离析真空度为5～10kPa，一次离析效率可稳定保持在≥99％(一次离析效率验证试验数据见表1)，其取样时间仅为0.5小时。

本发明尤其适用于压水堆核电厂一回路系统冷却剂中溶解气体的手工取样。

表1本发明的相分离器一次离析效率验证试验数据表

Claims (8)

1.一种相分离器，其包括取样单元、用于对取样单元抽真空的真空管线和用于向取样单元输入氮气或惰性气体的鼓泡管线，其特征在于：

所述的取样单元包括采样-离析器(5)，在采样-离析器(5)下方设有同采样-离析器(5)可连通或断开的离析器(8)，在采样-离析器(5)上方设有同采样-离析器(5)可连通或断开的气体取样瓶(2)；所述的离析器(8)内部分为上下两个空腔，在离析器(8)下部空腔中心处设有鼓泡元件(9)；

采样-离析器(5)底部与离析器(8)顶部通过一个带有第一三通阀(6)的管路连接，通过扳动第一三通阀(6)实现采样-离析器(5)与离析器(8)的连通或断开；第一三通阀(6)的一个端口还同水样进入管(7)相连，以向采样-离析器(5)内输送水样；

一个带有第二三通阀(16)的分支管路与采样-离析器(5)顶部相连，通过扳动第二三通阀(16)实现向采样-离析器(5)内输入或停止输入气体；第二三通阀(16)位于采样-离析器(5)顶部；第二三通阀(16)的一个端口还同水样流出管(17)相连，以使进入采样-离析器(5)内的水样流出；

另一个带有第三三通阀(10)的分支管路与离析器(8)底部相连，通过扳动第三三通阀(10)实现向离析器(8)内鼓泡元件输入或停止输入气体；第三三通阀(10)的一个端口还同水样排放管(11)相连，以将离析器(8)内的水样排出。

2.根据权利要求1所述的一种相分离器，其特征在于：所述的离析器上部空腔(20)为偏心结构，下部空腔(21)容积为采样-离析器(5)容积的100～110％。

3.根据权利要求2所述的一种相分离器，其特征在于：所述的采样-离析器(5)、离析器(8)及气体取样瓶(2)均为不锈钢密封容器；所述的鼓泡元件(9)为不锈钢多孔网状结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种相分离器，其特征在于：所述的鼓泡管线包括一个鼓泡气体输入管(13)，鼓泡气体输入管(13)初始端上设有气体流量计(12)，末端分为两个分支管路；

5.根据权利要求1或2所述的一种相分离器，其特征在于：所述的气体取样瓶(2)底部设有快装接头(3)，采样-离析器(5)顶部也设有快装接头(4)，通过两个快装接头(3、4)的连通或断开实现气体取样瓶(2)与采样-离析器(5)之间的连通或断开。

6.根据权利要求1或2所述的一种相分离器，其特征在于：所述的真空管线包括抽真空金属软管(19)，抽真空金属软管(19)的一端设有快装接头(18)；所述的气体取样瓶(2)顶部设有同抽真空金属软管的快装接头(18)可连通或断开的快装接头(1)。

7.根据权利要求1或2所述的一种相分离器，其特征在于：所述的采样-离析器(5)上设有温度计(15)；所述的鼓泡管线上设有压力表(14)。

8.根据权利要求1或2所述的一种相分离器，其特征在于：

所述的采样-离析器(5)底部与离析器(8)顶部通过一个带有第一三通阀(6)的管路连接，通过扳动第一三通阀(6)实现采样-离析器(5)与离析器(8)的连通或断开；第一三通阀(6)的一个端口还同水样进入管(7)相连，以向采样-离析器(5)内输送水样；

所述的鼓泡管线包括一个鼓泡气体输入管(13)，鼓泡气体输入管(13)初始端上设有气体流量计(12)，末端分为两个分支管路；一个带有第二三通阀(16)的分支管路与采样-离析器(5)顶部相连，通过扳动第二三通阀(16)实现向采样-离析器(5)内输入或停止输入气体，第二三通阀(16)位于采样-离析器(5)顶部，第二三通阀(16)的一个端口还同水样流出管(17)相连，以使进入采样-离析器(5)内的水样流出；另一个带有第三三通阀(10)的分支管路与离析器(8)底部相连，通过扳动第三三通阀(10)实现向离析器(8)内鼓泡元件输入或停止输入气体，第三三通阀(10)的一个端口还同水样排放管(11)相连，以将离析器(8)内的水样排出；

所述的气体取样瓶(2)底部设有快装接头(3)，采样-离析器(5)顶部也设有快装接头(4)，通过两个快装接头(3、4)的连通或断开实现气体取样瓶(2)与采样-离析器(5)之间的连通或断开；

所述的真空管线包括抽真空金属软管(19)，抽真空金属软管(19)的一端设有快装接头(18)；所述的气体取样瓶(2)顶部设有同抽真空金属软管的快装接头(18)可连通或断开的快装接头(1)；

所述的采样-离析器(5)上设有温度计(15)；所述的鼓泡管线上设有压力表(14)。

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