CN105158027A - 一种沥青烟挥发物含量收集测定装置及其测定方法 - Google Patents

Abstract

一种沥青烟挥发物含量收集测定装置及其测定方法，所述装置是由高压氮气瓶、温控仪、管式炉、管式反应器、沥青烟收集容器和气体吸收瓶连通构成；所述方法是氮气将挥发的沥青烟带入沥青烟收集容器中的玻璃纤维滤筒并被吸收，后进入气体吸收瓶，测定沥青烟挥发量是管式反应炉中石英舟里沥青失去重量减去该沥青中的水分含量。本装置结构简单造价低，收集挥发沥青烟完全，并能对沥青烟的组分进行准确定性和定量分析；本方法简便快速，准确无误，更重要的是解决了沥青烟收集不完全而带来的测定误差问题。

Description

一种沥青烟挥发物含量收集测定装置及其测定方法

技术领域

本发明涉及一种沥青烟发生、收集装置及含量测定方法，尤其是一种利用氮气将挥发的沥青烟带入玻璃纤维滤筒并被吸收，后进入气体吸收瓶并测定沥青烟挥发量的方法。

背景技术

沥青烟是沥青热解或燃烧产生的低分子量组分的蒸气形成的气溶胶。沥青特别是煤沥青受热时所释放的沥青烟中含有大量稠环化合物，文献报导这些稠环化合物的主要成分中含有蒽、菲、苯并[a]芘等致癌物，美国环境保护署(EPA)重点监测的16种致癌性多环芳烃都是煤沥青烟中的可检测到的成分，这些物质对操作人员和环境会带来严重危害。对沥青在受热条件下，挥发的沥青烟含量测定，以及将该沥青烟完全收集，以进行后续有毒组分分析，是沥青应用中必不可少的内容。

公开号为CN102426146A的一种“沥青烟尘含量测定方法及其沥青烟尘的采样装置”，采用的是在密闭容器中、加热条件下，以干燥空气为载气将沥青烟导入聚丙烯棉吸附材料中，用低温真空干燥箱去除聚丙烯棉所吸收水分，通过实验前后聚丙烯棉的增重来测定沥青烟的挥发量。

公开号为CN103134915A的“一种密闭沥青烟研究装置”发明专利，采用密闭试验箱，内有沥青锅、搅拌器等设备，沥青锅通过电加热套加热，沥青锅中的沥青通过搅拌器搅拌，搅拌器上部装有搅拌罩以避免沥青飞溅，载气从密闭箱上部通入，气体出口设在密闭箱中部，气体出口与大气采样仪相连，大气采样仪内U型管吸附质及吸收瓶中吸收液吸收挥发的沥青烟，发明者用该装置研究加热温度、加热时间、搅拌速率等因素对沥青烟挥发量的影响。

对于沥青烟含量测定，上述专利均采用直接重量法，即在加热或包含搅拌的条件下，采用一定的收集装置收集挥发的沥青烟，通过测定收集装置的增重来得到沥青烟的挥发量。装置对沥青烟收集的完全程度以及如何处理收集的水分将影响直接重量法的准确性。

在受热条件下，沥青中低分子量组分因其气相含量低于其饱和蒸气压而挥发，沥青烟具有强粘结性，气相条件下会因分子碰撞而粘结于容器器壁或其他接触物上；更为严重的是在容器的出口处及后面连接的导管处，常因温度的急剧降低和管径变小，挥发的沥青烟会大量粘结于器壁和导管壁上，难于收集和处理，带来较大误差。如上述专利未对沥青烟的发生装置做具体说明如何将沥青烟较完全导入后续吸收装置。装置中的搅拌器罩、密闭器壁、密闭器气体出口处及导气管理论上都会对沥青烟产生粘结作用，致使部分沥青烟不能被收集，因此影响了沥青烟挥发量的测定，进而影响到后续的组分分析。

另一方面，沥青中水分含量在0.5～3％左右。沥青受热时，沥青烟与沥青中的水分一同挥发，水分会被后续的收集装置所吸收，如何高效地除去收集装置中的水分而不影响沥青烟的收集是个棘手、繁琐的工作。如上述发明采用真空冷冻干燥的办法脱除聚丙烯棉中所吸收的水分，未阐述将吸附装置中水分脱除的方法。若不能将收集装置中的水分高效除去，则水分会影响沥青烟的测定结果，极值条件下，理论误差可能高达30％。

发明内容

针对上述沥青烟测定和收集过程中所存在的问题，本发明提供一种沥青烟挥发物含量收集测定装置及其测定方法。

一种沥青烟挥发物含量收集测定装置，包括沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分；其特征在于：所述沥青烟挥发物含量收集测定装置是由沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分连通并密封构成。

所述沥青烟发生部分是在管式反应器的外周设置有管式加热炉及其热电偶温控仪TIC，在管式反应器的一端连通有高压氮气源及其气体流量计，另一端连通有沥青烟收集容器。

所述沥青烟收集容器是由玻璃纤维滤筒套及其两端设置的玻璃纤维滤筒套接头构成，并在两个玻璃纤维滤筒套接头的两端连通有不锈钢管变径接头，不锈钢管变径接头的一端与管式反应器出口连通，另一端与尾气吸收瓶连通。

所述尾气处理部分是由尾气吸收瓶构成。

基于上述技术方案，进一步的技术特征如下。

所述高压氮气源的氮气是沥青烟导入管式反应器的载气。

所述管式加热炉的加热温度是150-250℃之间。

所述管式反应器是由不锈钢管制成，其内径是10～60毫米，长度是5～20厘米。

所述不锈钢变径接头内设置有耐高温衬垫。

所述沥青烟收集容器的长度是10～60毫米。

所述热电偶温控仪TIC是K型热电偶，并设置于管式反应器内沥青样品容器的前端。

所述尾气吸收瓶内盛有环己烷或甲苯类的尾气吸收液。

一种用于上述所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置的沥青烟挥发物含量收集测定方法，其特征在于：所述方法是将同一沥青样品分为两份，一份沥青样品测定其中的水分百分含量，记为X％；另一份沥青样品装于已预处理的石英舟，石英舟的净质量为M₁，总重量为M₂，然后将石英舟置于管式反应器内进行脱挥发物实验，实验后称量含剩余沥青样品及石英舟质量为M₃，则：

实施上述所提供的一种沥青烟挥发物含量收集测定装置及其测定方法的技术方案，与现有技术相比具有以下优点：

本发明的沥青烟含量测定方法，简单、快速、准确，无需脱除收集装置中水分，重要的是可避免沥青烟收集不完全而带来的误差。

本发明的沥青烟收集装置，装置简单、造价低、能将挥发的沥青烟完全收集，无残留；对沥青烟的组分下一步可进行准确的定性、定量分析。

附图说明

图1是本发明沥青烟挥发物含量收集测定装置的结构示意图。

图2是本发明管式反应器和沥青烟收集容器的结构示意图。

图中：1—高压氮气源；2—气体流量计；3—管式炉；4—管式反应器；5—沥青烟收集容器；6—尾气吸收瓶；7—玻璃纤维滤筒套；8—玻璃纤维滤筒套接头；9—不锈钢管变径接头。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

本发明提供的一种沥青烟挥发物含量收集测定方法是通过测定沥青样品失重量减去其中水分含量的方法来测定沥青烟挥发量，其中水分含量的测定根据国标GB/T2288-2008进行。该方法是一种沥青烟含量快速、准确的测定方法。

具体沥青烟挥发物含量收集测定方法是将同一沥青样品分为两份，一份沥青样品测定其中的水分百分含量，记为X％；另一份沥青样品装于已预处理的石英舟，石英舟的净质量为M₁，总重量为M₂，然后将石英舟置于管式反应器4内进行脱挥发物实验，实验后称量含剩余沥青样品及石英舟质量为M₃，则：

本发明提供的一种沥青烟挥发物含量收集测定方法采用的测定装置，包括沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分三部分。该沥青烟挥发物含量收集测定方法的测定装置是由沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分三部分连通并密封构成。

沥青烟发生部分包括高压氮气源1、气体流量计2、管式反应器4、沥青烟收集容器5、管式加热炉3、带热电偶的温控仪TIC及相关气路连接装置构成；其中高压氮气源1与气体流量计2入口连接，气体流量计2出口与三通接头连接，该三通接头同时连有K型热电偶，该三通接头的出口与管式反应器4相连，所述K型热电偶与温控仪相连，所述温控仪TIC与管式加热炉3相连并对管式加器4加热进行控制，管式反应器4内装有盛沥青样品的石英舟，管式反应器4的出口与沥青烟收集容器5相连通。

沥青烟收集部分由玻璃纤维滤筒套7、玻璃纤维滤筒套接头8、玻璃纤维滤筒及相关气路连接装置构成；玻璃纤维滤筒装于玻璃纤维滤筒套7，玻璃纤维滤筒套7两端与不锈钢管变径接头9连接，不锈钢管变径接头9一端与沥青烟发生部分出口连接，另一端与尾气吸收瓶6连接；尾气处理部分由尾气吸收瓶6及相关气路构成。在工作时，该装置需通入惰性气体作为载气，将产生的沥青烟导入后续吸收装置。其中，管式加热炉加热温度范围可根据需要设定在150-250℃之间。

管式反应器4，如附图2所示，由不锈钢管及与之连接的不锈钢变径接头9构成；不锈钢变径接头9内有耐高温衬垫以保持系统密闭性；不锈钢管内径在10～60毫米之间，长度在5～20厘米之间；不锈钢管变径接头9长度在5～20厘米之间；本发明采用内径30毫米、长度10厘米的不锈钢管，变径接头长度10厘米，耐高温衬垫采用聚四氟乙烯衬垫。

装沥青样品的容器利于传热，耐高温，外径与上述不锈钢管内径匹配，为10～60毫米之间，本发明采用半圆柱状石英舟，外径<30毫米。

K型热电偶测温部分伸至管式反应器4内，石英舟的前方。

沥青烟收集部分，见附图2所示，由玻璃纤维滤筒、与玻璃纤维滤筒匹配的不锈钢管、不锈钢变径接头构成。玻璃纤维滤筒为1^#、2^#、3^#标准玻璃纤维滤筒，本发明采用外径30毫米的2^#玻璃纤维滤筒；玻璃纤维滤筒裝于与之匹配的不锈钢管，不锈钢管两端与不锈钢变径接头9相连，不锈钢变径接头9内有耐高温衬垫以保持系统密闭性；本发明采用内径30毫米的不锈钢管，耐高温衬垫材质为聚四氟乙烯。

尾气吸收瓶内盛有尾气吸收液，尾气吸收液为环己烷或甲苯类、对稠环芳烃有较强溶解性的有机溶剂，本发明采用环己烷作为尾气吸收液。

沥青烟收集装置核心特征在于：沥青烟发生装置及沥青烟收集装置的形状均为管式、可拆卸、长度在5-20厘米之间，凡实验中与沥青烟接触的部件，均可拆卸放于烧杯中，在超声波条件下用环己烷，或苯、甲苯等溶剂进行洗涤。

本发明所做实验中，与沥青烟接触的部件有管式反应器中的不锈钢管及与之相连的后变径接头、玻璃纤维滤筒、玻璃纤维滤筒套及与之相连的前变径接头，共五个部件。这样，可将挥发的沥青烟完全收集至环己烷，或苯、甲苯等溶剂中，无残留和损失，对溶解了沥青烟的环己烷溶液可进行后续气相色谱、液相色谱、气相色谱-质谱联用等分析方式进行组成的定性、定量分析。

具体实施例1

一种沥青烟挥发物含量收集测定方法，该方法的具体实施的工艺步骤为：

管式反应器及玻璃纤维滤筒套预处理。

将管式反应器4、玻璃纤维滤筒套及四个不锈钢变径接头9，放于盛有足量环己烷的烧杯中，要求所有部件浸没在环己烷液体中，在超声波条件下浸泡20-30分钟、干燥、称重，反复操作直至恒重。

测定待测沥青样品水分含量。

将同一沥青样品分为两份，一份根据“中华人民共和国国家标准—焦化产品水分测定方法”(GB/T2288-2008)，测定其中水分百分含量，记为X％。

沥青样品装样。

将石英舟在马弗炉内进行煅烧预处理：500～650℃条件下加热10～20分钟至无黑色残留，冷却至室温，电子天平称量；反复上述操作直至石英舟恒重；质量计为M₁；将沥青样品研磨至一定目数，用石英舟填装沥青样品3-4克左右，电子天平称量，质量记为M₂，优选的沥青样品目数为20-40目。

装置构成关系。

高压氮气源1与气体流量计2相连，气体流量计2和K型热电偶连接到三通接头；管式反应器4一端与不锈钢变径接头9连接，管式反应器4置于管式加热炉3内，同时调整热电偶测温部分位于管式反应器4内石英舟前方，且应尽量靠近石英舟，不锈钢变径接头9与三通接头用短软管相连；装样石英舟放于管式反应器4内，管式反应器4另一端与不锈钢变径接头9相连；玻璃纤维滤筒置于滤筒套内，两端与不锈钢变径接头9相连，其入口与管式反应器4出口用短软管相连，滤筒套部分用铁架台固定，滤筒套出口与尾气吸收瓶6用软管相连，尾气吸收瓶6内装有环己烷；

检查装置气密性。

打开高压氮气瓶，检查装置气密性；若有漏气，重新连接；

加热沥青样品。

打开高压氮气1对装置进行供气，打开温控仪及管式加热炉3，对沥青样品进行加热，以每分钟5～10℃的升温速率加热至80～90℃沥青软化后，继续升温至180℃，恒温一段时间，观察尾气瓶颜色是否有变化；若有变化，则更换玻璃纤维滤筒，减少沥青样品质量，重新实验；本发明优选的恒温时间为40分钟，在180℃条件下。

沥青烟挥发量的测定。

恒温结束后，冷却管式炉至室温，停止氮气通入，取出石英舟，称量含剩余沥青样品的石英舟质量(记为M₃)，则：

上式中：

M₁为石英舟质量(g)；

M₂为石英舟和沥青样品总质量(g)；

M₃为加热后石英舟和沥青样品总质量(g)；

X为根据国标GB/T2288-2008测定的沥青样品水分含量，单位％。

沥青烟收集。

卸下沥青烟收集部分，取出玻璃纤维滤筒，将玻璃纤维滤筒、管式反应器4及其出口不锈钢变径接头9、玻璃纤维滤筒套及其入口不锈钢变径接头9共五个部件，放入1000ml烧杯中，加入约200-300ml环己烷至其完全浸没，将烧杯放入超声波仪器中，利用超声波溶解上述部件所吸附的沥青烟30～60分钟。超声溶解一段时间后，用环己烷洗涤上述五部件，合并环己烷溶液。80℃条件下烘箱中干燥上述五部件，称量；若上述五部件质量大于实验前各自质量，则重复洗涤，直至上述部件质量与原质量相等。将环己烷移液至容量瓶，定容至1000ml，待后续气相色谱仪、高效液相色谱仪或气质联用仪进一步定性、定量分析。

石英舟后处理。

刮除石英舟剩余沥青样品大部分，将石英舟放于马弗炉的试样架上，500～650℃条件下加热、燃烧残余沥青样品直至石英舟衡重。

为使本发明得以完整实施，本发明需要配置以下仪器或设备：电子分析天平、鼓风干燥箱、马弗炉、超声波清洗机。电子分析天平进行本发明中所涉及质量测定，鼓风干燥箱进行上述实施方式中涉及的干燥操作，马弗炉用来燃烧石英舟内残留的沥青，超声波清洗机用来加快环己烷对沥青烟的溶解。

以上所述，仅为本发明的较佳实例；任何在本专利特征范围内进行的非本质的修改或变换，均属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种沥青烟挥发物含量收集测定装置，包括沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分；其特征在于：所述沥青烟挥发物含量收集测定装置是由沥青烟发生部分、沥青烟收集部分和尾气处理部分连通并密封构成；

所述沥青烟发生部分是在管式反应器[4]的外周设置有管式加热炉[3]及其热电偶温控仪TIC，在管式反应器[4]的一端连通有高压氮气源[1]及其气体流量计[2]，另一端连通有沥青烟收集容器[5]；

所述沥青烟收集容器是由玻璃纤维滤筒套[7]及其两端头设置的玻璃纤维滤筒套接头[8]构成，并在两个玻璃纤维滤筒套接头[8]的两端头连通有不锈钢管变径接头[9]，不锈钢管变径接头[9]的一端与管式反应器[4]出口连通，另一端与尾气吸收瓶[6]连通；

所述尾气处理部分是由尾气吸收瓶[6]构成。

2.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：

所述高压氮气源[1]的氮气是沥青烟导入管式反应器[4]的载气。

3.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：

所述管式加热炉[3]的加热温度是150-250℃之间。

4.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：

所述管式反应器[4]是由不锈钢管制成，其内径是10～60毫米，长度是5～20厘米。

5.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：所述不锈钢变径接头[9]内设置有耐高温衬垫。

6.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：所述沥青烟收集容器[5]的长度是10～60毫米。

7.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：所述热电偶温控仪TIC是K型热电偶，并设置于管式反应器[4]内沥青样品容器[5]的前端。

8.根据权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置，其特征在于：所述尾气吸收瓶[6]内盛有环己烷或甲苯类的尾气吸收液。

9.一种用于权利要求1所述的沥青烟挥发物含量收集测定装置的沥青烟挥发物含量收集测定方法，其特征在于：所述方法是将同一沥青样品分为两份，一份沥青样品测定其中的水分百分含量，记为X％；另一份沥青样品装于已预处理的石英舟，石英舟的净质量为M₁，总重量为M₂，然后将石英舟置于管式反应器[4]内进行脱挥发物实验，实验后称量含剩余沥青样品及石英舟质量为M₃，则：