CN107202815A - 一种连续流动式高温高压实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续流动式高温高压实验装置，包括缓冲釜、三循环高压相平衡釜、分离釜、溶剂储罐、第一无泄漏泵、第二无泄漏泵、第三无泄漏泵、第四无泄漏泵、抽真空装置、第一六通换向阀、第二六通换向阀和在线分析系统。本发明提供的连续流动式高温高压实验装置适用于多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等多种实验数据的测定，能够获得真正代表状态的相平衡样品，平衡时间短，平衡组成、平衡温度和平衡压力测定准确，实验操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及热力学相平衡、反应工程、化工传质与化工分离领域，具体涉及一种连续流动式高温高压实验装置。
背景技术
相平衡关系是精馏、吸收等化工单元操作的基础数据，也是物性估算、模拟计算、计算机辅助设计、化工工艺优化和设备改进的依据，对化工理论研究及实际应用都具有十分重要的意义。目前，相平衡数据主要是通过实验测定和理论计算两种方法获得，但由于缺乏相应的物性参数，很多物质的相平衡数据很难由理论计算直接得到，因此，实验测定法仍然是获得相平衡数据最有效、最可靠的手段。
国际上较为典型的相平衡测定方法有蒸馏法、流动法、静态法、循环法以及泡露点法等。蒸馏法所采用的实验装置简单，操作方便，但测定时需要耗费大量液体，且在操作过程中容易产生蒸汽冷凝和沸腾液体过热的现象，导致误差较大；流动法虽在取样过程中不会破坏平衡釜内平衡，但仅限于测定达到平衡时间较短的体系，适用范围较窄；静态法所采用的实验设备简单，但在取样过程中会在一定程度上破坏平衡釜内已达到的平衡状态，且试剂消耗量大，平衡时间较长；泡露点法可用于多组分的相平衡数据测定，无需分析组成，但精度较低，平衡时间长；循环法尤其是采用汽-液双循环的相平衡釜，不但有利于减少平衡时间，还可获得能够准确代表真正达到平衡状态时样品。
CN 200910193714.8和CN 200910193713.3是以Dvorak-Boublik釜为基础，从Dvorak-Boublik釜的沸腾釜上部和下部分别引出支管与搅拌室相连形成液相内循环回路，与原设备的液相回流和气相冷凝液循环一并形成三个内循环回路，平衡时间短；但由于汽相循环是依靠自身相变来实现，液相回流液需冷却，因此，装置仅适用于相对挥发度较小的体系相平衡数据测定，且无法获得准确能够准确代表真正达到平衡状态时的两相样品，测定结果不能真实反映出平衡状况。
CN 201120229585.6是以两个内循环回路的汽液平衡釜为基础，包括汽相提升管、汽液分离器、蒸馏釜和温控柜，保温效果较好，温度控制也准确，适用于相对挥发度较小体系的相平衡数据测定，且无法获得准确代表真正达到平衡状态时的两相样品。
CN 201310109090.3是以具有恒定体积的不锈钢可视平衡釜为基础，对进料系统和采样系统进行进一步优化和改进，数据采集简便，但仅适用于液-液两相平衡数据测定，且无法快速达到混合体系的相平衡。
不同于上述内部动力进行循环的汽、液两相双循环法，本发明提供的高温高压实验装置是利用外部动力进行循环的汽、液两相三循环法，操作弹性比较大，适用物系的范围更广，并能对汽、液两相实时在线分析；相平衡釜、无泄漏泵和六通换向阀的串联使用，可以保证采样过程不影响流动体系的相平衡，获得真正代表状态的相平衡样品；载气釜和分离釜的引入，使得本发明提供的连续流动式高温高压实验装置可获得多种实验数据，如多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等的测定。
发明内容
本发明的目的是针对现有相平衡测定手段的不足和缺陷，提供一种连续流动式高温高压实验装置，以期缩短平衡时间，获得准确代表真正达到平衡状态时的体系样品，适用范围更广的体系相平衡测定。同时，本发明提供的连续流动式高温高压实验装置还可适用于超临界流体萃取和高温高压化学反应等多种实验数据的测定。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种连续流动式高温高压实验装置，包括缓冲釜、三循环高压相平衡釜、分离釜、溶剂储罐、第一无泄漏泵、第二无泄漏泵、第三无泄漏泵、第四无泄漏泵、抽真空装置、第一六通换向阀、第二六通换向阀和在线分析系统；
所述缓冲釜为316不锈钢高压罐体，内部设有磁力搅拌系统，外部配备独立控温系统，通过调整缓冲釜温度，控制釜内流体压力；
所述三循环高压相平衡釜分别与缓冲釜出口、溶剂储罐出口、分离釜进口及抽真空装置进口相连，连接管路设有控制阀门，釜盖为活动连接，釜体配有进液漏斗和蓝宝石视窗，釜底配有排液漏斗，釜内置有磁力转子，釜体两侧设有三个独立的外循环回路，驱动所述第一无泄漏泵、第二无泄漏泵、第三无泄漏泵，可加快釜内物流循环混合，缩短平衡时间；
所述第一无泄漏泵、第二无泄漏泵、第三无泄漏泵、第四无泄漏泵为单向泵，通过外设磁场控制泵体内活塞运动，带动釜体三个外循环管路，分别对混合体系的不同相态进行强制循环；无泄漏泵体为一根无磁性不锈钢管套，钢管外部设环状永久磁性装置，泵体内置磁性不锈钢活塞，中间有孔，内设单向阀，保证活塞在磁力驱动作上下往复运动时，泵内流体只能单向朝上运动，而不能向下反流；处于平衡釜上部的汽相流体在无泄漏泵的驱动下，从釜顶汽相出口引出，经第一六通换向阀、第一无泄漏泵后，从釜底汽相入口进入液相层鼓泡上升；处于平衡釜底部的液相流体从釜底液相出口抽出，经第二无泄漏泵、第二六通换向阀后，从釜顶液相入口返回至平衡釜；处于平衡釜中部液相流体由从控制阀V4流出，在第三无泄漏泵的作用下，经控制阀V5返回至平衡釜；
所述第一六通换向阀、第二六通换向阀，由隔板分成两腔，共有三对相通的接口，分别串联在无泄漏泵出口与平衡釜之间，载气进口与气相色谱仪进口之间，定量取样管之间，通过手柄带动阀杆与凸轮旋转，实现不停车换向，保证采样过程不影响流动体系的相平衡；
所述分离釜为316不锈钢高温高压罐体，外置控温夹套，经阀门V7、无泄漏泵、高压相平衡釜、阀门V6串联成循环回路；原高压相平衡釜可作为萃取釜，通过调整分离釜温度，可以改变釜内流体密度，进而析出溶质，完成亚超临界流体萃取操作。
所述在线分析系统由气相色谱和计算机组成，可实时监控缓冲釜、相平衡釜以及分离釜的温度、压力变化；所述气相色谱与第一六通换向阀、第二六通换向阀及载气相连，载气管路上装有流量调节阀V8、调节阀V9，第一转子流量计、第二转子流量计及净化器。
在实验装置中所采用的各种釜、罐、阀、泵、管路及各种转接口均设有独立的夹套式控温系统。
所述缓冲釜最高耐受温度达523K，最高耐受压力为100MPa；相平衡釜最高耐受温度达523K，最高耐受压力为50MPa；分离釜最高耐受温度达523K，最高耐受压力为100MPa。
所述缓冲釜、相平衡釜及分离釜内部均置有温度和压力接收探头，可实时在线监控。
所述高温高压实验装置适用于多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等多种实验数据的测定。
本发明的连续流动式高温高压实验装置，主要包括缓冲釜、溶剂储罐、三循环高压相平衡釜、无泄漏泵、六通换向阀、抽真空装置、分离釜及在线分析系统，其中高压相平衡釜盖为活动连接，釜体配有进液漏斗和蓝宝石视窗，釜底设有排液漏斗，釜内置有磁力转子，釜体两侧带有三个外循环回路，可加快釜内物流循环混合，缩短平衡时间；无泄漏泵为单向泵，通过外设磁场控制泵体内活塞运动，带动外循环管路，分别对混合体系的不同相态进行强制循环；六通转向阀共有三对相通的接口，分别串联在无泄漏泵出口与平衡釜之间，载气进口与气相色谱仪进口之间，定量取样管之间，通过不停车换向，确保采样过程不影响流动体系的相平衡。
本发明提供的连续流动式高温高压实验装置适用于多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等多种实验数据的测定，能够获得真正代表状态的相平衡样品，平衡时间短，平衡组成、平衡温度和平衡压力测定准确，实验操作简便。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)相平衡釜(3)采用不锈钢316作为釜体，蓝宝石作为视窗材质，整个装置最高耐受温度达523K，最高耐受压力为50MPa，保证可以在较大温度、压力范围内获得稳定的相平衡状态。
(2)采用蓝宝石视窗使整个装置可视化，使整个测定过程准确可靠，同时可实现相平衡变化过程的实时拍摄。
(3)利用外部动力进行循环的汽、液两相三循环法，操作弹性比较大，适用物系的范围更广，并能对汽、液两相实时在线分析。
(4)相平衡釜、无泄漏泵和六通换向阀的串联使用，可以保证采用过程不影响流动体系的相平衡，能够获得真正代表状态的相平衡样品。
(5)色谱在线检测系统方便数据的采集，保证数据的可靠性。
(6)缓冲釜和分离釜的引入，使得本发明提供的连续流动式高温高压实验装置适用于多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等多种实验数据的测定。
附图说明
图1：连续流动式高温高压实验装置的结构示意图。
图2：连续流动式无泄漏泵结构示意图。
图3：六通阀接口连接示意图。
图4：相平衡数据测定的结构示意图。
图5：亚超临界萃取结构示意图。
图6：实施例1相平衡数据测定结果图。
图7：实施例2相平衡数据测定结果图。
图8：实施例3亚超临界萃取实验测定结果图。
图中：1-气瓶，2-缓冲釜，3-三循环高压相平衡釜，4-分离釜，5-溶剂储罐，6-第一无泄漏泵，7-第二无泄漏泵，8-第三无泄漏泵，9-第四无泄漏泵，10-抽真空装置，11-第一六通换向阀，12第二六通换向阀，13-为釜顶汽相出口，14-釜底汽相入口，15-釜底液相出口，16-釜顶液相入口，17-在线分析系统，18-载气瓶，19-净化器，20-第一转子流量计，21-第二转子流量计，22-无磁性不锈钢管套，23-环状永久磁铁，24-人造红宝石小球，25-磁性不锈钢活塞。
其他：a-载气进口，b-载气出口，c和f之间由定量管连接，d-样品出口，e-样品进口；V1-V9控制阀；P0-第一压力传感器；P1-第二压力传感器；P2-第二压力传感器；P3-第三压力传感器；P4-第四压力传感器；T1-第一温度传感器；T2-第二温度传感器；T3-第三温度传感器；EV1-安全阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种连续流动式相平衡数据测定装置，包括缓冲2，三循环高压相平衡釜3，分离釜4，溶剂储罐5，第一无泄漏泵6、第二无泄漏泵7、第三无泄漏泵8、第四无泄漏泵9，抽真空装置10，第一六通换向阀11、第二六通换向阀12，在线分析系统17。
缓冲釜2为316不锈钢高压罐体，内设搅拌系统，第一控制阀V1连接气瓶，第二控制阀V2连接载气釜2进口和进液漏斗，载气釜底连接排液阀，操作压力范围为0～100MPa，操作温度范围为233K～523K，通过调整缓冲釜2温度，可以提升釜内流体压力。
三循环高压相平衡釜3分别与缓冲釜2出口、溶剂储罐5出口、分离釜4进口及抽真空装置10进口相连，连接管路均设有控制阀门，釜盖为活动连接，釜体配有进液漏斗和蓝宝石视窗，釜底配有排液漏斗，釜内置有磁力转子，釜体两侧设有三个独立的循环回路，可加快釜内物流循环混合，缩短平衡时间。
相平衡釜3采用不锈钢316作为釜体及管路材料，蓝宝石作为视窗材料，装置最高耐受温度达523K，最高耐受压力为50MPa。相平衡釜3中的内部空间呈圆筒形，由平衡釜体和视窗围绕形成，有效容积40ml。蓝宝石视窗使整个装置可视化，在整个体系达到均相前，通过观察相界面、釜体内温度和压力，调节循环流速，可以获得准确可信的平衡数据，同时实现相平衡变化过程的实时拍摄。
所述第一无泄漏泵6、第二无泄漏泵7、第三无泄漏泵8、第四无泄漏泵9为单向泵，泵体为一根无磁性不锈钢管套22，钢管外部设环状永久磁性装置23，泵体内置磁性不锈钢活塞25，中间有孔，内设单向阀，保证活塞在磁力驱动作上下往复运动时，泵内流体只能单向朝上运动，而不能向下反流；无泄漏泵压头为1.2米水柱，最大流量为4ml/min以水计；特别注意的是，本发明提供的无泄漏泵可在低压如0.5MPa操作时，仍能驱动流体正常循环。无泄漏泵壳不但能够精确控制不同相态物系的循环流速，还可控制取样流速，防止流速过快对体系造成不利影响。
第一六通换向阀11、第二六通换向阀12，由隔板分成两腔，共有3对相通的接口，分别串联在无泄漏泵出口与平衡釜之间，载气进口与气相色谱仪进口之间，定量取样管之间，通过手柄带动阀杆与凸轮旋转，实现不停车换向，保证采样过程不影响流动体系的相平衡。
分离釜4为316不锈钢高温高压罐体，最高耐受温度达523K，最高耐受压力为100MPa外置控温夹套，经阀门V7、无泄漏泵9、高压相平衡釜3、阀门V6串联成循环回路；原高压相平衡釜3可作为萃取釜，通过调整分离釜4温度，可以改变分离釜4内的流体密度，进而析出溶质，完成亚超临界流体萃取操作。
在线分析系统17由气相色谱和计算机组成，可以实时监控缓冲釜2、相平衡釜3以及分离釜的温度、压力变化。气相色谱与第一六通换向阀11、第二六通换向阀12及载气18相连，载气18管路上装有第一六通换向阀11、第二六通换向阀12，第一转子流量计20、第二转子流量计21及净化器19。
实施例1：
相平衡数据测定：
1、开启高低温循环槽，设定平衡釜3操作所需温度；开启真空泵，将缓冲釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至极限压力，利用真空度吸入20ml丁酸乙酯。
2、将一定量的CO2气体从气瓶1中引出，依次经阀门V1、阀门V2进入缓冲釜2中，降温至-20℃，后升温至30℃，载气釜2中流体迅速升压至40MPa，高压流体经单向阀V3送入相平衡釜3，与丁酸乙酯混合。
3、开启无泄漏泵6和7，循环流速为0.5ml/min～3ml/min，分别对汽液两相进行强制循环。
4、待平衡釜3内的压力、温度长时间稳定不变时，透过蓝宝石视窗观察相界面，当相界面清晰稳定，分别旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12至第一无泄漏泵6、第二无泄漏泵7、第三无泄漏泵8与平衡釜3之间的通道，取出汽、液两相平衡样品；继续旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12串联定量取样管与循环管路之间的通道，所取样品进入定量取样管中；再次旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12，定量管中样品由载气18带入气相色谱17进行分析。
5、重复步骤2至4，直至体系达到均相，停止实验。
实施例2：
相平衡数据测定：
1、开启高低温循环槽，设定平衡釜3操作所需温度；开启真空泵，将缓冲釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至极限压力，利用真空度吸入25ml醋酸异丁酯。
2、将一定量的CO2气体从气瓶1中引出，依次经阀门V1、阀门V2进入缓冲釜2中，降温至-20℃，后升温至70℃，载气釜2中流体迅速升压70MPa，高压流体经单向阀V3送入相平衡釜3，与丁酸乙酯混合。
3、开启无泄漏泵6和7，循环流速为1ml/min～3.5ml/min，分别对汽液两相进行强制循环。
4、待平衡釜3内的压力、温度长时间稳定不变时，透过蓝宝石视窗观察相界面，当相界面清晰稳定，分别旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12至第一无泄漏泵6、第二无泄漏泵7、第三无泄漏泵8与平衡釜3之间的通道，取出平衡样品；继续旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12串联定量取样管与循环管路之间的通道，所取样品进入定量取样管中；再次旋转第一六通换向阀11、第二六通换向阀12，定量管中样品由载气18带入气相色谱17进行分析。
5、重复步骤2至4，直至体系达到均相，停止实验。
实施例3：
亚超临界萃取实验：
1、开启高低温循环槽，设定平衡釜3操作所需温度；开启真空泵，将缓冲釜2、平衡釜3及各管路均抽真空至极限压力，利用真空度吸入30ml机油。
2、将一定量的CO2气体从气瓶1中引出，依次经阀门V1、阀门V2进入缓冲釜2中，降温至-30℃，后升温至80℃，载气釜2中流体迅速升压95MPa，高压流体经单向阀V3送入相平衡釜3，与机油混合。
3、开启无泄漏泵9，循环流速为1ml/min～3.5ml/min，对混合体系进行强制循环，每次间歇萃取时间为2h。
4、萃取完毕后，萃取所得物料由平衡釜3底部阀门排出后，经第六控制阀V6和第七控制阀V7，进入分离釜4，通过调整分离釜4温度，改变釜内超临界流体密度，提取出机油。
5、用石油醚对分离釜4内残留机油进行清洗，并进行吹扫；合并所得物料，脱除石油醚以后，用分析天平称得萃取的机油质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种连续流动式高温高压实验装置，其特征在于：包括缓冲釜(2)、三循环高压相平衡釜(3)、分离釜(4)、溶剂储罐(5)、第一无泄漏泵(6)、第二无泄漏泵(7)、第三无泄漏泵(8)、第四无泄漏泵(9)、抽真空装置(10)、第一六通换向阀(11)、第二六通换向阀(12)和在线分析系统(17)；
所述缓冲釜(2)为316不锈钢高压罐体，内部设有磁力搅拌系统，外部配备独立控温系统，通过调整缓冲釜(2)温度，控制釜内流体压力；
所述三循环高压相平衡釜(3)分别与缓冲釜(2)出口、溶剂储罐(5)出口、分离釜(4)进口及抽真空装置(10)进口相连，连接管路设有控制阀门，釜盖为活动连接，釜体配有进液漏斗和蓝宝石视窗，釜底配有排液漏斗，釜内置有磁力转子，釜体两侧设有三个独立的外循环回路，驱动所述第一无泄漏泵(6)、第二无泄漏泵(7)、第三无泄漏泵(8)，可加快釜内物流循环混合，缩短平衡时间；
所述第一无泄漏泵(6)、第二无泄漏泵(7)、第三无泄漏泵(8)、第四无泄漏泵(9)为单向泵，通过外设磁场控制泵体内活塞运动，带动釜体三个外循环管路，分别对混合体系的不同相态进行强制循环；无泄漏泵体为一根无磁性不锈钢管套(22)，钢管外部设环状永久磁性装置(23)，泵体内置磁性不锈钢活塞(25)，中间有孔，内设单向阀，保证活塞在磁力驱动作上下往复运动时，泵内流体只能单向朝上运动，而不能向下反流；无泄漏泵压头为1.2米水柱，最大流量为4ml/min以水计；处于平衡釜(3)上部的汽相流体在无泄漏泵(6)的驱动下，从釜顶汽相出口(13)引出，经第一六通换向阀(11)、第一无泄漏泵(6)后，从釜底汽相入口(14)进入液相层鼓泡上升；处于平衡釜(3)底部的液相流体从釜底液相出口(15)抽出，经第二无泄漏泵(7)、第二六通换向阀(12)后，从釜顶液相入口(16)返回至平衡釜(3)；处于平衡釜(3)中部液相流体由从控制阀V4流出，在第三无泄漏泵(8)的作用下，经控制阀V5返回至平衡釜(3)；
所述第一六通换向阀(11)、第二六通换向阀(12)，由隔板分成两腔，共有三对相通的接口，分别串联在无泄漏泵出口与平衡釜之间，载气进口与气相色谱仪进口之间，定量取样管之间，通过手柄带动阀杆与凸轮旋转，实现不停车换向，保证采样过程不影响流动体系的相平衡；
所述分离釜(4)为316不锈钢高温高压罐体，外置控温夹套，经阀门V7、无泄漏泵(9)、高压相平衡釜(3)、阀门V6串联成循环回路；原高压相平衡釜(3)可作为萃取釜，通过调整分离釜(4)温度，可以改变釜(4)内流体密度，进而析出溶质，完成亚超临界流体萃取操作。
所述在线分析系统(17)由气相色谱和计算机组成，可实时监控缓冲釜(2)、相平衡釜(3)以及分离釜(4)的温度、压力变化；所述气相色谱与第一六通换向阀(11)、第二六通换向阀(12)及载气(18)相连，载气(18)管路上装有流量调节阀V8、调节阀V9，第一转子流量计(20)、第二转子流量计(21)及净化器(19)。
2.根据权利要求1所述的连续流动式高温高压实验装置，其特征在于：在实验装置中所采用的各种釜、罐、阀、泵、管路及各种转接口均设有独立的夹套式控温系统。
3.根据权利要求1所述的连续流动式高温高压实验装置，其特征在于：所述缓冲釜(2)最高耐受温度达523K，最高耐受压力为100MPa；相平衡釜(3)最高耐受温度达523K，最高耐受压力为50MPa；分离釜(4)最高耐受温度达523K，最高耐受压力为100MPa。
4.根据权利要求1所述的连续流动式高温高压实验装置，其特征在于：其特征在于：所述缓冲釜(2)、相平衡釜(3)及分离釜(4)内部均置有温度和压力接收探头，可实时在线监控。
5.根据权利要求1至4任一项所述的连续流动式高温高压实验装置，其特征在于：所述高温高压实验装置适用于多元体系相平衡、超临界流体萃取及高温高压化学反应等多种实验数据的测定。
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