CN108918207A - 一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置 - Google Patents

一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置 Download PDF

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张小沁
商照聪
薛晓康
蒋凯
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Abstract

本发明涉及一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，包括采样组件、制冷组件和文丘里管，制冷组件包括冷却器，冷却器为内部设有双螺旋管的对流双螺旋冷却器，双螺旋管包括相互盘绕且上下设置的样品螺旋管和低温气体螺旋管，样品螺旋管的上端与采样连接管连接，样品螺旋管的下端通入收纳容器，低温气体螺旋管的下端与低温气体供给单元连接，其上端通入冷却器内腔中。与现有技术相比，本装置构造简单、成本低廉、轻便高效、移动性好，可长期存放并在无外界冷源、无电源条件下长时间保存样品，使用时可在无外界动力条件下迅速启动。与现有技术相比，本发明具有节能环保、安全可靠、适用性强、效率高等优点。

Description

一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置
技术领域
本发明涉及一种采样装置，具体涉及一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置。
背景技术
随着化学工业的发展，化学品极大地提高了人类的生产水平和生活质量。同时，也给人类带来了风险和危害，各类化工事故在化学品生产、经营、储运、使用和处置环节均时有发生。其中，易挥发(易燃易爆)危险品在生产、使用、储运环节极易引发爆炸事故，所以针对易挥发(易燃易爆)危险品的检测技术要求也越来越高。
在危化品泄漏事故的处理过程中，采集空气中危化品的挥发物并进行检测是必不可少的手段之一。通常的采样方式是抽取空气使其通过冷冻部件(即所谓冷阱)或吸附剂，将其中的挥发物分离出来。抽气使用机械泵，如隔膜泵、蠕动泵、离心泵、旋转泵等都需要电力或电池驱动。有可能产生电火花，在挥发物易燃的情况下发生闪爆，具有结构繁琐、操作复杂、难以应急之用等缺陷。
另外，现在样品采样已不局限于等待来样的到来，对于紧急、特殊情况下常常需要在事故现场进行勘查取样，这样情况下要求使用简单、便捷、高效、紧凑、安全的采样装置。同时还要求采样装置适用于采集样品的保存和运输。在样品长期存放备用的周期内，电池需要定期充电或更换致冷装置，对此有压缩机致冷(即热泵制冷)、半导体致冷、液化气体致冷等方法，前两者都需要供电，而液化气体致冷是比较合适的方式。
中国专利CN107991147A公开了一种新型便携式真空箱气体采样装置，包括：采样枪、真空箱和电气控制箱；采样枪用于采集样气；采样枪包括两个端部，其中一端为采集端，另一端为传输端；真空箱内设有采样气袋，采样气袋用于收集气体；电气控制箱内设有采样泵，采样泵用于为气体采样装置提供动力；采样枪的传输端通过传输线与真空箱连接；在传输线上设有多通道单向阀，多通道单向阀具有多个阀门，其中一个阀门与注射器连接，另一个阀门与采样气袋连接；真空箱还通过气路与电气控制箱内的采样泵连接，该装置比较多的采用了电气设备，装置比价复杂，不便于使用。
中国专利CN201569593U公开了一种气冷式应急采样装置，该装置包括采样连接管、CO2蒸发/冷凝管、采样阀、真空表、冷凝套管、旋流板、气相压力表、温度表、文丘里管、绝热收集瓶、CO2贮罐、贮罐连接管、节流阀及液相压力表，采样连接管上设有采样阀及真空表，并与CO2蒸发/冷凝管连接，CO2蒸发/冷凝管设在冷凝套管内，冷凝套管内设有旋流板，气相压力表设在冷凝套管上部，温度表设在冷凝套管中部，文丘里管设在冷凝套管中下部，绝热收集瓶连接在冷凝套管的下部，CO2贮罐通过贮罐连接管与冷凝套管连接，贮罐连接管上设有节流阀及液相压力表。本实用新型构造简单、成本较低、安全性好、移动性好，并且可长期存放，使用时启动迅。
根据实际应用效果来看，专利CN201569593U所公开的气冷式应急采样装置存在以下不足：(1)二氧化碳液态压缩气体钢瓶作为冷源，使用量较大，需要多次更换钢瓶，使用不便捷；(2)文丘里管的抽气管在喷嘴气流减弱时发生回流现象；(3)完成一次采集后，无法快速更换新的采样顶空瓶；(4)二氧化碳冷凝套管出口处局部产生干冰固体，会堵塞气路；(5)采集的样品无法直接用于气相色谱、气质联用分析仪，样品容易受到二次污染。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，可降低低温气体的使用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，包括采样组件、制冷组件和文丘里管，所述采样组件包括采样连接管和收纳容器，所述制冷组件包括设有密封空腔的冷却器和通入冷却器的低温气体供给单元，所述文丘里管的入口与所述冷却器内部腔体连通，文丘里管的出口通入外界，文丘里管的喉部通过管路与所述收纳容器连通，所述冷却器为内部设有双螺旋管的对流双螺旋冷却器，所述双螺旋管包括相互盘绕且上下设置的样品螺旋管和低温气体螺旋管，所述样品螺旋管的上端与采样连接管连接，所述样品螺旋管的下端通入收纳容器，所述低温气体螺旋管的下端与低温气体供给单元连接，其上端通入冷却器内腔中，低温冷却气体沿低温气体螺旋管旋流逆向上行，采集的危化品气体沿样品螺旋管旋流下行进行冷凝，被收集至收纳容器中。
本发明装置以压缩液化气体作为动力源，并采用逆流冷却方式，液态气体汽化时产生的低温用以对样品进行致冷，文丘里管的喉部通过管路与所述收纳容器连通，文丘里管的入口将汽化的气体排出外部空间，该过程中，收纳容器产生负压抽取样品气体，样品气体被冷凝为液态存储在顶空瓶收纳容器内，以逆流方式进行冷却，相互盘绕且上下设置的样品螺旋管和低温气体螺旋管进行了充分的换热，减少气体的使用量，冷却效果更好，冷却气体流量稳定可控。
进一步地，所述低温气体供给单元包括气体存储钢瓶和连接于气体存储钢瓶上的钢瓶连接管，所述气体存储钢瓶采用倒置式设置，内部存储液态二氧化碳。
进一步地，所述气体存储钢瓶和钢瓶连接管之间通过快装接头连接，所述钢瓶连接管上设有毛细管节流阀，所述钢瓶连接管的末端进口处设有避免堵塞气路的喇叭口汽化罩，通过偏转气体喷口形成旋流避免产生的干冰固体堵塞气路。
本发明中，可采用液化二氧化碳作为动力源，液化二氧化碳制冷技术作为一种冷源，具有环境友好、经济性高、化学稳定性高、安全无毒、不可燃、热力学稳定、来源丰富、价格低廉、方便易得等特点。采用倒置式二氧化碳液态压缩气体钢瓶出口处安装快装接头，用以迅速调换放空钢瓶，并在二氧化碳进入冷却器前增加毛细管节流阀和喇叭口汽化罩。
进一步地，所述对流双螺旋冷却器为金属压力容器，所述对流双螺旋冷却器上设有用于监测其内部温度和压力的温度表和真空表。
进一步地，所述采样连接管上分别设置真空表和采样阀。
进一步地，所述收纳容器为可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器。
进一步地，所述文丘里管的喉部与所述收纳容器连通的管路上设有单向阀，避免在喷嘴气流减弱时造成的气体回流。
本发明装置中，文丘里管是非常重要的部件，起到了抽真空、抽气和推动装置运行的作用，实现了整个装置的无外界动力的自动运行。文丘里管使具有一定压力、流速的水流或气流进入喷射器的集水室，流经孔板上的多个拉瓦尔喷嘴喷射，形成高速射流使喷射器的混合室产生真空，被抽介质在真空作用下进入喷射器混合室，在混合室中与高速水流充分混合后排出，达到抽气目的。文丘里管具有便于安装、易于维护、高效便捷、在线温度和压力一体化自修正等优点。
本发明利用压缩液化气体同时作为冷源和抽气动力源将易挥发(易燃易爆)气体采集成液体，并装入可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器中，以备直接用于顶空-气相色谱、气质联用仪的进样分析。可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器可用于国内外各种气相色谱仪、气质联用仪，其将液体组分直接导入气相色谱仪进行分离和检测，使用顶空技术可以免除冗长烦琐的样品前处理过程，避免有机溶剂带入的杂质对分析造成干扰，减少对色谱柱及进样口的污染，可专用于分析易挥发的微量成分，适用于事故现场的快速采样分析及调查，整个对流双螺旋冷却器为同心圆结构，以此增大冷却管的长径比，具有结构优化和紧凑的特点，并以逆流的方式进行冷却，冷却效果更好，且冷却气体流量更稳定可控。
具体优点为：
1、构造简单紧凑，成本较底，经济性好，环境性能优良；
2、不用电源，无电火花，安全性好，适用于易燃易爆炸的极端环境；
3、移动性好，便于携带与车载，可直接用于事故现场勘查及采样；
4、用液态压缩气体(如CO2)作为冷源，制冷迅速，制冷效果显著，设置了快装接头，用以迅速调换放空钢瓶；
5、在二氧化碳进入冷却器前增加毛细管节流阀和喇叭口汽化罩，以逆流的方式进行冷却，冷却效果更好，且冷却气体流量更稳定可控；
6、用喷射文丘里管抽气，省去抽气泵，不易污染，并在文丘里管的抽气管进入处增加了单向阀，避免在喷嘴气流减弱时造成气体的回流；
7、采用可分离式的可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器直接收集冷却液体，直接用于气相色谱、气质联用分析仪，可随时取出顶空瓶进行快速分析，确保样品不受污染且具有绝热恒温的特点，易于后续样品分析；
8、整个对流双螺旋冷却器为同心圆结构，以此增大冷却管的长径比，具有结构优化和紧凑的特点；
9、在无外界冷源条件下长期低温保存样品，不需特别维护，使用时在无外界动力条件下能启动迅速。
附图说明
图1为本发明一个实施例装置的结构示意图；
图2为本发明一个实施例装置中带缓冲腔体的对流双螺旋冷却器的结构示意图；
图中：1-采样连接管、2-采样阀、3-真空表、4-双螺旋管、5-温度表、6-对流双螺旋冷却器、7-密封空腔、8-文丘里管、9-单向阀、10-收纳容器、11-绝热层、12-喇叭口汽化罩、13-毛细管节流阀、14-钢瓶连接管、15-快装接头、16-气体存储钢瓶、17-样品螺旋管、18-绝热层、19-低温气体螺旋管、20-进气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种带缓冲腔体的对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其结构示意图如图1、2所示，由采样组件及制冷组件构成，采样连接管1上设有采样阀2及真空表3，采样阀2用于采集气体，制冷组件采用双螺旋管4来冷却气体样品及蒸发CO2气体，设在对流双螺旋冷却器6内，双螺旋管4包括相互盘绕且上下设置的样品螺旋管17和低温气体螺旋管19，样品螺旋管17的上端与采样连接管1连接，样品螺旋管17的下端通入收纳容器10，低温气体螺旋管19的下端与低温气体供给单元连接，对流双螺旋冷却器6外部设有绝热层18，低温气体螺旋管19设有进气孔20，其上端通入冷却器内腔中，低温冷却气体沿低温气体螺旋管19旋流逆向上行，采集的危化品气体沿样品螺旋管17旋流下行进行冷凝，被收集至收纳容器10中。
该对流双螺旋冷却器6为金属压力容器，内置冷却气体旋流逆向上行的螺旋管及采样气体旋流下行的螺旋管，带有螺旋形空腔，使流动旋转均匀，温度表5设置在对流双螺旋冷却器6的顶部，用于观察对流双螺旋冷却器6内的温度。
文丘里管8根据制冷要求而专门设计制造的CO2喷射文丘里管，设置在对流双螺旋冷却器6的上部，用于产生真空和样品采集，可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器10是一种气液两相的收集冷却液体样品的专用小型容器，连接在对流双螺旋冷却器6的下部，能直接与气相色谱、气质联用仪连接用于样品分析测试。
气体存储钢瓶16是一种金属压力容器，倒置放置并储存液体CO2，通过钢瓶连接管14与对流双螺旋冷却器6连接，气体存储钢瓶16设有快装接头15、毛细管节流阀13和喇叭口汽化罩12，用来控制、调节和稳定液态CO2的流量，以逆流的方式进行冷却，冷却效果更好，且冷却气体流量更稳定可控。
使用本装置时，可采用以下步骤：
(1)打开小型CO2钢瓶的快装接头15、毛细管节流阀13，利用文丘里管8抽气改变气压，液态CO2从小型CO2钢瓶中流出经过毛细管节流阀13通过钢瓶连接管14进入对流双螺旋冷却器6中汽化，产生制冷效应；
(2)打开采样阀2，此时由于外压大于内压，样品受气压影响进入双螺旋管4中，观察真空表3，监视采样连接管1内真空度；
(3)逆流的CO2气化制冷作用使气态样品快速冷却成液态样品，此时观察温度表5，注意气体压力和对流双螺旋冷却器6内温度的变化；
(4)利用喇叭口汽化罩12偏转二氧化碳喷口形成旋流，双螺旋管包含冷却气体旋流逆向上行的螺旋管及采样气体旋流下行的螺旋管，并带有螺旋形空腔，使流动旋转均匀。
(5)气化CO2经文丘里管8抽气排出，而液态样品则经单向阀9回流至可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器10中；
(6)将冷却的液体直接收集于可快速换装的带绝热层的顶空瓶收纳容器10中，顶空瓶收纳容器上盖与接口部分尺寸一致，旋下上盖，装到采样器接口上，完毕后拆下，旋上顶空瓶收纳容器上盖，再旋上容器盖，用于后续的气相色谱、气质联用仪的分析测试。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，包括采样组件、制冷组件和文丘里管(8)，所述采样组件包括采样连接管(1)和收纳容器(10)，所述制冷组件包括设有密封空腔(7)的冷却器和通入冷却器的低温气体供给单元，所述文丘里管(8)的入口与所述冷却器内部腔体连通，文丘里管(8)的出口通入外界，文丘里管(8)的喉部通过管路与所述收纳容器(10)连通，
其特征在于，所述冷却器为内部设有双螺旋管(4)的对流双螺旋冷却器(6)，所述双螺旋管(4)包括相互盘绕且上下设置的样品螺旋管(17)和低温气体螺旋管(19)，所述样品螺旋管(17)的上端与采样连接管(1)连接，所述样品螺旋管(17)的下端通入收纳容器(10)，所述低温气体螺旋管(19)的下端与低温气体供给单元连接，其上端通入冷却器内腔中，低温冷却气体沿低温气体螺旋管(19)旋流逆向上行，采集的危化品气体沿样品螺旋管(17)旋流下行进行冷凝，被收集至收纳容器(10)中。
2.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述对流双螺旋冷却器(6)为圆筒中空状的金属压力容器，外部设有绝热层(18)。
3.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述对流双螺旋冷却器(6)上设有用于监测其内部温度和压力的温度表(5)和真空表(3)。
4.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述收纳容器(10)为可快速换装的带绝热层(11)的顶空瓶收纳容器，设于所述对流双螺旋冷却器(6)的下部。
5.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述低温气体供给单元包括气体存储钢瓶(16)和连接于气体存储钢瓶(16)上的钢瓶连接管(14)，所述气体存储钢瓶(16)采用倒置式设置，内部存储液态二氧化碳。
6.根据权利要求5所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述气体存储钢瓶(16)和钢瓶连接管(14)之间通过快装接头(15)连接。
7.根据权利要求5所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述钢瓶连接管(14)上设有毛细管节流阀(13)。
8.根据权利要求5所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述钢瓶连接管(14)的末端进口处设有避免堵塞气路的喇叭口汽化罩(12)。
9.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述采样连接管(1)上分别设置真空表(3)和采样阀(2)。
10.根据权利要求1所述的一种带对流双螺旋冷却器的危化品气体挥发物采样装置，其特征在于，所述文丘里管(8)的喉部与所述收纳容器(10)连通的管路上设有单向阀(9)。
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