CN109100269B - 一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学、化工和环境技术领域，公开了一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统和方法。该系统包括液体输送泵、气体质量流量计、套管膜接触室、水浴和背压。该方法包括以下步骤，将液体通过输送泵通入套管膜反应器液体流路中，从气源来的气体通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，在套管膜接触室中气体通过膜溶解到液体中，套管膜接触室浸没在水浴中控制温度，气体流路的压力通过气源的减压阀控制，液体流路的压力通过背压阀控制，系统稳定后读取气体质量流量计的示数，计算得到气体在液体中的溶解度。改变液体流速，得到不同液体流速下的气体流量计示数，通过模型拟合，计算得到气体在液体中的扩散系数。本方法具有装置简单、操作方便、测定迅速等优点。

Description

一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统及方法
技术领域
本发明属于化学、化工与环境技术领域，具体涉及一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统和方法。
背景技术
气液过程广泛存在于化学、化工与环境等过程中，比如吸收等化工操作，加氢、氧化、氯化等化学反应以及臭氧氧化处理废水等环保过程。气体在液体中的溶解参数，包括溶解度和扩散系数，对于这类气液过程的可靠设计与开发具有重要的指导意义。比如在开发高选择性和高效率的吸收法二氧化碳捕集过程中，二氧化碳在不同温度与压力条件下，不同种类和浓度的有机胺溶液中的溶解度和扩散系数，直接决定了二氧化碳捕集过程的效率和能耗。而在加氢、氧化等气液反应中，反应动力学的建立经常需要气体在液体中的溶解度和扩散系数性质。因此，开发一种快速测定气体在液体中的溶解度和扩散系数的方法对于化学、化工与环境等领域具有十分重要的意义。
目前测定气体在液体中溶解参数的方法有等体积饱和法、压力衰减法、泡点法、重力天平法和石英晶体微天平法等。这些方法中像等体积饱和法和压力衰减法由于操作简单和精度较高，得到了广泛应用。但是这两种方法的测定时间较长，效率较低。而其他的方法则存在造价较高和操作繁琐的问题。
发明内容
本发明为了解决快速简单测定气体在液体中的溶解度和扩散系数的问题，提出一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统和方法。该方法能够快速测定不同气体在不同液体中的溶解度和扩散系数，并且装置简单，造价低，操作简单。
一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统，其特征在于：该系统包括液体输送泵1，套管膜接触室2、气体质量流量计3、水浴4和背压阀5；其中，所述液体输送泵和套管膜接触室及背压阀串联连接，所述气体质量流量计连接至套管膜接触室，所述套管膜接触室浸没在水浴中。所述的液体输送泵为注射泵、高压平流泵或其他能提供稳定流速的泵。所述的套管膜接触室所用膜为中空纤维膜，内径为0.1～2mm，膜厚为0.05～0.5mm。所述的套管膜接触室所用膜材料为聚丙烯、聚四氟乙烯、聚4-甲基1-戊烯(PMP)、Teflon AF2400、Teflon AF1600或者其他透气膜材料。所述气体质量流量计带有减压阀，通过气体流路与套管膜接触室连接。
一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)将待测液体首先经过加热和抽真空进行脱气处理，之后通过液体输送泵通入套管膜接触室的液体流路，从气源来的气体通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，在套管膜接触室中气体可以通过膜溶解到液体中；
(b)套管膜接触室浸没在水浴中控制温度，气体流路的压力通过气源的减压阀控制，液体流路的压力通过背压阀控制；
(c)系统稳定后读取气体质量流量计的示数，通过质量守恒即可计算得到气体在液体中的溶解度。改变液体流速，得到不同液体流速下的气体流量计示数，通过模型拟合，即可计算得到气体在液体中的扩散系数。
所述的测定气液性质的温度范围为-40～200℃，压力范围为0.01～10MPa。所述的测定时间为0.5～60min。
本发明的有益效果为：(1)由于膜接触室内液体的尺度小，扩散传质快，测定时间短，溶解度的测定时间可小于2min；(2)装置造价低，操作简单；(3)适用范围广，对于不同气体和液体均可应用。
附图说明
图1为本发明测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统结构示意图
图2为本发明气体质量流量计读数随液体流量变化图
图中：1液体输送泵，2套管膜接触室，3气体质量流量计，4水浴，5背压阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
根据本方法进行实验，把水通过脱气处理后，通过高压平流泵输送到套管膜接触室液体流路，二氧化碳通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了聚丙烯中空纤维膜，内径为0.3mm，外径为0.4mm，控制水浴温度为20℃，气体减压阀和背压阀压力均为0.4MPa(表压)，改变液体流速，对应的气体质量流量计流速变化如图2所示，经计算得到20℃时该压力下二氧化碳在水里的溶解度为0.182mol/L，扩散系数为2.01×10-9m2/s。
实施例2：
根据本方法进行实验，把水通过脱气处理后，通过高压平流泵输送到套管膜接触室液体流路，二氧化碳通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了聚丙烯中空纤维膜，内径为0.3mm，外径为0.4mm，控制水浴温度为55℃，气体减压阀和背压阀压力均为0.2MPa(表压)，改变液体流速，得到对应的气体质量流量计流速变化，经计算得到55℃时该压力下二氧化碳在水里的溶解度为0.054mol/L，扩散系数为3.64×10-9m2/s。
实施例3：
根据本方法进行实验，把环己烷通过脱气处理后，通过高压平流泵输送到套管膜接触室液体流路，氢气通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了Teflon AF2400中空纤维膜，内径为0.6mm，外径为0.8mm，控制水浴温度为25℃，气体减压阀和背压阀压力均为2.0MPa(表压)，改变液体流速，得到对应的气体质量流量计流速变化，经计算得到25℃时该压力下氢气在水里的溶解度为0.052mol/L，扩散系数为9.33×10-9m2/s。
实施例4：
根据本方法进行实验，把离子液体[EMIM][NTf2]通过脱气处理后，通过高压注射泵输送到套管膜接触室液体流路，二氧化碳通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了Teflon AF1600中空纤维膜，内径为0.8mm，外径为1mm，控制水浴温度为30℃，气体减压阀和背压阀压力均为0.3MPa(表压)，改变液体流速，对应的气体质量流量计流速变化，经计算得到30℃时该压力下二氧化碳在离子液体[EMIM][NTf2]里的溶解度为0.41mol/L，扩散系数为7.2×10-10m2/s。
实施例5：
根据本方法进行实验，把离子液体[EMIM][NTf2]通过脱气处理后，通过高压注射泵输送到套管膜接触室液体流路，二氧化碳通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了PMP中空纤维膜，内径为2mm，外径为3mm，控制水浴温度为40℃，气体减压阀和背压阀压力均为0.3MPa(表压)，改变液体流速，对应的气体质量流量计流速变化，经计算得到40℃时该压力下二氧化碳在离子液体[EMIM][NTf2]里的溶解度为0.32mol/L，扩散系数为9.2×10-10m2/s。
实施例6：
根据本方法进行实验，把离子液体[BMIM][BF4]通过脱气处理后，通过高压注射泵输送到套管膜接触室液体流路，二氧化碳通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，套管膜接触室使用了聚四氟乙烯中空纤维膜，内径为0.2mm，外径为0.3mm，控制水浴温度为50℃，气体减压阀和背压阀压力均为0.3MPa(表压)，改变液体流速，对应的气体质量流量计流速变化，经计算得到50℃时该压力下二氧化碳在离子液体[BMIM][BF4]里的溶解度为0.23mol/L，扩散系数为1.5×10-10m2/s。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统，其特征在于：该系统包括液体输送泵(1)、套管膜接触室(2)、气体质量流量计(3)、水浴(4)和背压阀(5)；其中，所述液体输送泵和套管膜接触室及背压阀串联连接，所述气体质量流量计连接至套管膜接触室，所述套管膜接触室浸没在水浴中；
所述的套管膜接触室所用膜为中空纤维膜，内径为0.1～2mm，膜厚为0.05～0.5mm；所述套管膜接触室所用膜材料为透气膜，包括聚4-甲基1-戊烯、Teflon AF 2400、或者TeflonAF1600；
利用该系统快速测定气体在液体中溶解度和扩散系数的方法,包括以下步骤：
(a)将待测液体首先经过加热和抽真空进行脱气处理，之后通过液体输送泵通入套管膜接触室的液体流路，从气源来的气体通过气体质量流量计通入套管膜接触室的气体流路中，在套管膜接触室中气体通过膜溶解到液体中；
(b)将套管膜接触室浸没在水浴中控制温度，所述气体质量流量计带有减压阀，通过气体流路与套管膜接触室连接，气体流路的压力通过气源的减压阀控制，液体流路的压力通过背压阀控制；
(c)系统稳定后读取气体质量流量计的示数，通过计算得到气体在液体中的溶解度；改变液体流速，得到不同液体流速下的气体流量计示数，通过模型拟合，即可计算得到气体在液体中的扩散系数；
所述测定气体在液体中溶解度和扩散系数的方法的温度范围为-40～200℃，压力范围为0.01～10MPa；测定时间为0.5～60min。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的液体输送泵为注射泵或高压平流泵。
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