CN117782878B - 一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体热物理性质测量技术领域，尤其涉及一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法，解决了现有技术难以测量特定压力以及恒压下的气体溶解度，同时无法对特定压力或温度下溶解过程气体的实时溶解速率进行监测。该装置包括分别放置于相互独立的两个恒温区内的平衡釜和气体腔、与气体腔连接的气体样品瓶和真空泵以及数据中心，平衡釜与气体腔连接，数据中心通过第一温控器和第二温控器分别对第一恒温区和第二恒温区的温度进行单独实时控制。通过对第二恒温区的温度实时控制实现对平衡釜和气体腔的压力控制，实现指定压力和恒压溶解，保证了数据的精确性。

Description

一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法

技术领域

本发明涉及流体热物理性质测量技术领域，尤其涉及一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法。

背景技术

气体在液体中的溶解度涉及的领域非常广泛，如化工过程设计、地球化学、环境化学污染控制、生物医学技术、生物物理学等，是工业上非常重要的基础数据。

而体积传质系数是单位时间，单位体积的物质在流动过程中，通过扩散、对流或反应等方式从一个相传递到另一个相的能力，体积传质系数通常用于描述气液体系中气体的传质速率，是描述物质传递速率的重要参数。

目前气体溶解度的测量方法主要分静态法与动态法。

静态法只需将待测体系加入平衡釜内，待温度或压力升至设定值后保持恒定，维持足够长时间，使气液两相充分交换以达到平衡状态，然后提取并分析两相的样品，确定两相的平衡组成。静态法主要包括等体积饱和法、析取法和泡露点法，等体积饱和法是指在压力，温度，体积均能确定的情况下对已经脱气的液体用气体进行溶解饱和；析取法则是对已经饱和的溶液进行脱气，再测定压力、温度和体积的变化；泡露点法在一定温度下改变压力或在一定压力下改变温度，以求取某一体系的泡露点，由此得到各工况下的饱和数据。动态法主要分流动法与循环法，流动法是将气液以一定的速度流经平衡釜，对流出的平衡气液相进行分析；循环法则是将气相液相单相循环或气液双相循环，使其更快达到平衡状态，平衡建立后，对平衡样品进行各相成分分析。

在这些方法中，等体积饱和法精度高，采用的平衡釜易于制造，其耐压，密封问题都较易解决。等体积饱和法在测量时，在温度一定的情况下，需先将待测气体充入密闭气体腔，通过压力，体积和温度等数据计算充入气体总量，再将一部分气体充入平衡釜，与待测液体进行溶解平衡，再通过平衡釜中溶解平衡后的压力，体积数据可得未溶解的气体物质的量，从而计算得溶解的气体量。

但由于气体吸收等容降压原理，等体积饱和法在气体溶解过程平衡釜中气体压力会不断降低至平衡压力，难以测量特定压力以及恒压下的气体溶解度，同时无法对特定压力或温度下溶解过程气体的实时溶解速率进行监测，且传统的采用静态法的测量溶解度装置填充一次实验材料只能进行一次某一压力温度下的气体溶解度测量，无法灵活调整温度、压力进行再次实验。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够在指定压力和恒压状态下测量气体溶解参数且数据准确的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法。

本发明提供了一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，包括：

反应系统，所述反应系统包括平衡釜，所述平衡釜设置于第一恒温区内；

进气系统，所述进气系统包括相连接的气体腔和气体样品瓶，所述气体腔设置于第二恒温区内，且与所述平衡釜连接，以输送气体至所述平衡釜内；

脱气系统，所述脱气系统包括真空泵，所述真空泵与所述气体腔连接；

控制系统，所述控制系统包括数据中心、第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、第一温控器和第二温控器，所述压力传感器和所述第二温度传感器均设置在所述气体腔和所述数据中心的输入端之间，所述第一温度传感器设置于所述平衡釜和所述数据中心的输入端之间，所述第一温控器和所述第二温控器均与所述数据中心的输出端连接。

可选的，所述反应系统还包括磁力搅拌器，所述磁力搅拌器设有转子，所述磁力搅拌器的转子设置于所述平衡釜内。

可选的，所述平衡釜和所述气体腔之间设置有第一阀门，所述第一阀门与所述平衡釜之间的管道设置于所述第一恒温区内，所述第一阀门及其与所述气体腔之间的管道均设置于所述第二恒温区内。

可选的，所述气体腔的进气管道上设置有第二阀门，所述第二阀门与所述真空泵之间设置有第三阀门，打开所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门，启动所述真空泵以对所述平衡釜、所述气体腔和连接管路进行抽气，使待测液体脱气，所述第二阀门与所述气体样品瓶之间设置有第四阀门。

可选的，所述第一温控器和所述第二温控器分别对所述第一恒温区和所述第二恒温区单独进行温度控制，通过实时调节所述第二恒温区的温度，以使所述平衡釜和所述气体腔内的压力均保持目标压力，实现待测气体在恒压状态下溶解。

本发明第二方面提供了一种实时测量气体在液体中溶解参数的方法，采用上述任一实施例所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，包括以下步骤：

S1、对所述平衡釜和所述气体腔的体积进行标定，对整个装置进行耐压和密封性能检测；

S2、将物质的量为的待测液体充入所述平衡釜中，将两个恒温区的初始温度设置为同一值，待测液体脱气；

S3、脱气完成后，将待测气体充入所述气体腔中，待所述气体腔的温度和压力稳定后记录初始温度和初始压力；

S4、恒压溶解，通过调节所述第二恒温区的温度，使第二恒温区的气体压力达到目标压力，而后，使气体充入所述平衡釜中，同时实时调节所述第二恒温区的温度，以保持气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，当所述气体腔温度不变后即达到溶解平衡，记录所述气体腔的温度变化曲线；

S5、根据步骤S3记录的所述气体腔初始温度和初始压力数据，得到初始气体质量密度，根据步骤S1中标定的所述气体腔的体积以及初始气体质量密度/>计算得到充入气体总物质的量/>；根据步骤S4记录的所述气体腔平衡后的温度、压力数据再次计算，得到溶解平衡后所述气体腔内剩余气体的质量密度/>，并结合所述气体腔的体积计算得到剩余气体的物质的量/>；根据步骤S4记录的平衡后的气体压力，即目标压力/>，所述平衡釜的温度、体积，液体的体积计算得出所述平衡釜内尚未溶解的气体的物质的量/>，根据/>、/>和/>得出溶解于液体的气体的物质的量/>，根据/>和所述平衡釜内液体的物质的量/>计算初始温度/>和目标压力/>下的气体溶解度。

可选的，变压至另一目标压力，通过控制所述第二恒温区的温度，改变所述气体腔中气体温度，即能够改变气体压力；当需要压力降低则降低温度，需要压力提高则升高温度，使气体压达到目标压力，当气体温度和压力均保持稳定后，溶解达到平衡，此时分别记录所述平衡釜与所述气体腔的温度以及气体平衡压力，即目标压力/>，再按照步骤S5计算气体溶解度，实现对同一温度不同压力下气体溶解度进行实时测量。

可选的，S1、标定所述气体腔和所述第一阀门与所述气体腔之间的管道的总体积为，标定所述平衡釜和所述第一阀门与所述平衡釜之间的管道的总体积为/>；

S2、将待测液体放置到试剂瓶中并测量试剂瓶的质量，然后将物质的量为的待测液体充入所述平衡釜中，再次测量试剂瓶的质量，两次测量试剂瓶的质量的差值即为平衡釜（1）中待测液体的质量/>，将所述第一恒温区和所述第二恒温区的初始温度均设置为，恒压溶解的目标压力设置为/>；打开所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门，使用所述真空泵对所述气体腔、所述平衡釜以及连接管道抽气，使待测液体脱气；

S3、脱气完成后，关闭所述第一阀门、真空泵和所述第三阀门，打开所述第四阀门将摩尔质量为的待测气体充入所述气体腔中，关闭所述第二阀门和所述第四阀门，待所述气体腔的温度和压力稳定后，控制所述气体腔中的温度为初始温度/>，压力为目标压力，所述气体腔中的气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数：

（1），

所述气体腔中的气体的摩尔质量为，充入所述气体腔中的待测气体的物质的量/>：

（2），

步骤S1所标定的所述气体腔以及将体积计入所述气体腔的所述第二恒温区的管道的总体积为；

S4、恒压溶解，通过所述第一温控器控制所述平衡釜中的温度始终为初始温度不变，在完成步骤S3后，打开所述第一阀门，使所述气体腔中的气体充入所述平衡釜中，同时由所述数据中心实时调节所述第二恒温区的温度，当所述平衡釜和所述气体腔中的压力随着气体溶解降低时，逐步升高第二恒温区的温度，以保持所述平衡釜和所述气体腔中的气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，若需加快溶解过程则打开所述磁力搅拌器；

S5、计算溶解度，当所述气体腔温度不变后达到溶解平衡，此时所述气体腔的温度为、压力为目标压力/>，所述气体腔内剩余气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数，得到溶解平衡后所述气体腔内剩余气体的质量密度/>为：

（3），

由上计算得所述气体腔内剩余气体物质的量为：

（4），

所述平衡釜内的压力达到目标压力时，所述平衡釜内液体的密度/>是关于其温度/>的函数，得到/>为：

（5），

则所述平衡釜内液体的体积为：

（6），

则充入所述平衡釜内的气体的体积为：

（7），

溶解平衡时，所述平衡釜内温度为初始温度，压力为目标压力/>，所述平衡釜内剩余气体的质量密度/>是初始温度/>的函数，得到/>为：

（8），

所述平衡釜内剩余气体的物质的量为：

（9），

由此得到溶解平衡后溶解于液体的气体的物质的量为：

（10），

所述平衡釜内液体的摩尔质量为，则所述平衡釜内液体的物质的量为/>：

（11），则所述平衡釜内气体溶解到液体的摩尔分数/>为：

（12），

则所述平衡釜内的气体在无限稀释溶液中的亨利常数为：

（13），

式中是气体的逸度。

可选的，根据溶解平衡过程所述气体腔的温度变化曲线，结合气体的体积压力和状态方程，绘制出恒压下气体溶解于液体的物质的量的变化曲线，其关于时间的微分即物质的量的变化曲线的斜率的绝对值就是气体在液体中的溶解速率，取其初始斜率，得到恒压下的体积传质系数为：

(14)，

式中是气体从气相传递到液相的摩尔数，/>是液相体积，/>是气体在液体中的平衡溶解度，/>为液相中的溶质气体浓度，其中/>表示为：

（15）。

本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明提供的一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置及方法，其恒压装置通过将平衡釜和气体腔分别设置于相互独立的第一恒温区和第二恒温区中，使得平衡釜和气体腔能够处于不同的温度状态，通过对第二恒温区的温度实时控制，实现了对平衡釜和气体腔的压力控制，解决了在指定压力和恒压状态下，测量气体溶解参数的问题，且本装置采用电脑实时控制温度，保证了数据的精确性；同时在气体溶解达到平衡后，可以控制平衡釜内的压力使平衡釜处于新的压力状态中，实现溶解温度不变的情况下对不同压力下气体溶解参数的准确实时测量，同理可以通过改变平衡釜区域的温度，实现同一压力不同温度情况下气体的溶解参数的实时测量，无需对实验材料进行重新填充，降低了材料成本，解决了等体积饱和法一次实验只能测量单一温度压力下气体溶解参数的问题；数据中心通过第一温度传感器、第二温度传感器和压力传感器对平衡釜和气体腔内的温度和压力数据进行实时检测，实现了对目标压力、温度条件下气体向液体溶解的动态速率的测量，即单位时间溶解的气体的物质的量，实时监测气体溶解的速率，并计算得到表征物质传递速率的重要参数体积传质系数。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的平衡釜的剖视图；

图3为本发明实施例所述的平衡釜的侧视图；

图4为本发明实施例所述的平衡釜的俯视图。

其中，1、平衡釜；2、气体腔；3、第一恒温区；4、第二恒温区；5、第一阀门；6、第二阀门；7、第三阀门；8、第四阀门；9、泄压阀；10、第一温度传感器；11、压力传感器；12、第二温度传感器；13、磁力搅拌器；14、转子；15、气体样品瓶；16、数据中心；17、真空泵；18、第一温控器；19、第二温控器；20、插口；21、顶盖；22、螺栓；23、密封垫片；24、进气口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1所示，本发明实施例提供一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，包括反应系统、进气系统、脱气系统、和控制系统。

其中，反应系统包括平衡釜1，平衡釜1设置于第一恒温区3内；进气系统包括相连接的气体腔2和气体样品瓶15，气体腔2设置于第二恒温区4内，且与平衡釜1连接，以输送气体至平衡釜1内。具体的，第一恒温区3和第二恒温区4是相互独立的两个温度控制区域，将平衡釜1和气体腔2分别置于第一恒温区3和第二恒温区4中，使其能够处于不同的温度状态，平衡釜1用于放置待测液体，气体腔2通过管道与平衡釜1连接，气体样品瓶15通过管道与气体腔2连接，待平衡釜1、气体腔2及连接平衡釜1和气体腔2的管道抽真空，使得平衡釜1中的待测液体脱气后，可通过气体样品瓶15向气体腔2中充入气体样品，待气体腔2中的温度和压力稳定后，将气体腔2中的气体充入至平衡釜1中，通过调节第二恒温区4的温度，以保持气体压力为目标压力，实现气体样品在恒压状态下溶解于平衡釜1中的待测液体。

脱气系统包括真空泵17，真空泵17与气体腔2连接；控制系统包括数据中心16、第一温度传感器10、压力传感器11、第二温度传感器12、第一温控器18和第二温控器19，压力传感器11和第二温度传感器12均设置在气体腔2和数据中心16的输入端之间，第一温度传感器10设置于平衡釜1和数据中心16的输入端之间，第一温控器18和第二温控器19均与数据中心16的输出端连接。具体的，真空泵17通过管道与气体腔2连接，当待测液体充入平衡釜1中，将第一恒温区3和第二恒温区4中的温度设置为同一值时，打开真空泵17，使其对平衡釜1、气体腔2及连接平衡釜1和气体腔2的管道抽真空，使得平衡釜1中的待测液体脱气，其中，平衡釜1内的温度通过第一温度传感器10进行测量，气体腔2内的温度和压力通过第二温度传感器12和压力传感器11进行测量，平衡釜1和气体腔2的温度与压力数据由数据中心16收集并分析，从而获取溶解过程的压力曲线，本装置通过将平衡釜1和气体腔2分别设置于相互独立的第一恒温区3和第二恒温区4，使得平衡釜1和气体腔2能够处于不同的温度状态，通过对第二恒温区4的温度实时控制，实现了对平衡釜1和气体腔2的压力控制，解决了在指定压力和恒压状态下，测量气体溶解参数的问题，且本装置采用电脑实时控制温度，保证了数据的精确性。

在上述实施例中，气体腔2的容积应远大于平衡釜1的容积，一方面确保气体溶解后气体腔2依旧能提供足够的压力，另一方面也可以减小气体腔2改变压力所需调节温度的范围。

进一步的，反应系统还包括磁力搅拌器13，磁力搅拌器13设有转子14，磁力搅拌器13的转子14设置于平衡釜1内。具体的，当需要加快溶解过程，则驱动磁力搅拌器13，使其转子14在平衡釜1中转动，加快气体样品在待测液体中的溶解。

进一步的，平衡釜1和气体腔2之间设置有第一阀门5，第一阀门5与平衡釜1之间的管道设置于第一恒温区3内，第一阀门5及其与气体腔2之间的管道均设置于第二恒温区4内。具体的，当使用真空泵17对平衡釜1、气体腔2及连接平衡釜1和气体腔2的管道抽真空时，需打开第一阀门5，使得平衡釜1中的待测液体脱气，当脱气完成后，打开气体样品瓶15向气体腔2中充入气体样品，待气体腔2中的温度和压力稳定后，再打开第一阀门5，将气体腔2中的气体充入至平衡釜1中，实现气体在待测液体中的溶解，同时，平衡釜1与气体腔2之间连接的管道应在符合需求的情况下尽量使用内径较小的管道，且长度尽量短，以减小死体积对测量的影响，若该部分体积不可忽略，则需对其进行标定，按照温度区域将两侧管路体积分别计入平衡釜1与气体腔2中。

进一步的，气体腔2的进气管道上设置有第二阀门6，第二阀门6与真空泵17之间设置有第三阀门7，打开第一阀门5、第二阀门6和第三阀门7，启动真空泵17以对平衡釜1、气体腔2和连接管路进行抽气，使待测液体脱气，第二阀门6与气体样品瓶15之间设置有第四阀门8。具体的，第二阀门6设置于气体腔2的进气管道上，且靠近气体腔2的位置，待气体样品瓶15向气体腔2中充气完成时，关闭第二阀门6，以保证气体腔2中的温度和压力的稳定，第三阀门7设置于第二阀门6和真空泵17之间，当待测气体需要脱气时，打开第一阀门5、第二阀门6和第三阀门7，启动真空泵17以对平衡釜1、气体腔2和连接管路进行抽气，使待测液体脱气，当需要充气时，关闭第三阀门，气体样品进入真空泵17中，第四阀门8设置于第二阀门6与气体样品瓶15之间，且靠近气体样品瓶15，当需要充气时，关闭真空泵17、第一阀门5和第三阀门7，打开第二阀门6和第四阀门8，使气体样品瓶15中的气体进入气体腔2中，然后关闭第二阀门6和第四阀门8，使气体腔2中的温度和压力稳定。

进一步的，第二阀门6与第三阀门7之间设置有泄压阀9，待实验结束后，打开第二阀门6和泄压阀9进行泄压，使气体样品排出恒压装置，以便于进行下一次实验，提高了实验结果的准确性，能够进行多次实验。

继续参照图1所示，第一温控器18和第二温控器19分别对第一恒温区3和第二恒温区4单独进行温度控制，通过实时调节第二恒温区4的温度，以使平衡釜1和气体腔2内的压力均保持目标压力，实现待测气体在恒压状态下溶解。具体的，通过第一温控器18和第二温控器19分别对第一恒温区3和第二恒温区4的温度进行独立的实时控制，第一温控器18对第一恒温区3的温度进行控制，能够实现气体在待测液体中的溶解度、溶解速率和体积传质系数的测量，当平衡釜1中的气体进行溶解时，第二温控器19对第二恒温区4的温度进行控制，实现了对气体腔2和平衡釜1的压力控制，从而使平衡釜1中的溶解过程保持恒压，也就是说，当需要压力降低时则降低温度，当需要提高压力时则升高温度。其中，第一温控器18和第二温控器19均为恒温槽、恒温水浴、制冷机，或者采用外循环方式以及直接电加热控制方式等，当然，只要可以实现相互独立的实时温度控制即可。

参照图2、图3和图4所示，平衡釜1为圆柱形筒状，平衡釜1包括顶盖21和容纳待测液体的腔体，且顶盖21由均匀分布的螺栓22固定于腔体上，顶盖21与腔体之间设置有密封垫片23，密封垫片23的设置提高了平衡釜1的密封性能，从而提高了实验结果的准确性，顶盖21上开设有进气口24和插口20，进气口24用于连接气体腔2与进气口24连接的管道，即平衡釜1与气体腔2连接的管道穿过进气口24，插口20用于连接第一温度传感器10。

本发明的另一些实施例提供了一种实时测量气体在液体中溶解参数的方法，采用上述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，包括以下步骤：

S1、对平衡釜1和气体腔2的体积进行标定，对整个装置进行耐压和密封性能检测；

S2、将物质的量为的待测液体充入平衡釜1中，将两个恒温区的初始温度设置为同一值，待测液体脱气；

S3、脱气完成后，将待测气体充入气体腔2中，待气体腔2的温度和压力稳定后记录初始温度和初始压力；

S4、恒压溶解，通过调节第二恒温区4的温度，使第二恒温区4的气体压力达到目标压力，而后，使气体充入平衡釜1中，同时实时调节第二恒温区4的温度，以保持气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，当气体腔2温度不变后即达到溶解平衡，记录气体腔2的温度变化曲线；

S5、计算溶解度，根据步骤S3记录的气体腔2初始温度和初始压力数据，得到初始气体质量密度，根据步骤S1中标定的气体腔2的体积以及初始气体质量密度/>计算得到充入气体总物质的量/>；根据步骤S4记录的气体腔2平衡后的温度、压力数据再次计算，此压力数据即为目标压力/>，得到溶解平衡后气体腔2内剩余气体的质量密度/>，并结合气体腔2的体积计算得到剩余气体的物质的量/>；根据步骤S4记录的平衡后的气体压力，即目标压力/>，平衡釜1的温度、体积，液体的体积计算得出平衡釜1内尚未溶解的气体的物质的量/>，根据/>、/>和/>得出溶解于液体的气体的物质的量/>，根据/>和平衡釜1内液体的物质的量/>计算初始温度/>和目标压力/>下的气体溶解度。

实验结束后打开第二阀门6和泄压阀9进行泄压，使气体样品排出实验系统，进行下一次实验，为了保证实验结果的准确性，可以重复以上步骤进行多次实验。

进一步的，若要变压至另一目标压力，通过控制第二恒温区4的温度，改变气体腔2中气体温度，即可改变气体压力；当需要压力降低则降低温度，需要压力提高则升高温度，使气体压达到目标压力，当气体温度和压力均保持稳定后，溶解达到平衡，此时分别记录平衡釜1与气体腔2的温度以及气体平衡压力，即目标压力/>，再按照步骤S5计算气体溶解度，实现对同一温度不同压力下气体溶解度进行实时测量，同理通过调节平衡釜1的温度能够对同一压力不同温度下的气体溶解度进行测量，无需重复样品充注、脱气和抽真空等过程。

具体实时测量气体在液体中溶解参数的方法包括以下步骤：

S1、标定气体腔2和第一阀门5与气体腔2之间的管道的总体积为，标定平衡釜1和第一阀门5与平衡釜1之间的管道的总体积为/>；

S2、将待测液体放置到试剂瓶中并测量试剂瓶的质量，然后将物质的量为的待测液体充入平衡釜1中，再次测量试剂瓶的质量，两次测量试剂瓶的质量的差值即为平衡釜1中待测液体的质量/>，将第一恒温区3和第二恒温区4的初始温度均设置为/>，恒压溶解的目标压力设置为/>；打开第一阀门5、第二阀门6和第三阀门7，使用真空泵17对气体腔2、平衡釜1以及连接管道抽气，使待测液体脱气；

S3、脱气完成后，关闭第一阀门5、真空泵17和第三阀门7，打开第四阀门8将摩尔质量为的待测气体充入气体腔2中，关闭第二阀门6和第四阀门8，待气体腔2的温度和压力稳定后，控制气体腔2中的温度为初始温度/>，压力为目标压力/>，气体腔2中的气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数：

（1），

气体腔2中的气体的摩尔质量为，充入气体腔2中的待测气体的物质的量/>：

（2），

步骤S1所标定气体腔2以及将体积计入气体腔2的第二恒温区4的管道的总体积为；

S4、恒压溶解，通过第一温控器18控制平衡釜1中的温度始终为初始温度不变，在完成步骤S3后，打开第一阀门5，使气体腔2中的气体充入平衡釜1中，同时由数据中心16实时调节第二恒温区4的温度，当平衡釜1和气体腔2中的压力随着气体溶解降低时，逐步升高第二恒温区4的温度，以保持平衡釜1和气体腔2中的气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，若需加快溶解过程则打开磁力搅拌器13；

S5、计算溶解度，当气体腔2温度不变后达到溶解平衡，此时气体腔2的温度为、压力为目标压力/>，气体腔2内剩余气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数，得到溶解平衡后气体腔2内剩余气体的质量密度/>为：

（3），

由上计算得气体腔2内剩余气体物质的量为：

（4），

平衡釜1内的压力达到目标压力时，平衡釜1内液体的密度/>是关于其温度/>的函数，得到/>为：

（5），

则平衡釜1内液体的体积为：

（6），

则充入平衡釜1内的气体的体积为：

（7），

溶解平衡时，平衡釜1内温度为初始温度，压力为目标压力/>，平衡釜1内剩余气体的质量密度/>是初始温度/>的函数，得到/>为：

（8），

平衡釜1内剩余气体的物质的量为：

（9），

由此得到溶解平衡后溶解于液体的气体的物质的量为：

（10），

平衡釜1内液体的摩尔质量为，则平衡釜1内液体的物质的量为/>：

（11），

则平衡釜1内气体溶解到液体的摩尔分数为：

（12），

则平衡釜1内的气体在无限稀释溶液中的亨利常数为：

（13），

式中是气体的逸度。

进一步的，根据溶解平衡过程气体腔2的温度变化曲线，结合气体的体积压力和状态方程，绘制出恒压下气体溶解于液体的物质的量的变化曲线，其关于时间的微分即物质的量的变化曲线的斜率的绝对值就是气体在液体中的溶解速率，取其初始斜率，得到恒压下的体积传质系数为：

(14)，

式中是气体从气相传递到液相的摩尔数，/>是液相体积，/>是气体在液体中的平衡溶解度，/>为液相中的溶质气体浓度，其中/>表示为：

（15）。

本装置还可以对定温变压下的气体的实时溶解速率及体积传质系数进行测量，根据上述步骤同理得到气体溶解于待测液体物质的量的变化曲线，其斜率的绝对值即为气体的溶解速率，取其初始斜率，结合公式计算得出恒温变压下的体积传质系数/>。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，其特征在于，包括：

反应系统，所述反应系统包括平衡釜（1），所述平衡釜（1）设置于第一恒温区（3）内；

进气系统，所述进气系统包括相连接的气体腔（2）和气体样品瓶（15），所述气体腔（2）设置于第二恒温区（4）内，且与所述平衡釜（1）连接，以输送气体至所述平衡釜（1）内；

脱气系统，所述脱气系统包括真空泵（17），所述真空泵（17）与所述气体腔（2）连接；

控制系统，所述控制系统包括数据中心（16）、第一温度传感器（10）、压力传感器（11）、第二温度传感器（12）、第一温控器（18）和第二温控器（19），所述压力传感器（11）和所述第二温度传感器（12）均设置在所述气体腔（2）和所述数据中心（16）的输入端之间，所述第一温度传感器（10）设置于所述平衡釜（1）和所述数据中心（16）的输入端之间，所述第一温控器（18）和所述第二温控器（19）均与所述数据中心（16）的输出端连接;

所述第一温控器（18）和所述第二温控器（19）分别对所述第一恒温区（3）和所述第二恒温区（4）单独进行温度控制，通过实时调节所述第二恒温区（4）的温度，以使所述平衡釜（1）和所述气体腔（2）内的压力均保持目标压力，实现待测气体在恒压状态下溶解。

2.根据权利要求1所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，其特征在于，所述反应系统还包括磁力搅拌器（13），所述磁力搅拌器（13）设有转子（14），所述磁力搅拌器（13）的转子（14）设置于所述平衡釜（1）内。

3.根据权利要求2所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，其特征在于，所述平衡釜（1）和所述气体腔（2）之间设置有第一阀门（5），所述第一阀门（5）与所述平衡釜（1）之间的管道设置于所述第一恒温区（3）内，所述第一阀门（5）及其与所述气体腔（2）之间的管道均设置于所述第二恒温区（4）内。

4.根据权利要求3所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置，其特征在于，所述气体腔（2）的进气管道上设置有第二阀门（6），所述第二阀门（6）与所述真空泵（17）之间设置有第三阀门（7），打开所述第一阀门（5）、所述第二阀门（6）和所述第三阀门（7），启动所述真空泵（17）以对所述平衡釜（1）、所述气体腔（2）和连接管路进行抽气，使待测液体脱气，所述第二阀门（6）与所述气体样品瓶（15）之间设置有第四阀门（8）。

5.一种实时测量气体在液体中溶解参数的方法，其特征在于，基于权利要求4所述的实时测量气体在液体中溶解参数的恒压装置完成，包括以下步骤：

S1、对所述平衡釜（1）和所述气体腔（2）的体积进行标定，对整个装置进行耐压和密封性能检测；

S2、将物质的量为的待测液体充入所述平衡釜（1）中，将两个恒温区的初始温度设置为同一值，待测液体脱气；

S3、脱气完成后，将待测气体充入所述气体腔（2）中，待所述气体腔（2）的温度和压力稳定后记录初始温度和初始压力；

S4、恒压溶解，通过调节所述第二恒温区（4）的温度，使第二恒温区（4）的气体压力达到目标压力，而后，使气体充入所述平衡釜（1）中，同时实时调节所述第二恒温区（4）的温度，以保持气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，当所述气体腔（2）温度不变后即达到溶解平衡，记录所述气体腔（2）的温度变化曲线；

S5、计算溶解度，根据步骤S3记录的所述气体腔（2）初始温度和初始压力数据，得到初始气体质量密度，根据步骤S1中标定的所述气体腔（2）的体积以及初始气体质量密度/>计算得到充入气体总物质的量/>；根据步骤S4记录的所述气体腔（2）平衡后的温度、压力数据再次计算，得到溶解平衡后所述气体腔（2）内剩余气体的质量密度/>，并结合所述气体腔（2）的体积计算得到剩余气体的物质的量/>；根据步骤S4记录的平衡后的气体压力，即目标压力/>，所述平衡釜（1）的温度、体积，液体的体积计算得出所述平衡釜（1）内尚未溶解的气体的物质的量/>，根据/>、/>和/>得出溶解于液体的气体的物质的量/>，根据/>和所述平衡釜（1）内液体的物质的量/>计算初始温度/>和目标压力/>下的气体溶解度。

6.根据权利要求5所述的实时测量气体在液体中溶解参数的方法，其特征在于：

变压至另一目标压力，通过控制所述第二恒温区（4）的温度，改变所述气体腔（2）中气体温度，即能够改变气体压力；当需要压力降低则降低温度，需要压力提高则升高温度，使气体压达到目标压力，当气体温度和压力均保持稳定后，溶解达到平衡，此时分别记录所述平衡釜（1）与所述气体腔（2）的温度以及气体平衡压力，即目标压力/>，再按照步骤S5计算气体溶解度，实现对同一温度不同压力下气体溶解度进行实时测量。

7.根据权利要求5所述的实时测量气体在液体中溶解参数的方法，其特征在于：

S1、标定所述气体腔（2）和所述第一阀门（5）与所述气体腔（2）之间的管道的总体积为，标定所述平衡釜（1）和所述第一阀门（5）与所述平衡釜（1）之间的管道的总体积为/>；

S2、将待测液体放置到试剂瓶中并测量试剂瓶的质量，然后将物质的量为的待测液体充入所述平衡釜（1）中，再次测量试剂瓶的质量，两次测量试剂瓶的质量的差值即为平衡釜（1）中待测液体的质量/>，将所述第一恒温区（3）和所述第二恒温区（4）的初始温度均设置为/>，恒压溶解的目标压力设置为/>；打开所述第一阀门（5）、所述第二阀门（6）和所述第三阀门（7），使用所述真空泵（17）对所述气体腔（2）、所述平衡釜（1）以及连接管道抽气，使待测液体脱气；

S3、脱气完成后，关闭所述第一阀门（5）、真空泵（17）和所述第三阀门（7），打开所述第四阀门（8）将摩尔质量为的待测气体充入所述气体腔（2）中，关闭所述第二阀门（6）和所述第四阀门（8），待所述气体腔（2）的温度和压力稳定后，控制所述气体腔（2）中的温度为初始温度/>，压力为目标压力/>，所述气体腔（2）中的气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数：

（1），

所述气体腔（2）中的气体的摩尔质量为，充入所述气体腔（2）中的待测气体的物质的量/>：

（2），

步骤S1所标定的所述气体腔（2）以及将体积计入所述气体腔（2）的所述第二恒温区（4）的管道的总体积为；

S4、恒压溶解，通过所述第一温控器（18）控制所述平衡釜（1）中的温度始终为初始温度不变，在完成步骤S3后，打开所述第一阀门（5），使所述气体腔（2）中的气体充入所述平衡釜（1）中，同时由所述数据中心（16）实时调节所述第二恒温区（4）的温度，当所述平衡釜（1）和所述气体腔（2）中的压力随着气体溶解降低时，逐步升高第二恒温区（4）的温度，以保持所述平衡釜（1）和所述气体腔（2）中的气体压力为目标压力/>，实现恒压溶解，若需加快溶解过程则打开所述磁力搅拌器（13）；

S5、计算溶解度，当所述气体腔（2）温度不变后达到溶解平衡，此时所述气体腔（2）的温度为、压力为目标压力/>，所述气体腔（2）内剩余气体的质量密度/>是关于其温度/>的函数，得到溶解平衡后所述气体腔（2）内剩余气体的质量密度/>为：

（3），

由上计算得所述气体腔（2）内剩余气体物质的量为：

（4），

所述平衡釜（1）内的压力达到目标压力时，所述平衡釜（1）内液体的密度/>是关于其温度/>的函数，得到/>为：

（5），

则所述平衡釜（1）内液体的体积为：

（6），

则充入所述平衡釜（1）内的气体的体积为：

（7），

溶解平衡时，所述平衡釜（1）内温度为初始温度，压力为目标压力/>，所述平衡釜（1）内剩余气体的质量密度/>是初始温度/>的函数，得到/>为：

（8），

所述平衡釜（1）内剩余气体的物质的量为：

（9），

由此得到溶解平衡后溶解于液体的气体的物质的量为：

（10），

所述平衡釜（1）内液体的摩尔质量为，则所述平衡釜（1）内液体的物质的量为/>：

（11），

则所述平衡釜（1）内气体溶解到液体的摩尔分数为：

（12），

则所述平衡釜（1）内的气体在无限稀释溶液中的亨利常数为：

（13），

式中是气体的逸度。

8.根据权利要求5至7任一项所述的实时测量气体在液体中溶解参数的方法，其特征在于：

根据溶解平衡过程所述气体腔（2）的温度变化曲线，结合气体的体积压力和状态方程，绘制出恒压下气体溶解于液体的物质的量的变化曲线，其关于时间的微分即物质的量的变化曲线的斜率的绝对值就是气体在液体中的溶解速率，取其初始斜率，得到恒压下的体积传质系数为：

(14)，

式中是气体从气相传递到液相的摩尔数，/>是液相体积，/>是气体在液体中的平衡溶解度，/>为液相中的溶质气体浓度，其中/>表示为：

（15）。