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使用饱和蒸汽压线相图

 相图

使用饱和蒸汽压线相图

2019年5月15日| 世伟洛克分析仪器产品经理 Karim Mahraz

尽管相图主要供化学家在实验室环境中使用,但该工具对于负责样品分析的工艺工程师和工厂经理来说同样极为有用。在某些分析系统中,必须首先通过蒸发将液体样品转化为气体才能进行分析。汽化在本质上是温度、压力和流量变量之间的一种平衡作用 - 相图的饱和蒸汽压线相图使工程师能够识别不同介质和组分的相变。

如下图,对含 20% 己烷的己烷戊烷气体混合物作出完整的相图。当样品状态处于泡点(蓝色线)上方时,则将完全处于液相状态。样品进入汽化器时必须保持液态。当样品状态处于露点(金色线)下方时,则完全处于气相状态。样品离开汽化器时必须全部为汽相。

vaporizer body temperature graph

泡点线与露点线之间的部分为“两相区”。该区域代表了样品的沸程。在这里,混合物处于两相状态:部分为液相,部分为气相。样品一旦进入不过端区,即被分馏,不再适合进行分析。汽化的目标是设置温度、流量和压力,使样品从液相侧跳过两相区直接到气相侧。对于纯和近似纯样品,几乎没有沸腾范围或不过端区。泡点线和露点线完全或几乎紧挨着。 

纯样品和近似纯样品会转化为相同成分的蒸气,无论是通过蒸发还是通过汽化。某些工业样品接近这种程度的纯度,很容易被转化。另一方面,某些样品的沸腾范围或不过端区非常宽,以至于无法成功汽化。此类样品无法从液相侧跳过两相区直接到气相侧。在这种情况下,无法操纵温度,压力,流量等参数以避免分馏。

在上图中,泡点线和露点线之间的区域足够狭窄,只要参数设置正确,样品就能够有效地从液相侧跳过两相区直接到气相侧。同时,这一区域又足够宽,我们需要谨慎对待。

设置温度、压力和流量

我们来继续研究图中的样品(含 20% 己烷的己烷戊烷混合物),需要巧妙地设置进样参数以确保成功完成汽化。通常,汽化器的进口处需要高压和低温。相反,出口处需要低压和高温。这些参数应该多高和多低是有限度的,并非都可以控制。

1. 确定汽化器的进口压力

进口压力是固定的,假使汽化器位于样品取样口附近,则为工艺压力。在示例图中,该压力为 4 bar。压力越大越好,因为允许汽化器 保持更高的温度而不汽化流入的液体

2. 设置进口温度

设置进口温度时,目标有二。第一,温度必须足够低以便样品进入汽化器时完全处于液相状态。在示例图中,4 bar 时的泡点为 88˚C。为防止分馏,最好设置进口温度低于 88 ˚C而避开两相区。一个安全的示例温度可能为 80˚C。

第二个目标是保持足够高的温度以促使样品完全汽化,确保只有气相离开汽化器。汽化样品时,根据能量守恒定律,温度会下降。样品在出口端的温度必须足够高,以便压力下降后样品不会落入两相区。在示例图中,压力下降后的温度为 60˚C,恰好处于露点线的气相侧。

3. 设置出口压力  

设置出口压力时,目标是将压力降至露点线以下。在示例相位图中,出口压力设定为 1.5 bar。如果出口压力再高一点儿,样品将无法完全汽化并分馏。

4. 设置流量

流量在下游的阀门和转子流量计设置,而不是汽化器设置。在取样系统中,最好设置较高的蒸汽流量,因为这样样品可以更快地流入分析仪。然而,高流量可能会带来问题,因为需要更多的热量来汽化样品。换言之,高流量导致汽化时的温度下降更大。在示例图中,紫色线表示温度下降。温度随着流量的增加而急剧下降。 

影响温度下降的另一个变量是汽化器的热量传输能力。某些汽化器在构造上使热量能够更有效地传输给样品。当液体样品转化为蒸气、温度下降时,它会从周围的不锈钢吸收热量。关键问题是汽化器交换热量并将其传输给样品的效率如何。样品能够吸收的热量越多,它在汽化过程中温度的下降就越小。在某些情况下,汽化器的外面可能摸起来很烫,而里面的内核却很凉。这是因为汽化的样品将吸收大量热量,而汽化器无法传递保持温度所需的足够热量。最佳解决方案是降低流量。

总之,图中可视化的温度下降是流速和汽化器传热能力共同决定的。凭借良好品质的汽化器和较低的流速,图中的线条将变得更为垂直。遗憾的是,没有简单的方法来计算相图中温度下降的精确位置,也无法通过任何已知的软件程序来生成其位置。因此,汽化带有一定近似性。根据经验,应尽量降低流速,同时要确保不造成样品到分析仪行进时间的不可接受延迟。从较低的流速开始,然后试验逐渐提高流速,比从最初较高的流速开始要好。

使用饱和蒸汽压线相图时,要获得分析仪器和采样系统最佳实践的额外帮助,请联系您当地的世伟洛克销售与服务中心。 

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