汽化樣品并不容易，也并非總是可能的。但是，如果您的分析取樣系統(tǒng)中的分析儀需要?dú)怏w，而樣品是液體，唯一的辦法是將液體轉(zhuǎn)化為氣體。這一過程稱為汽化或閃蒸汽化。目的是將純液體樣品快速轉(zhuǎn)化為蒸氣，而不改變成分。
如果您開始進(jìn)行汽化，了解蒸發(fā)和汽化之間的差別非常重要。蒸發(fā)隨著溫度的升高逐漸發(fā)生。而汽化隨著壓力下降瞬時(shí)發(fā)生。
通過升高溫度來汽化樣品是不可能的。熱量會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)，增加更多熱量只能使蒸發(fā)進(jìn)行得更快。在混合樣品中，蒸發(fā)會(huì)使某些混合物先于其它成分蒸發(fā)，從而造成分餾。在操作正確的情況下，汽化可以確保所有混合物同時(shí)汽化，從而保持樣品的成分。
汽化過程中可能會(huì)出錯(cuò)。您可能沒有瞬時(shí)將全部樣品變?yōu)檎魵?，而是無意中造成汽化和蒸發(fā)同時(shí)發(fā)生，從而造成了分餾。一旦混合物樣品發(fā)生分餾，就不再適合進(jìn)行分析。
對于分餾，一種常見的情況是較輕的分子先蒸發(fā)并流入分析儀，而較重的分子仍保持液相狀態(tài)。即使在過程的稍后階段分餾的樣品都顯現(xiàn)為氣體，混合氣體的分子比例與分餾之前已不再相同。它將不再能夠準(zhǔn)確代表從工藝管路所取的產(chǎn)品。調(diào)整工藝變量(溫度、壓力和流量)有助于確保正確進(jìn)行汽化，并得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
了解汽化
要汽化樣品，一般使用汽化調(diào)壓閥，也稱為汽化器。汽化器是一種減壓調(diào)壓閥，能夠在準(zhǔn)確位置將熱量傳輸給樣品。汽化是一個(gè)包含三個(gè)階段的過程，如下圖中所示。首先，樣品以液體形式進(jìn)入汽化器。此時(shí)，液體不應(yīng)沸騰。
汽化的三個(gè)階段
其次，液體經(jīng)過汽化調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)腔，造成劇烈而突然的壓力下降，從而使液體汽化。同時(shí)，供給熱量，使汽化的液體保持氣態(tài)。
最后，現(xiàn)為氣態(tài)的樣品從汽化調(diào)壓閥流出，進(jìn)入分析儀進(jìn)行讀數(shù)。由于突然轉(zhuǎn)變?yōu)槠啵w成分與液體成分相同，從而可以確保讀數(shù)準(zhǔn)確。
這一過程非常敏感，有很多可以決定成敗的變量或輸入值。出于本討論之目的，我們將主要關(guān)注兩組輸入值。
第一組輸入值涉及樣品的成分。根據(jù)樣品的成分，它將在不同的壓力和溫度下開始起泡和完成汽化。我們需要知道這些壓力和溫度才能成功控制汽化過程。
第二組輸入值涉及您在取樣系統(tǒng)中控制的各項(xiàng)設(shè)置：壓力、溫度和流量。壓力和溫度在汽化器中控制，而流量受下游的轉(zhuǎn)子流量計(jì)(變截面流量計(jì))和針閥控制。這些輸入值根據(jù)我們對第一組輸入值所了解的信息進(jìn)行設(shè)置。正確的汽化要求保持每個(gè)輸入值的精密平衡。即使以上述系統(tǒng)方式進(jìn)行汽化，該過程也需要進(jìn)行一些試驗(yàn)，并會(huì)產(chǎn)生一些誤差。
了解樣品
了解第一組輸入值的最佳方法是相位圖。相位圖可以標(biāo)繪壓力和溫度，顯示在任一對條件下物質(zhì)是汽相、液相還是固相。圖中的線指示兩種相之間的界面。
下圖代表含20%己烷的戊烷的相位圖。當(dāng)樣品高于始沸點(diǎn)(藍(lán)色線)時(shí)，它全部為液相。樣品在進(jìn)入汽化器時(shí)應(yīng)全部是液相。當(dāng)混合物低于露點(diǎn)(金色線)時(shí)，它全部為汽相。樣品離開汽化器時(shí)必須全部為汽相。
顯示含20%己烷的戊烷的相位圖，帶溫度設(shè)置
始沸點(diǎn)線和露點(diǎn)線之間的部分是樣品的沸騰范圍或“不過端區(qū)”。在這里，混合物處于兩種狀態(tài)，部分為液相，部分為汽相。樣品一旦進(jìn)入此范圍，即被分餾，不再適合進(jìn)行分析。
對于純樣品和近似純樣品，幾乎沒有什么沸騰范圍。始沸點(diǎn)線和露點(diǎn)線幾乎重疊在一起。純樣品和近似純樣品會(huì)轉(zhuǎn)化為相同成分的蒸氣，無論是通過蒸發(fā)還是通過汽化。某些工業(yè)樣品接近這種程度的純度，轉(zhuǎn)化很容易。
另一方面，某些樣品的沸騰范圍非常寬，以致于無法成功汽化。沒有辦法從沸騰范圍的液相側(cè)直接轉(zhuǎn)到汽相側(cè)。無法更改溫度、流量和壓力變量來避免分餾。
大多數(shù)樣品都處于這兩個(gè)極端之間。例如，在樣品相位圖中，始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間的區(qū)域非常狹窄，只要設(shè)置正確，樣品就能有效地從沸騰范圍的液相側(cè)轉(zhuǎn)到汽相側(cè)。同時(shí)，圖中的這一區(qū)域又非常寬，必須小心地更改變量才能避免樣品處于沸騰范圍。
設(shè)置溫度、壓力和流量
汽化是各個(gè)變量之間的平衡作用。以下是設(shè)置溫度、壓力和流量輸入值的過程，包含四個(gè)步驟：
1、確定汽化器的進(jìn)口壓力
該壓力是固定的，倘若汽化器位于樣品取樣口附近，則是工藝壓力。壓力越大越好，因?yàn)檫@樣就可以在進(jìn)來的液體不沸騰的情況下實(shí)現(xiàn)更高的汽化器溫度。
2、設(shè)置進(jìn)口溫度
設(shè)置溫度時(shí)有兩個(gè)目標(biāo)。第一，溫度必須足夠低以便樣品進(jìn)入汽化器時(shí)完全處于液相狀態(tài)并且不起泡。在含 20%己烷的戊烷相位圖中，4bar時(shí)的始沸點(diǎn)是88?C。為了留出保持液相狀態(tài)的誤差范圍，請選擇80?C。
第二個(gè)目標(biāo)是溫度必須足夠高以促成樣品的汽化。汽化樣品時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，溫度會(huì)下降。樣品溫度開始時(shí)必須足夠高，以便壓力下降后樣品不會(huì)處于沸騰范圍。
3、設(shè)置汽化器的出口壓力
目標(biāo)是將壓力降到金色露點(diǎn)線以下。在示例相位圖中，出口壓力設(shè)置為1.5bar。在此例中，如果出口壓力再高一點(diǎn)兒，樣品將不能完全汽化并分餾。
4、設(shè)置流量
流量在下游的閥門和轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)置，而不是汽化器設(shè)置。在取樣系統(tǒng)中，最好設(shè)置較高的蒸汽流量，因?yàn)檫@樣樣品可以更快地流入分析儀。但是，高流量也會(huì)帶來問題，因?yàn)樾枰酂崃縼砥瘶悠?。換言之，高流量導(dǎo)致汽化時(shí)的溫度下降更大。在示例相位圖中，紫色線說明溫度下降。隨著流量增加，紫色線將更急劇地向左傾斜。
影響溫度下降的另一個(gè)變量是汽化器的熱量傳輸能力。某些汽化器在構(gòu)造上能夠使熱量更有效地傳輸給樣品。當(dāng)液體樣品轉(zhuǎn)化為蒸氣、溫度下降時(shí)，它會(huì)從周圍的不銹鋼吸收熱量。關(guān)鍵問題是汽化器恢復(fù)該熱量并將其傳輸給樣品的效率如何。樣品能夠吸收的熱量越多，它在汽化過程中溫度的下降就越小。
在某些情況下，汽化器的外面可能摸起來很燙，而里面的內(nèi)核卻很涼。這是因?yàn)楸黄臉悠氛谖沾罅繜崃?，而汽化器無法傳輸保持溫度所需的足夠熱量。最佳解決方案是降低流量。
汽化帶有一定的近似性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)盡量降低流速，同時(shí)要避免造成樣品到分析儀的行進(jìn)時(shí)間出現(xiàn)不可接受的時(shí)間延遲。從較低的流速開始，然后試驗(yàn)逐漸提高流速，比從較高的流速開始要好。
故障排除
相位圖有助于估算溫度、壓力和流量設(shè)置，但仍然需要某些故障排除方法。出現(xiàn)問題的一個(gè)確定的因素是分析儀結(jié)果存在較差的重復(fù)性。下面，我們提出了樣品被分餾而不是汽化的兩種可能性，問題#1更為常見：
【問題1】只有部分樣品被汽化。液體通過汽化器并滯留在下游的卡套管中。最終，液體會(huì)蒸發(fā)并從周圍卡套管吸收熱量，使卡套管摸起來很涼或造成結(jié)霜或結(jié)冰。汽化器下游的液體可能會(huì)穿過調(diào)壓閥進(jìn)入其它元件，如流量計(jì)和過濾器，這會(huì)造成相當(dāng)大的損壞。
【解決方法】要解決此問題，最佳選擇是降低流速。另一個(gè)選擇是降低汽化器出口壓力(如果可能的話)。第三個(gè)選擇是增加輸入調(diào)壓閥的熱量，但這樣會(huì)增加汽化器使用壽命縮短和可能出現(xiàn)問題 #2(參見下文)的風(fēng)險(xiǎn)
【問題#2】 樣品在汽化器進(jìn)口沸騰。樣品在汽化之前分餾。該問題的一種跡象是汽化器進(jìn)管顫動(dòng)，有時(shí)很劇烈，測量值出現(xiàn)波動(dòng)。較輕的分子蒸發(fā)并產(chǎn)生厚厚的一層蒸氣分子。其中一些較輕的分子會(huì)移動(dòng)到分析儀上，從而給出不準(zhǔn)確的分析結(jié)果。其余部分會(huì)形成“蒸氣墻，會(huì)將液體回推到工藝管線中。之后，部分蒸汽墻冷卻凝結(jié)。最終，液體樣品重新流向汽化器，在汽化器中，較輕的分子蒸發(fā)，循環(huán)再次開始。最終，較重的分子到達(dá)汽化器，然后向分析儀移動(dòng)，從而給出完全不同的分析結(jié)果。
【解決方法】要解決此問題，請降低汽化器溫度。
結(jié)論
汽化液體樣品是復(fù)雜的。在全球很多取樣系統(tǒng)中，汽化器經(jīng)常會(huì)分餾樣品，并將不具代表性的樣品送入分析儀。通過使用您系統(tǒng)的特殊混合物的相位圖，可以極大提高成功的機(jī)會(huì)。通過了解汽化過程的具體情況，尤其要了解是哪些變量(溫度、壓力和流量)在起作用及其對汽化結(jié)果的影響，能夠進(jìn)一步提高成功率。有了這一框架，您能夠?qū)崿F(xiàn)正確的設(shè)置，從而可根據(jù)觀察到的跡象和征兆進(jìn)行調(diào)整。
作者：Dean Slejko和Tony Waters
