专利名称：测定样品中油和/或水含量的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测定样品中油和/或水含量的装置及方法，更具体地讲，是指一种改进的Dean-stark装置以及利用该装置测定石油工业或食品工业中固态、半固态样品中油和/或水含量的方法。
背景技术：
在石油工业或食品工业的一些科学研究中，通常需对样品中油和/或水含量进行测定。Dean-Stark装置(又称作Dean-Stark接收器或Dean-Stark蒸懼器)是常用的一种通过蒸馏方法测定样品中水含量的玻璃仪器。例如，目前含油污泥中油/水含量测定采用的是加拿大Alberta省油砂管理局推荐的“Dean-Stark改进装置”，其结构详见图I所示，该装置主要包括提取装置部分以及 Dean-Stark分离器，提取装置部分主要是利用溶剂对样品进行抽提以使溶剂蒸汽及水蒸汽进入Dean-Stark分离器中分离水分进而得测定水分含量，再利用减量法计算得到油含量。该“Dean-Stark改进装置”的核心部分是Dean-Stark分离器(或称分水器)10，其是一个类似于h型结构的装置，其主体为一个竖直的柱状玻璃管，上方与回流冷凝器20的底部相连，下方连接可以测量液体体积的水阱101 (带有计量刻度，该水阱101也可以改为类似于滴定管的玻璃制收集装置以收集较多体积的液体)，该分水器10主体玻璃管的中上部斜伸出一根支管(或称回流管)，支管与柱状玻璃管下方管壁成锐角，支管伸展到临近末端时折为竖直，以便插入连接提取瓶的过渡接头50中。提取装置部分主要包括提取瓶30以及套设在提取瓶30内的抽提管40,抽提管40悬于提取瓶30内(抽提管40底部与提取瓶30底部有一定距离)，且抽提管40底部设有贯通的小孔401。提取装置部分与Dean-Stark分水器10之间通过过渡接头50磨口连接，保证提取装置与分水器之间的连接密封性。在利用该装置测定含油污泥中油/水含量时，提取瓶30内装有溶剂(如甲苯)，待测含油污泥样品用滤纸包裹后置于抽提管40内，安装好分水器10、冷凝器20，利用加热装置60对提取瓶30进行加热(中下部及底部加热)。随着温度的升高，提取瓶30内溶剂甲苯以及样品中的水在提取装置中蒸发，形成蒸汽进入分水器10支管，并沿支管进入外层通有冷却水的回流冷凝器，冷凝成液体，滴入Dean-Stark分水器10主管下方的水阱101。在水阱101中，不能混溶的溶剂甲苯与水发生分层，下层是水，上层是密度较小的甲苯溶剂。随着蒸发的进行，当水阱中上层溶剂逐渐增多至支管连接处时，就会沿支管回流到提取装置中，对装在抽提管40中用滤纸包裹的被测含油污泥直接进行冲淋，并经抽提管40底部的小孔401流入提取瓶30中。而水阱下层的水则留在了水阱中而得以测量(若待测样品中的水分含量较高，水阱部分可改设为类似于滴定管的带旋钮的收集装置，等到水收集到一定体积，可打开收集装置下部的旋钮放出部分收集的水，以防止水量过多而沿支管回流进入提取装置)。抽提完毕后，可将被测含油污泥样品在115°C温度条件下干燥，使甲苯挥发并至恒重，根据从分水器水阱中读取水的体积数换算为样品的水含量，进一步利用减量法计算出样品的油含量。
上述“Dean-Stark改进装置”，结构简单、易于操作，不仅可用于石油、石化工业中对含油污泥油和/或水含量的测定，还可用于测定其它石油产品，如焦油、乳化浙青和其它浙青材料的水含量，此外也可用于食品工业中对一些食品样品，如面包、饼干、油炸薯条等的油和/或水含量的测定。然而，由于液体向下流动时总是遵循阻力最小原则(即遵循两点间直线最短流动原则)，因此含油样品，如含油污泥，中的油并不能被抽提完全；此外为保证抽提管中流入的溶剂迅速流出进行下一次抽提而使抽提管悬于提取瓶中对于油的完全抽提也是不利的(完全依靠冲淋)，这些问题的直接后果是油含量测定数据的准确性及平行性较差。

发明内容
本发明的一个目的在于针对上述现有方法测定样品中油和/或水含量的装置所存在的问题，对测量装置进行改进，提供一种新的测定样品中油和/或水含量的装置，以提高测定数据的准确性及平行性。 本发明的另一目的在于提供一种利用所述装置测定样品中油和/或水含量的方法，准确、快速地测定样品中油和/或水的含量。为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种测定样品中油和/或水含量的装置，该装置主要是对上述现有技术的“Dean-Stark改进装置”的提取装置部分做了进一步的改进，进而可使样品中的油分抽提更为完全，提高测定的准确性及平行性。具体地讲，本发明提供的测定样品中油和/或水含量的装置主要包括利用溶剂对样品进行抽提以使溶剂及水的蒸汽进入Dean-Stark分水器中分离水而得以测定样品水含量的提取装置，该提取装置主要包括用于容置抽提溶剂的提取瓶；置于所述提取瓶内、用于容置待测样品的抽提管，该抽提管上端敞口，管壁中上部设置有溢液孔；用于连接Dean-Stark分水器与提取瓶的汽液分流头，该汽液分流头设置有供蒸汽从提取瓶内向上通过该汽液分流头进入Dean-Stark分水器的升汽管以及供液体从Dean-Stark分水器向下通过该汽液分流头进入抽提管底部的降液管。根据本发明的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置还包括Dean-Stark分水器该分水器可采用现有技术的Dean-Stark分水器,其结构可参考如前所述，该分水器主体为一个竖直的柱状玻璃管，上方与冷凝器的底部相连，下方连接带有计量刻度的水阱；在分水器主体竖直柱状玻璃管的中上部斜伸出一根支管作为溶剂回流管，该支管与柱状玻璃管下方管壁成锐角，支管下端折为竖直并通过所述汽液分流头与提取瓶连接。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置还包括用于冷凝Dean-Stark分水器中蒸汽的冷凝器，该冷凝器可为现有技术中常用的回流冷凝器，其具体结构本发明不再赘述。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置中，所述汽液分流头设置上、下磨口，上磨口与分水器支管下端形成密封连接，下磨口与提取瓶瓶口之间形成密封连接。
根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置中，所述抽提管位于提取瓶中心位置，其底部与提取瓶底部接触，在进行加热抽提时，可保持提取瓶内及抽提管内的溶剂始终处于沸腾状态。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置中，所述汽液分流头的降液管位于汽液分流头的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的装置中，所述汽液分流头的升汽管顶端高于降液管的液体入口处，优选地位差至少大于I. 5cm，这样可有效防止分水器中的回流溶剂从升汽管流入提取瓶。另一方面，本发明还提供了一种测定样品中油和/或水含量的方法，该方法包括 利用本发明所述的测定样品中油和/或水含量的装置对样品进行抽提将抽提溶剂置于提取瓶中，将待测样品置于抽提管中，利用加热装置对提取瓶中的溶剂进行加热，使提取瓶中的溶剂及抽提管中样品内的水形成蒸汽，这些蒸汽上升进入Dean-Stark分水器中，经冷凝成液体后、再经溶剂与水的分层而使得样品中的水分得以分离出来，进而测定样品的水含量。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的方法还包括抽提完毕后，将被测样品干燥、使溶剂挥发至样品恒重后称重，并根据从分水器分离出水的质量，利用减量法计算出样品的油含量。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的方法，所述抽提过程中，保持提取瓶内及抽提管内的溶剂一直处于沸腾状态。根据本发明优选的具体实施方案，本发明测定样品中油和/或水含量的方法中，所述抽提溶剂优选对油溶解性好且密度小于水的有机溶剂，如甲苯、己烷、石油醚等。本发明的装置及方法，可广泛适用于对固态或半固态的石油产品或矿物或食品中的水和/或油进行测定，如，待测样品可以是含油污泥、油砂、浙青、油页岩、面包、饼干、油炸薯条等。与现有技术的“Dean-Stark改进装置”相比，本发明中，将对被测样品的冲淋抽提过程改为连续的动态浸取过程，从汽液分流头降液管流出的液态甲苯进入抽提管的底部，待抽提管中液位上升至抽提管中上部的溢液口时，由溢液口连续流出，进入到提取瓶中。抽提管中的溶剂连续溢出及溶剂汽泡的剧烈扰动，可保证溶剂对样品中可溶油分的完全抽提，同时也可使样品中的水以水-溶剂共沸物的形式完全蒸出并经冷凝器冷凝后进入到分水器的水阱底部，从而使测定结果更为准确可靠。实验结果表明，相比于现有技术的“Dean-Stark改进装置”，利用本发明的装置及方法，对待测样品中的油和/或水含量进行测定，测定数据的准确性及平行性大幅度提高，同时提取效率也大幅度提高。并且本发明的装置造价低廉，故适于大面积推广应用。


图I为现有技术的“Dean-Stark改进装置”结构示意图。图2为本发明的测定样品中油和/或水含量的装置结构示意图。
图3为本发明的测定样品中油和/或水含量装置中抽提管的俯视结构示意图。图4为本发明的测定样品中油和/或水含量装置中抽提管的正视结构示意图。图5为本发明的测定样品中油和/或水含量装置中汽液分流头的俯视结构示意图。图6为本发明的测定样品中油和/或水含量装置中汽液分流头的正视结构示意图。图7为具体实施例2含油污泥中油含量测定速率与现有技术的“Dean-Stark改进装置”对含油污泥中油含量测定速率的比较曲线图。图8为具体实施例2含油污泥中水含量测定速率与现有技术的“Dean-Stark改进装置”对含油污泥中水含量测定速率的比较曲线图。
具体实施例方式下面通过具体实施例并结合附图进一步详细说明本发明的装置与方法特点及使用效果，但本发明并不因此而受到任何限制。实施例I如图2所示，本实施例提供的测定样品中油和/或水含量的装置主要包括Dean-Stark分水器1，该分水器主体为一个竖直的柱状玻璃管，上方与回流冷凝器2的底部相连，下方连接带有计量刻度的水阱11 ;在分水器主体竖直的柱状玻璃管中上部斜伸出一根支管作为溶剂回流管，支管与柱状玻璃管下方管壁成锐角，支管伸展到末端时折为垂直，以便插入提取装置的汽液分流头5的上部磨口中。所述提取装置部分主要是利用溶剂对样品进行抽提并使溶剂及水的蒸汽进入Dean-Stark分水器中分离水，进而得以测定样品的水含量，该提取装置主要包括 用于容置抽提溶剂的提取瓶3 ；置于所述提取瓶3内、用于容置待测样品的抽提管4 ;详见图3、图4所示的抽提管结构示意图，该抽提管4为玻璃试管，其上端敞口，且管壁中上部设置有溢液孔41 ；用于连接Dean-Stark分水器与提取瓶的汽液分流头5 ;详见图5、图6所示的汽液分流头结构示意图，该汽液分流头5设置有供蒸汽从提取瓶内向上通过该汽液分流头进入Dean-Stark分水器的升汽管51以及供液体从Dean-Stark分水器向下通过该汽液分流头进入抽提管的降液管52 ;升汽管51顶端高于降液管52的液体入口处，优选位差至少I. 5cm ；降液管52位于汽液分流头的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部；并且，汽液分流头5设置上、下磨口(图中所示上磨口为内磨口，下磨口为外磨口)，上磨口与分水器I支管下端形成密封连接，下磨口与提取瓶3瓶口之间形成密封连接，保证了连接的密封性(为保证测定过程磨口间密闭无漏气，实验时磨口间要涂抹凡士林)。在利用该装置测定样品中油和/或水含量时，提取瓶3内装入溶剂(对油溶解性好且比水密度小的有机溶剂，如甲苯、己烷、石油醚等)，待测样品置于抽提管4中(为防止待测样品在抽提过程中散乱，可事先用滤纸或滤网包裹好样品)。利用加热装置6将提取瓶3中的溶剂加热至沸腾，溶剂蒸汽及水蒸汽通过汽液分流头5的升汽管51上升进入分水器I的支管，并沿支管上升至冷凝器2，经冷凝器2冷凝成液体后向下流入分水器I的水阱11中，溶剂与水在水阱中分层，下层为水，上层为溶剂，待分水器I水阱中冷凝的溶剂逐渐增多至支管连接处时，沿支管向下流动并经汽液分流头5的降液管52流入抽提管4底部，在抽提管4内装有用滤纸包裹的待测样品，抽提管4内过量累积的溶剂将由溢液孔41流入提取瓶3中，经加热重复上述过程。抽提过程中，提取瓶内溶剂的添加量应保证有足够的液体从抽提管溢液孔溢出；抽提管中样品的装填高度应低于溢液孔；还可适当控制加热功率，以保证冷凝管中的冷凝液连续流出，等等，这些对于本领域的技术人员而言在阅读本发明后可根据其操作经验而自行确定，本发明不再赘述。抽提完毕(通常以水阱水的体积在半小时内增加不超过0. Iml视为抽提完毕)后，将抽提完毕的被测样品烘干(通常在100-120°C条件下干燥)，使溶剂挥发，从分水器的水阱中读取水的体积数，然后将其转化为样品的水含量，利用减量法计算出样品的油含量。具体计算方法可参照下述计算公式从所述分水器水阱读取的水体积转化为样品中水质量的计算公式为mw = VwX pw;
从所述分水器水阱读取的水体积转化为样品水含量的计算公式为5W=^^X100%
ms0.
9利用减量法计算样品油含量的计算公式为
msQ- mw- mse So =-X 1 ()0%
ms09上述各式中Sw-样品中的水含量，g (水)/g ;S。-样品中的油含量，g(油)/g ;Vw-分水器水阱中的水体积，mL ；p w-测定温度条件下水的密度，g/mL ；mw-水的质量，g;ms0-样品的初始质量，g ；mse-抽提并干燥恒重后的样品固体物质量，g。本发明测定样品中油和/或水含量的装置中，所述抽提管底部位于提取瓶中心位置且与提取瓶底部接触，这样能够更好地对抽提管内样品及溶剂进行加热，在抽提过程中，抽提管4内外的溶剂一直处于沸腾状态。抽提管4内气泡的剧烈扰动及溶剂的连续溢出不仅可以保证溶剂将待测样品中可溶的油分完全抽提，还可使含油样品中的水以水-溶剂共沸物的形式完全蒸出，从而使测定结果更为准确可靠。实施例2以含油污泥A为待测样品，利用实施例I的装置及方法对含油污泥油、水含量进行抽提测定，将抽提完毕的被测含油污泥样品在115°C条件下干燥，使甲苯挥发并至样品恒重后称重，计算油、水的含量。并与利用图I所示的现有技术的“Dean-Stark改进装置”测定结果进行比较，测定结果列于下表。含油污泥A油含量(湿基质量分数)测定结果平行性分析
权利要求
1.一种测定样品中油和/或水含量的装置，该装置包括 利用溶剂对样品进行抽提以使溶剂和水的蒸汽进入Dean-Stark分水器中分离水分，进而得以测定水分含量的提取装置，该提取装置包括 用于容置抽提溶剂的提取瓶； 置于所述提取瓶内、用于容置待测样品的抽提管，该抽提管上端敞口，管壁中上部设置有溢液孔； 用于连接Dean-Stark分水器与提取瓶的汽液分流头，该汽液分流头设置有供蒸汽从提取瓶内向上通过该汽液分流头进入Dean-Stark分水器的升汽管以及供液体从Dean-Stark分水器向下通过该汽液分流头进入抽提管的降液管。
2.根据权利要求I所述的测定样品中油和/或水含量的装置，该装置还包括 Dean-Stark分水器，该分水器主体为一个竖直的柱状玻璃管，上方与冷凝器的底部相连，下方连接带有计量刻度的水阱；在分水器主体竖直的柱状玻璃管的中上部斜伸出一根支管作为溶剂回流管，该支管与柱状玻璃管下方管壁成锐角，支管下端折为竖直并通过所述汽液分流头与提取瓶连接； 优选地，该装置还包括用于冷凝Dean-Stark分水器中蒸汽的回流冷凝器。
3.根据权利要求2所述的测定样品中油和/或水含量的装置，其中，所述汽液分流头设置上磨口及下磨口，上磨口与分水器支管下端形成密封连接，下磨口与提取瓶瓶口之间形成密封连接。
4.根据权利要求I所述的测定样品中油和/或水含量的装置，其中，所述抽提管位于提取瓶的中心位置，底部与提取瓶的底部相接触。
5.根据权利要求I所述的测定样品中油和/或水含量的装置，其中，所述汽液分流头的降液管位于汽液分流头的偏心位置，且降液管下端延伸至抽提管的底部。
6.根据权利要求I或5所述的测定样品中油和/或水含量的装置，其中，所述汽液分流头的升汽管顶端高于降液管的液体入口高度，优选位差至少大于I. 5cm。
7.一种测定样品中油和/或水含量的方法，该方法包括 利用权利要求I 6任一项所述的测定样品中油和/或水含量的装置对样品进行油和/或水的抽提将溶剂置于提取瓶中，将待测样品置于抽提管中，利用加热装置对提取瓶中的溶剂进行加热，使提取瓶中的溶剂及抽提管中样品内的水形成蒸汽，这些蒸汽上升进入Dean-Stark分水器中，并经冷凝使得样品中的水得以分离出来，进而测定水含量。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括 抽提完毕后，将被测样品干燥，使溶剂挥发至恒重后称重，并根据从分水器分离出的水量，利用减量法计算样品的油含量。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述抽提过程中，保持提取瓶及抽提管内的溶剂始终处于沸腾状态。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述待测样品为固态或半固态的石油产品或矿物或食品，例如含油污泥、油砂、浙青、油页岩、面包、饼干、油炸薯条等；优选地，所述抽提溶齐IJ为对油溶解性好且密度小于水的有机溶剂，例如甲苯、己烷、石油醚等。
全文摘要
本发明提供了一种测定样品中油和/或水含量的装置及方法，该装置包括利用溶剂对样品进行抽提以使溶剂和水的蒸汽进入Dean-Stark分水器中分离水分进而得以测定水分含量的提取装置，该提取装置包括用于容置抽提溶剂的提取瓶；置于所述提取瓶内、用于容置待测样品的抽提管，该抽提管上端敞口，管壁中上部设置有溢液孔；用于连接分水器与提取瓶的汽液分流头，该汽液分流头设置有供蒸汽从提取瓶内向上通过该汽液分流头进入分水器的升汽管以及供液体从分水器向下通过该汽液分流头进入抽提管的降液管。利用本发明的装置进行样品油和/或水含量测定，准确性及稳定性良好，且造价低廉，适于大面积推广应用。
文档编号G01N5/04GK102778409SQ20121018327
公开日2012年11月14日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者周勇, 张珂, 朱建华, 武本成, 谢迎东, 马亮 申请人:中国石油大学(北京)