圖解樣品汽化過程

圖1. 汽化過程的三個階段。

本文以含20%己烷的戊烷樣品為例，以圖解方式詳盡地介紹了汽化過程及如何通過控制變量（溫度、壓力和流量）來確保有效進行汽化并得到準確的分析結果。

蒸發與汽化

將純液體樣品快速轉化為純蒸氣 ，而不改變成分的過程即為汽化。 蒸發與汽化的區別是：蒸發是隨著溫度的升高逐漸發生的，而汽化是隨著壓力的下降瞬時發生的。在混合樣品中，蒸發會使某些混合物先于其他成分蒸發，產生分餾；而汽化能確保所有混合物同時汽化，保持樣品的成分。一旦混合物樣品發生分餾，就不再適合進行分析。常見的分餾情況是較輕的分子先蒸發并流入分析儀，而較重的分子仍保持液相狀態。即使分餾的樣品稍后均為氣體，混合氣體的分子比例也不再相同，無法準確代表所取的樣品。

汽化過程

汽化過程一般通過汽化調壓閥（也稱汽化器）進行，減壓調壓閥能夠在準確位置將熱量傳輸給樣品。

汽化過程分為三個階段（見圖1）：

液體樣品進入汽化器（此時液體不應起泡或沸騰）。

液體經汽化器的調節孔，壓力急劇下降，使液體汽化，同時供給熱量，使其保持氣態。

氣態樣品從汽化器流出，進入分析儀讀數。由于轉變突然，汽體與液體成分相同，可確保讀數準確。該過程非常敏感，有很多變量可影響其結果。

假設主要有兩組輸入值，第一組輸入值涉及樣品的成分。根據樣品的成分，將在不同的壓力和溫度下起泡和完成汽化，因此必須掌握壓力和溫度才能成功控制汽化過程。第二組輸入值涉及取樣系統中控制的各項設置：壓力、溫度和流量。其中壓力和溫度在汽化器中控制，而流量受下游的轉子流量計（變截面流量計）和針閥控制。根據對第一組輸入值所了解的信息設置這些輸入值。正確的汽化要求保持所有輸入值的平衡。當然，即便按照上述方式操作，仍可能產生誤差，下文將討論如何診斷和解決這些問題。

充分了解樣品

通過相位圖即可了解第一組輸入值，相位圖可以標繪壓力和溫度，顯示在任意一對條件下物質是汽相、液相還是固相，圖中的線為兩相之間的界面。

圖2. 含20%己烷的戊烷的相圖，帶溫度設置。

圖2為含20%己烷的戊烷相位圖。當樣品高于始沸點（藍色線）時，則全部為液相；當混合物低于露點（金色線）時，則全部為汽相。樣品離開汽化器時必須全為汽相。始沸點和露點線之間的部分為不過端區，該區域是樣品的沸騰范圍。混合物在此區域處于兩種狀態：一部分為液相；一部分為汽相。樣品一旦進入不過端區，即被分餾，不再適合進行分析。汽化的目標是設置溫度、流量和壓力，使樣品瞬時從不過端區的液相側跳到不過端區的汽相側。

純樣品的始沸點和露點線緊密相連，幾乎沒有沸騰范圍或不過端區。無論通過蒸發還是汽化，都會轉化為相同成分的蒸汽。若工業樣品能接近這種純度，則非常容易轉化。相反，有些樣品的不過端區非常寬，既不能從液相側直接跳到汽相側，也不能通過控制變量來避免分餾，以至于無法成功汽化。大多數樣品都處于這兩個極端之間，如圖2中始沸點和露點之間的區域非常狹窄，只要設置正確，就能使樣品有效地從液相側跳到汽相側；同時，圖2中的這一區域又相當寬，因此需熟練控制各個變量，以免將樣品置于不過端區。

設置溫度、壓力和流量

本文以含20%己烷的戊烷（見圖2）為例，討論如何設置輸入值以確保成功汽化。通常在進口需要高壓和低溫，在出口則需高溫和低壓。設置輸入值分為如下4個步驟：

確定汽化器的進口壓力。該壓力是固定的，若汽化器位于樣品取樣口附近，則為工藝壓力（圖2 中該壓力為4bar），工藝壓力越大越好，可在不讓進液沸騰的情況下保持更高的汽化器溫度。

設置進口溫度，或汽化器的溫度。該設置有兩個要求：第一，溫度必須足夠低以便樣品進入汽化器時完全處于液相且不起泡。圖2中4bar時的始沸點是88℃，要建立一個緩沖，則選擇80℃（距離88℃足夠遠的一個約整數以確保安全）；第二，溫度必須足夠高以促成樣品的閃變，確保只有蒸氣離開汽化器。根據能量守恒定律，汽化樣品時溫度會下降。樣品溫度開始時必須足夠高，以便壓力下降后樣品不會處于沸騰范圍。圖2中壓力下降后的蒸氣溫度是60℃，正好處于露點線的氣相側。

設置汽化器的出口壓力。目標是將壓力降到金色露點線以下。圖2中出口壓力設置為1.5bar，若出口壓力再高一點兒，樣品將不能汽化完全。

設置流量。流量在下游的閥門和轉子流量計設置。在取樣系統中，最好設置較高的蒸汽流量，以便樣品能更快地流入分析儀。但高流量導致汽化時的溫度下降更大，需要更多熱量來汽化樣品。圖2中紫色線表面溫度下降。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變量是汽化器的熱量傳輸能力。某些汽化器能使熱量更有效地傳輸給樣品，當樣品轉化為蒸氣、溫度下降時，會從周圍的不銹鋼吸收熱量，而汽化器恢復該熱量并將其傳輸給樣品的效率則是關鍵問題。樣品能夠吸收的熱量越多，在汽化過程中溫度的下降就越小。有時汽化器的外面溫度較高，但內核卻很涼。這是由于被汽化的樣品正在吸收大量熱量，而汽化器無法傳輸保持溫度所需的足夠熱量。解決此類問題的最佳解決方案是降低流量。

圖2中紫色線的角度是流速和汽化器熱量傳輸能力的共同產物。有了優良的汽化器和較低的流量，該線將變得更為豎直。但紫色線的位置無法通過簡單方法計算，也沒有任何已知的軟件程序可生成其位置，因此汽化帶有一定近似性。根據經驗，應盡量降低流速，同時避免造成樣品到分析儀行進時間的延遲。從較低的流速開始，然后逐漸提高流速，效果要好于從高流速開始。

故障排除

根據相位圖可估算溫度、壓力和流量的設置，但仍然需要一些故障排除方法。其中一個確定的故障因素是分析儀結果重復性較差。樣品被分餾而非汽化存在兩種可能：

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，最終蒸發。蒸發時會從周圍卡套管吸收熱量，使卡套管結霜或結冰。在很多情況下，汽化器下游的液體可能會穿過汽化器進入流量計和過濾器等元件，造成相當大的損壞。解決問題的最佳選擇是降低流速，也可通過降低汽化器出口壓力或增加輸入汽化器的熱量，但可能要承擔一定的風險。

樣品在汽化器進口沸騰

樣品在汽化之前分餾。較輕的分子蒸發，形成“蒸汽墻”將液體回推，部分蒸汽墻冷卻凝結，最終液體樣品重新流向汽化器，汽化器中較輕的分子蒸發，再次循環。同時，較重的分子向分析儀移動，造成讀數不準確。汽化器進管顫動，測量值出現波動。上述問題可通過降低汽化器溫度來解決。

小結

汽化樣品是取樣系統中最為常規的操作之一，其過程是較為復雜的，但通過對其具體過程的了解，尤其是通過對可能影響汽化結果的變量（溫度、壓力和流量）的掌握，以及充分研究特殊混合物的相位圖，可極大提高成功操作的幾率。