一种吸附系统综合性能分析装置及基于该装置的分析方法与流程

本发明属于吸附系统性能分析技术领域，涉及一种吸附系统综合性能分析装置及基于该装置的分析方法，尤其是涉及一种多功能吸附系统综合性能分析装置及基于该装置的固相微萃取、气相色谱-质谱联用分析方法。

背景技术：

热重分析仪是一种应用热天平在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的热分析仪器，广泛应用于无机、有机、化工、冶金、医药、食品、能源及生物等领域。热重分析仪能够进行定量分析，可准确测定物质质量的变化速率。但热重分析仪无法对体系在受热过程中逸出的挥发性组分加以检测，这给研究反应进程，解释反应机理带来了一定的困难。通过将热重分析仪与其它先进的检测系统联用，结合各自特点和功能实现联用在线分析，扩大分析内容，是现代热分析仪器的发展趋势。例如：将热重分析仪和差示扫码量热仪联用，在研究物质的燃烧特性时，将重量变化信号和热量变化信号同时获得，可以消除试样的各向异性、变化的尺寸以及试样的气氛不一致等因素对结果不利的影响；热重分析仪也可以和色谱仪以及质谱联用，质谱仪可以准确、快速地确定分子式，色/质谱仪能够用于测定物质成分，有助更好地建立反应模型，阐述反应机理。

在热重、量热以及成分仪器联用等领域，已经有一些科研人员进行了研究。

公开号为cn102062767a的中国发明专利提出了一种大气样品在线采集-富集-热脱附-色谱进样联用装置，包括采样吸附管、热脱附加热器、抽气装置和流路控制部分。其通过动态平衡吸附富集技术和预热一定时间窗口进样技术，把采集、富集、热脱附、进样结合为一体，可与任何通用型气相色谱仪直接连接，实现大气质量的在线自动连续监测。但是该装置无法对微量成分以及复杂成分物质进行富集和采样，也无法实现热量和吸附量等的测量。此外，该装置无法确定分子量，特别是无法进行微量杂质分析。

公开号为cn105527358a的中国发明专利提出了一种进样装置、热失重、气相色谱联用系统及热失重-气相色谱-质谱联用系统，该装置包括六通阀、四通阀和八通阀；六通阀具有6个接口，其中4个接口分别连接排气管、样品进气管、载气进气管和检测连接管；四通阀具有4个接口，两个接口分别通过第一、二连接管连接于六通阀的剩余的两个接口；八通阀包括阀体、阀体内设有的第一环形通道和第二环形通道以及八对接口，每一对接口之间连接一个采样管，每一对接口分别选择地与第一环形通道、第二环形通道连接，第一、第二环形通道分别通过第三、二连接管连接于四通阀的剩余的两个接口。但是该系统只是简单地连接管路装置，无法测量吸附系统的热量、吸附量、制冷量、制热量、做功量等数据，也无法对微量成分以及复杂成分进行富集采样。

公开号为cn201548505u的中国实用新型专利提出了一种差热-气相色谱联用分析装置，该装置包括差热分析仪、气相色谱仪，在差热分析仪气体出口处安装气体采样部件和温度传感器，气体采集部件的输出经自动进气控制机构接到气相色谱仪的采样口。该专利在传统差热-气相色谱联用分析装置的基础上，加装气体采样部件和自动进气控制机构，实时采集差热分析仪的差热信号、炉温信号以及尾气出口处的温度信号。但是该装置只能检测热量信号，没有采集吸附量和解吸量的信号。同时，对于少量气体成分以及复杂的成分，该装置无法进行有效收集采样。此外，该装置无法确定分子量，特别是无法进行微量杂质分析。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种吸附系统综合性能分析装置及基于该装置的分析方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种吸附系统综合性能分析装置，该装置包括吸附制冷/热泵/发电子系统以及分别与吸附制冷/热泵/发电子系统相适配的温度流量测控子系统、成分分析仪器联用子系统，所述的吸附制冷/热泵/发电子系统包括相连的吸附床单元、发电单元及风机换热单元。

进一步地，所述的吸附床单元包括上端开口的吸附床筒、设置在吸附床筒顶部的密封法兰、设置在吸附床筒外壁上的吸附床换热盘管以及包裹在吸附床换热盘管外部的保温层，所述的吸附床筒内设有吸附剂。吸附剂为高效吸附剂。

进一步地，所述的吸附床换热盘管的顶端设有第一截断法兰，底端设有第三截断法兰。

进一步地，所述的发电单元包括插设在密封法兰上的发电单元管路以及由下而上依次设置在发电单元管路上的第一两通阀门、第二截断法兰，所述的发电单元管路上套设有加热丝。

进一步地，所述的发电单元还包括发电机、与发电机相连的膨胀机以及设置在膨胀机与发电单元管路之间的四通阀门，该四通阀门的两个接口均与发电单元管路相连，另外两个接口分别与膨胀机的进口、出口相连。

进一步地，所述的风机换热单元包括蒸发冷凝器筒、设置在蒸发冷凝器筒内部的蒸发冷凝器换热盘管以及分别与蒸发冷凝器换热盘管的两端相连的风机盘管，该风机盘管与蒸发冷凝器换热盘管的顶端之间设有第三三通阀门、第二温度传感器及第二流量传感器，所述的风机盘管与蒸发冷凝器换热盘管的底端之间设有水泵、第四三通阀门及第三温度传感器。

进一步地，所述的温度流量测控子系统包括分别与第一截断法兰、第三截断法兰相连的吸附床恒温箱以及插设在密封法兰上的压力传感器，该吸附床恒温箱与第一截断法兰之间设有第一流量传感器、第一温度传感器及第二三通阀门，所述的吸附床恒温箱与第三截断法兰之间设有第一三通阀门及第四温度传感器，所述的第二三通阀门与第三三通阀门相连，所述的第一三通阀门与第四三通阀门相连。

进一步地，所述的成分分析仪器联用子系统包括气相色谱质谱仪、与气相色谱质谱仪的进样口相连的减压阀门、与减压阀门相连的氮气阀门、插设在密封法兰上并与气相色谱质谱仪的进样口相适配的固相微萃取针筒、分别插设在密封法兰及蒸发冷凝器筒上的第一长杆温度传感器及第二长杆温度传感器、分别与第二截断法兰及四通阀门相连的第二两通阀门以及与第二两通阀门相连的气泵。

一种基于吸附系统综合性能分析装置的分析方法，该方法包括综合性能分析步骤及成分分析步骤。综合性能分析步骤中，利用吸附床恒温箱、温度传感器、压力传感器、四通阀门、膨胀机、发电机等，测量不同温度下吸附剂的吸附量、吸附热、解吸热、平衡吸附线、制冷量、制热量、发电量。成分分析步骤中，利用固相微萃取针筒、第二两通阀门、氮气阀门、减压阀门、气泵等，实现成分分析。

进一步地，所述的综合性能分析步骤包括抽真空过程、称重过程、平衡吸附过程、吸附量测量过程、吸附平衡线测量过程、制冷量测量过程、制热量测量过程及发电量测量过程，所述的成分分析步骤包括固相微萃取过程及成分提取与气相色谱质谱分析过程。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明利用固相微萃取技术，可以对常规成分、微量成分及复杂成分进行有效地富集采样，大大扩展了测量对象的范围；

2)本发明不仅能够测量吸附量、平衡吸附线、制冷量、制热量、发电量，还能够对成分进行有效采集和成分分析，尤其是可以确定分子量，特别是可以进行微量杂质分析，提高了科学仪器的使用深度和应用水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记说明：

1—气泵、2—固相微萃取针筒位置、3—气相色谱质谱仪、4—第一流量传感器、5—吸附床恒温箱、6—第一三通阀门、7—第二三通阀门、8—第一截断法兰、9—第一温度传感器、10—密封法兰、11—密封垫片、12—固相微萃取针筒、13—压力传感器、14—加热丝、15—第一两通阀门、16—第二截断法兰、17—第二两通阀门、18—第一长杆温度传感器、19—蒸发冷凝器筒、20—第三三通阀门、21—第二温度传感器、22—第二流量传感器、23—蒸发冷凝器换热盘管、24—第四三通阀门、25—水泵、26—第三温度传感器、27—保温层、28—第三截断法兰、29—第四温度传感器、30—吸附床换热盘管、31—吸附剂、32—吸附床筒、33—氮气阀门、34—减压阀门、35—四通阀门、36—膨胀机、37—发电机、38—第二长杆温度传感器、39—风机盘管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示的一种多功能吸附系统综合性能分析装置，包含吸附制冷/热泵/发电子系统、温度流量测控子系统以及成分分析仪器联用子系统，吸附制冷/热泵/发电子系统包含吸附床单元、发电单元、风机换热单元，吸附床单元、发电单元、风机换热单元相连。

吸附床单元包含第一截断法兰8、密封法兰10、保温层27、第三截断法兰28、吸附床换热盘管30、吸附剂31、吸附床筒32；第一截断法兰8通过管路与吸附床筒32上部相连，再与吸附床换热盘管30相连；密封法兰10与吸附床筒32顶部相连；保温层27包裹在吸附床筒32外侧；第三截断法兰28通过管路与吸附床筒32下部相连，再与吸附床换热盘管30相连；吸附床换热盘管30紧贴在吸附床筒32外壁；吸附剂31填充在吸附床筒32内；

发电单元包含加热丝14、第一两通阀门15、第二截断法兰16、四通阀门35、膨胀机36、发电机37；第一两通阀门15与密封法兰10相连，再与第二截断法兰16相连，管路分成两路再与四通阀门35的两个接口相连，四通阀35另两个接口再与膨胀机36的进口和出口相连，再与蒸发冷凝器筒19相连；加热丝14缠绕在密封法兰10与四通阀门35之间的管路上；发电机37与膨胀机36相连。

风机换热单元包含第三三通阀门20、第二温度传感器21、第二流量传感器22、风机盘管39、水泵25、第四三通阀门24第三温度传感器26；风机盘管39的中部管路与第二流量传感器22相连，再与第二温度传感器21相连，再与第三三通阀门20的一端相连，第三三通阀门20的另一端与蒸发冷凝器筒19相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连，第三三通阀门20的第三端与第二三通阀门7的第三端相连；风机盘管39的下部管路与水泵25相连，再与第四三通阀门24的一端相连，第四三通阀门24的另一端与第三温度传感器26相连，再与蒸发冷凝器筒19相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连，第四三通阀门24的第三端与第一三通阀门6的第三端相连。

温度流量测控子系统包括第一温度传感器9、第四温度传感器29、压力传感器13、第一流量传感器4、吸附床恒温箱5、第一三通阀门6、第二三通阀门7、第一截断法兰8、第三截断法兰28；吸附床恒温箱5的上部管路与第一流量传感器4相连，再与第一温度传感器9相连，再与第二三通阀门7相连，再与第一截断法兰8相连，再与吸附床换热盘管30相连；吸附床恒温箱5的下部管路与第一三通阀门6相连，再与第四温度传感器29相连，再与第三截断法兰28相连，再与吸附床换热盘管30相连。

成分分析仪器联用子系统包含固相微萃取针筒12、第二两通阀门17、第一长杆温度传感器18、气泵1、气相色谱质谱仪3、氮气阀门33、减压阀门34、第二长杆温度传感器38；固相微萃取针筒12与密封法兰10相连，针头处于吸附床筒32顶部空间；第二两通阀门17的一端与第二截断法兰16以及蒸发冷凝器筒19之间的管路相连，第二两通阀门17的另一端与气泵1相连；固相微萃取针筒位置2位于气相色谱质谱仪3的进样口处；氮气阀门33与减压阀门34相连，再与气相色谱质谱仪3的进样口相连，第一长杆温度传感器18与密封法兰10相连，再与吸附床筒32内的高效吸附剂接触，第二长杆温度传感器38与蒸发冷凝器筒19相连，再与蒸发冷凝器筒19内的液体接触。

基于该多功能吸附系统综合性能分析装置的固相微萃取、气相色谱-质谱联用分析方法，包含以下步骤：

综合性能分析步骤：利用吸附床恒温箱5、温度传感器、压力传感器、四通阀门35、膨胀机36、发电机37等，测量不同温度下吸附剂的吸附量、吸附热、解吸热、平衡吸附线、制冷量、制热量、发电量；

成分分析步骤：利用固相微萃取针筒12、第二两通阀门17、氮气阀门33、减压阀门34、气泵1等实现成分分析。

其中，综合性能分析步骤包含以下操作过程：

抽真空过程：打开第一两通阀门15、第二两通阀门17、气泵1，对吸附床筒32、膨胀机36、蒸发冷凝器筒19进行抽真空。

称重过程：测量高效吸附剂质量m0，并将其装入吸附床筒32内，关闭第一两通阀门15，松开第二截断法兰16、第一截断法兰8、第三截断法兰28，测量吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第一长杆温度传感器18的总质量m1。

平衡吸附过程：连接第一截断法兰8、第二截断法兰16、第三截断法兰28，关闭第二两通阀门17，打开第一三通阀门6左右端口、第二三通阀门7左右端口、第一两通阀门15、第三三通阀门20左右端口、第四三通阀门24左右端口；打开吸附床恒温箱5，设定温度为t1，并运行10小时，根据第一温度传感器9、第四温度传感器29、第一流量传感器4计算吸附热；同时打开水泵25，并运行10小时。

吸附量测量过程：断开第一截断法兰8、第二截断法兰16、第三截断法兰28，烘干吸附床换热盘管30管内流体，测量高效吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第一长杆温度传感器18的总质量m2，吸附量则为(m2-m1)/m0。

吸附平衡线测量过程：连接第一截断法兰8、第三截断法兰28，打开第一三通阀门6左右端口、第二三通阀门7左右端口，打开吸附床恒温箱5，设定温度t2，并运行2小时，再设定温度t3，并运行2小时，再设定温度t4，并运行2小时，再设定温度t5，并运行2小时，根据t2、t3、t4、t5、压力传感器13的数值，即测得平衡吸附线。

制冷量测量过程：吸附床恒温箱5的上部管路与第一流量传感器4相连，再与第一温度传感器9相连，再与第二三通阀门7的左右端口相连，再与第一截断法兰8相连，再与吸附床换热盘管30相连，吸附床恒温箱5下部管路与第一三通阀门6的左右端口相连，再与第四温度传感器29相连，再与第三截断法兰28相连，再与吸附床换热盘管30相连；第一两通阀门15与吸附床筒32相连，再与第二截断法兰16相连，再与四通阀门35的左与下端口相连，再与蒸发冷凝器筒19相连；风机盘管39的上部管路与第二流量传感器22相连，再与第二温度传感器21相连，再与第三三通阀门20的左右端口相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连，风机盘管39下部管路与水泵25相连，再与第四三通阀门24的左右端口相连，再与第三温度传感器26相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连。第二温度传感器21与第三温度传感器26的差值，再与第二流量传感器22的积则为制冷量。

制热量测量过程：第一两通阀门15与吸附床筒32相连，再与第二截断法兰16相连，再与四通阀门35的左与下端口相连，再与蒸发冷凝器筒19相连；风机盘管39的上部管路与第二流量传感器22相连，再与第二温度传感器21相连，再与第三三通阀门20的右与下端口相连，再与第二三通阀门7的右与下端口相连，再与吸附床换热盘管30相连；风机盘管39下部管路与水泵25相连，再与第四三通阀门24的右与下端口相连，再与第一三通阀门6的右与下端口相连，再与吸附床换热盘管30相连；第二温度传感器21与第三温度传感器26的差值，再与第二流量传感器22的积则为制热量。

发电量测量过程：吸附床恒温箱5的上部管路与第一流量传感器4相连，再与第一温度传感器9相连，再与第二三通阀门7的左右端口相连，再与第一截断法兰8相连，再与吸附床换热盘管30相连，吸附床恒温箱5下部管路与第一三通阀门6的左右端口相连，再与第四温度传感器29相连，再与第三截断法兰28相连，再与吸附床换热盘管30相连；第一两通阀门15与吸附床筒32相连，再与第二截断法兰16相连，再与四通阀门35的上与右端口相连，再与膨胀机36相连，再与发电机37相连，膨胀机36再与蒸发冷凝器筒19相连；风机盘管39的上部管路与第二流量传感器22相连，再与第二温度传感器21相连，再与第三三通阀门20的左右端口相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连，风机盘管39下部管路与水泵25相连，再与第四三通阀门24的左右端口相连，再与第三温度传感器26相连，再与蒸发冷凝器换热盘管23相连。

所述成分分析步骤包含以下操作过程：

固相微萃取过程：打开第二截断法兰16、关闭第二两通阀门17，打开第一三通阀门6、第二三通阀门7、第一两通阀门15、第三三通阀门20左右端口、第四三通阀门24左右端口；打开吸附床恒温箱5，设定高温为t6，并运行2小时，同时将固相微萃取针筒12的针头穿过密封垫片11，处于吸附床筒32的上部2小时。

成分提取与气相色谱质谱分析过程：将固相微萃取针筒12移到固相微萃取针筒位置2，并将针头迅速插入气相色谱质谱仪3的进样口，并保持3分钟，进样口温度设置300度进行解吸，打开氮气阀门33、调节减压阀门34压力比气相色谱质谱仪3色柱前压高出0.05-0.1mpa，被解吸气体被氮气送入气相色谱质谱仪3的汽化室，从而实现成分分析。

实施例2：

如图1所示的一种吸附系统综合性能分析装置，包括吸附制冷/热泵/发电子系统以及分别与吸附制冷/热泵/发电子系统相适配的温度流量测控子系统、成分分析仪器联用子系统，吸附制冷/热泵/发电子系统包括相连的吸附床单元、发电单元及风机换热单元。

其中，吸附床单元包括上端开口的吸附床筒32、设置在吸附床筒32顶部的密封法兰10、设置在吸附床筒32外壁上的吸附床换热盘管30以及包裹在吸附床换热盘管30外部的保温层27，吸附床筒32内设有吸附剂31。吸附床换热盘管30的顶端设有第一截断法兰8，底端设有第三截断法兰28。

发电单元包括插设在密封法兰10上的发电单元管路以及由下而上依次设置在发电单元管路上的第一两通阀门15、第二截断法兰16，发电单元管路上套设有加热丝14。发电单元还包括发电机37、与发电机37相连的膨胀机36以及设置在膨胀机36与发电单元管路之间的四通阀门35，该四通阀门35的两个接口均与发电单元管路相连，另外两个接口分别与膨胀机36的进口、出口相连。

风机换热单元包括蒸发冷凝器筒19、设置在蒸发冷凝器筒19内部的蒸发冷凝器换热盘管23以及分别与蒸发冷凝器换热盘管23的两端相连的风机盘管39，该风机盘管39与蒸发冷凝器换热盘管23的顶端之间设有第三三通阀门20、第二温度传感器21及第二流量传感器22，风机盘管39与蒸发冷凝器换热盘管23的底端之间设有水泵25、第四三通阀门24及第三温度传感器26。

温度流量测控子系统包括分别与第一截断法兰8、第三截断法兰28相连的吸附床恒温箱5以及插设在密封法兰10上的压力传感器13，该吸附床恒温箱5与第一截断法兰8之间设有第一流量传感器4、第一温度传感器9及第二三通阀门7，吸附床恒温箱5与第三截断法兰28之间设有第一三通阀门6及第四温度传感器29，第二三通阀门7与第三三通阀门20相连，第一三通阀门6与第四三通阀门24相连。

成分分析仪器联用子系统包括气相色谱质谱仪3、与气相色谱质谱仪3的进样口相连的减压阀门34、与减压阀门34相连的氮气阀门33、插设在密封法兰10上并与气相色谱质谱仪3的进样口相适配的固相微萃取针筒12、分别插设在密封法兰10及蒸发冷凝器筒19上的第一长杆温度传感器18及第二长杆温度传感器38、分别与第二截断法兰16及四通阀门35相连的第二两通阀门17以及与第二两通阀门17相连的气泵1。

基于该装置的分析方法，包括综合性能分析步骤及成分分析步骤。综合性能分析步骤包括抽真空过程、称重过程、平衡吸附过程、吸附量测量过程、吸附平衡线测量过程、制冷量测量过程、制热量测量过程及发电量测量过程，成分分析步骤包括固相微萃取过程及成分提取与气相色谱质谱分析过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。