圖1. 汽化過(guò)程的三個(gè)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(guò)程及如何通過(guò)控制變量（溫度、壓力和流量）來(lái)確保有效進(jìn)行汽化并得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

蒸發(fā)與汽化

將純液體樣品快速轉(zhuǎn)化為純蒸氣 ，而不改變成分的過(guò)程即為汽化。 蒸發(fā)與汽化的區(qū)別是：蒸發(fā)是隨著溫度的升高逐漸發(fā)生的，而汽化是隨著壓力的下降瞬時(shí)發(fā)生的。在混合樣品中，蒸發(fā)會(huì)使某些混合物先于其他成分蒸發(fā)，產(chǎn)生分餾；而汽化能確保所有混合物同時(shí)汽化，保持樣品的成分。一旦混合物樣品發(fā)生分餾，就不再適合進(jìn)行分析。常見(jiàn)的分餾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(wú)法準(zhǔn)確代表所取的樣品。

汽化過(guò)程

汽化過(guò)程一般通過(guò)汽化調(diào)壓閥（也稱汽化器）進(jìn)行，減壓調(diào)壓閥能夠在準(zhǔn)確位置將熱量傳輸給樣品。

汽化過(guò)程分為三個(gè)階段（見(jiàn)圖1）：

液體樣品進(jìn)入汽化器（此時(shí)液體不應(yīng)起泡或沸騰）。

液體經(jīng)汽化器的調(diào)節(jié)孔，壓力急劇下降，使液體汽化，同時(shí)供給熱量，使其保持氣態(tài)。

氣態(tài)樣品從汽化器流出，進(jìn)入分析儀讀數(shù)。由于轉(zhuǎn)變突然，汽體與液體成分相同，可確保讀數(shù)準(zhǔn)確。該過(guò)程非常敏感，有很多變量可影響其結(jié)果。

假設(shè)主要有兩組輸入值，第一組輸入值涉及樣品的成分。根據(jù)樣品的成分，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(guò)程。第二組輸入值涉及取樣系統(tǒng)中控制的各項(xiàng)設(shè)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(zhuǎn)子流量計(jì)（變截面流量計(jì)）和針閥控制。根據(jù)對(duì)第一組輸入值所了解的信息設(shè)置這些輸入值。正確的汽化要求保持所有輸入值的平衡。當(dāng)然，即便按照上述方式操作，仍可能產(chǎn)生誤差，下文將討論如何診斷和解決這些問(wèn)題。

充分了解樣品

通過(guò)相位圖即可了解第一組輸入值，相位圖可以標(biāo)繪壓力和溫度，顯示在任意一對(duì)條件下物質(zhì)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(shè)置。

圖2為含20%己烷的戊烷相位圖。當(dāng)樣品高于始沸點(diǎn)（藍(lán)色線）時(shí)，則全部為液相；當(dāng)混合物低于露點(diǎn)（金色線）時(shí)，則全部為汽相。樣品離開汽化器時(shí)必須全為汽相。始沸點(diǎn)和露點(diǎn)線之間的部分為不過(guò)端區(qū)，該區(qū)域是樣品的沸騰范圍。混合物在此區(qū)域處于兩種狀態(tài)：一部分為液相；一部分為汽相。樣品一旦進(jìn)入不過(guò)端區(qū)，即被分餾，不再適合進(jìn)行分析。汽化的目標(biāo)是設(shè)置溫度、流量和壓力，使樣品瞬時(shí)從不過(guò)端區(qū)的液相側(cè)跳到不過(guò)端區(qū)的汽相側(cè)。

純樣品的始沸點(diǎn)和露點(diǎn)線緊密相連，幾乎沒(méi)有沸騰范圍或不過(guò)端區(qū)。無(wú)論通過(guò)蒸發(fā)還是汽化，都會(huì)轉(zhuǎn)化為相同成分的蒸汽。若工業(yè)樣品能接近這種純度，則非常容易轉(zhuǎn)化。相反，有些樣品的不過(guò)端區(qū)非常寬，既不能從液相側(cè)直接跳到汽相側(cè)，也不能通過(guò)控制變量來(lái)避免分餾，以至于無(wú)法成功汽化。大多數(shù)樣品都處于這兩個(gè)極端之間，如圖2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，就能使樣品有效地從液相側(cè)跳到汽相側(cè)；同時(shí)，圖2中的這一區(qū)域又相當(dāng)寬，因此需熟練控制各個(gè)變量，以免將樣品置于不過(guò)端區(qū)。

設(shè)置溫度、壓力和流量

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

確定汽化器的進(jìn)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(jìn)液沸騰的情況下保持更高的汽化器溫度。

設(shè)置進(jìn)口溫度，或汽化器的溫度。該設(shè)置有兩個(gè)要求：第一，溫度必須足夠低以便樣品進(jìn)入汽化器時(shí)完全處于液相且不起泡。圖2中4bar時(shí)的始沸點(diǎn)是88℃，要建立一個(gè)緩沖，則選擇80℃（距離88℃足夠遠(yuǎn)的一個(gè)約整數(shù)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(jù)能量守恒定律，汽化樣品時(shí)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。圖2中壓力下降后的蒸氣溫度是60℃，正好處于露點(diǎn)線的氣相側(cè)。

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。圖2中出口壓力設(shè)置為1.5bar，若出口壓力再高一點(diǎn)兒，樣品將不能汽化完全。

設(shè)置流量。流量在下游的閥門和轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)置。在取樣系統(tǒng)中，最好設(shè)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(dǎo)致汽化時(shí)的溫度下降更大，需要更多熱量來(lái)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(gè)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(dāng)樣品轉(zhuǎn)化為蒸氣、溫度下降時(shí)，會(huì)從周圍的不銹鋼吸收熱量，而汽化器恢復(fù)該熱量并將其傳輸給樣品的效率則是關(guān)鍵問(wèn)題。樣品能夠吸收的熱量越多，在汽化過(guò)程中溫度的下降就越小。有時(shí)汽化器的外面溫度較高，但內(nèi)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(wú)法傳輸保持溫度所需的足夠熱量。解決此類問(wèn)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(chǎn)物。有了優(yōu)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(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單方法計(jì)算，也沒(méi)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)盡量降低流速，同時(shí)避免造成樣品到分析儀行進(jìn)時(shí)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(jù)相位圖可估算溫度、壓力和流量的設(shè)置，但仍然需要一些故障排除方法。其中一個(gè)確定的故障因素是分析儀結(jié)果重復(fù)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(guò)汽化器并滯留在下游的卡套管中，最終蒸發(fā)。蒸發(fā)時(shí)會(huì)從周圍卡套管吸收熱量，使卡套管結(jié)霜或結(jié)冰。在很多情況下，汽化器下游的液體可能會(huì)穿過(guò)汽化器進(jìn)入流量計(jì)和過(guò)濾器等元件，造成相當(dāng)大的損壞。解決問(wèn)題的最佳選擇是降低流速，也可通過(guò)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(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

樣品在汽化器進(jìn)口沸騰

樣品在汽化之前分餾。較輕的分子蒸發(fā)，形成“蒸汽墻”將液體回推，部分蒸汽墻冷卻凝結(jié)，最終液體樣品重新流向汽化器，汽化器中較輕的分子蒸發(fā)，再次循環(huán)。同時(shí)，較重的分子向分析儀移動(dòng)，造成讀數(shù)不準(zhǔn)確。汽化器進(jìn)管顫動(dòng)，測(cè)量值出現(xiàn)波動(dòng)。上述問(wèn)題可通過(guò)降低汽化器溫度來(lái)解決。

小結(jié)

汽化樣品是取樣系統(tǒng)中最為常規(guī)的操作之一，其過(guò)程是較為復(fù)雜的，但通過(guò)對(duì)其具體過(guò)程的了解，尤其是通過(guò)對(duì)可能影響汽化結(jié)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。