氣體混配充裝技術研究

柯璋陽，朱程浩

(杭氧集團股份有限公司，浙江 杭州 310004)

1 前 言

中國特種氣體市場規模從2010年的118.14億元增長到2018年的296.49億元，年平均增長率達22%，是全球特種氣體市場增長速度的5倍[1]。隨著國內制造強國政策的落實，中國工業升級換代的步伐進一步加快，高端電子特氣、環境保護、醫療、電力用高精度標準氣等高經濟附加值特氣市場規模正加速擴張[2]。

目前，國內氣體廠家主要還是以生產大宗氣體為主，具有較高經濟價值的高端氣體主要被外資公司所壟斷，國內企業缺乏相應的技術和人才[3-7]。本文開發了特種氣體混配設備，并將其用于空分標準氣體的實際生產，取得了較好的生產效果。

2 標準混合氣體

根據市場調研得知，目前氣體市場上對高端特種氣體的需求主要集中在高精度標準氣體、醫用特種氣體、電子級特氣、高純稀有氣體等，結合本文研究目的，以激光切割用標準氣、10-6級空分用標準氣混配技術為開發目標。

表1中列出了一些常見的激光切割用標準氣組分以及10-6級空分用標準氣，相對于一般工業混合氣體，標準氣對各組分氣的體積濃度偏差要求更高。

表1 激光切割用標準氣及10-6級空分用標準氣(舉例)

3 標準氣體混配數學建模

標準氣體混配是將不同狀態參量的單質(或混合)氣源按一定摩爾體積分數混勻，使混合氣中各組分的摩爾體積比率滿足實際需求。

討論組分氣源混配前后氣體特征(壓力p)的變化，引入van der Waals狀態方程(1)。

(1)

式中，p為壓力，Pa；Vn為摩爾體積，m3/mol；T為溫標，K；a，b，R為常數，無量綱。

3.1 混合前后氣體摩爾質量變化

對于某一固定組分混合氣，摩爾質量M定義為：

(2)

由此特定成分組成的混合氣氣體常數Rg為：

(3)

依據式(2)和式(3)，即可按需要配制出由不同組分構成的混合氣體。

3.2 混合前后氣體壓力變化

假設單質氣體在n摩爾混合氣中的摩爾質量為ni，并將其擴展到整個混合容器中，由此：

(4)

式中，pi為ni摩爾組分分壓，Pa；Vi為ni摩爾體積，m3/mol；ai，bi為組分ni常數。

將式(4)改寫成式(5)形式：

(5)

對于式(5)中的RT/(1-bi/Vi)，可展成infinite series形式，考慮到一般情況下，實際氣體方程中a、b相對于其摩爾體積而言要小得多，因此可認為bi/Vi≤1，由此得式(6)：

(6)

將各組分分壓相加，得到∑pi，如式(7)：

(7)

一般標準氣混合壓力在30～80 atm(注：1 atm=101.33 kPa)，如若不考慮組分氣體分子之間相互作用影響，pi簡化為：

(8)

由此：

(9)

當明確配氣參數(所需標準氣總壓p、各組分氣體積濃度率xi)后，可計算出所需各組分氣的質量mi。

4 標準氣體混配試驗

本文探討了標準氣體混配工藝流程，設計開發了標準氣體混配裝置。

以標準氣體混配為目標，設計了相應工藝流程路線，如圖1所示，根據目前市場上高精度標準氣體組分實際特點，設計了4個組分氣輸入流路(組分氣Ⅰ～組分氣Ⅳ)和1個平衡氣輸入流路。標準氣體混配工藝流程考慮了設備啟用前管道內空氣的置換問題，在工藝流程中設計了系統吹掃管路，用于管路內空氣的置換。

依據搭建的標準氣體混配工藝路線(圖1)，設計了標準氣體混配裝置。設計的高精度標準氣體混配設備制造完成后，對配氣精度進行了試驗驗證。

圖1 標準混合氣體混配工藝流程設計

以10-6級空分標準氣、激光切割用標準氣這兩大類高經濟價值特氣為混配目標。試驗以百分比組分氣充裝精度偏差不大于3%，10-6級組分氣充裝精度偏差不大于5%為評判標準。

選取表2中所列混合氣體作為設計的標準氣體混配裝置組分氣充裝精度驗證參照氣體。

利用本文開發的標準氣體混配設備配置表2中所列標準氣體，配制后經色譜分析，組分氣實際體積濃度如表3所示。

對比表2和表3之間數據，組分氣體積濃度設計值與色譜測定值之間偏差[式(10)]如表4。從表4的對比中可以看出，百分比組分氣精度偏差不大于3%，10-6級組分氣精度偏差不大于5%，設計的標準氣體混配裝置達到預設精度偏差目標。

(10)

表2 混配試驗選定特氣組分

表3 選定特氣組分實際體積濃度

續表3

表4 配制特氣組分氣體積濃度設計值與實測值偏差

5 總 結

1.討論了標準氣體混配過程，建立了特種氣體混配過程的數學模型；

2.確定了標準氣體混配工藝路線，并制造了相應設備；

3.利用設計的標準氣體混配設備配制相關標準氣體(百分比級、10-6級)，所配置標準氣體組分氣體積濃度與設計值相比較，偏差符合設計要求(百分比級組分氣體積濃度偏差不大于3%，10-6級組分氣體積濃度偏差不大于5%)。