标准气体的制备

丛 林，韩 薇，柳 蔚

标准气体的制备

丛 林，韩 薇，柳 蔚

(中昊光明化工研究设计院有限公司 高纯氨研究中心，辽宁 大连 甘井子 甘北路 34号 116031)

介绍了标准气体的制备方法、装置，强调了我国标准气体属地化供应的必要性，指出了标准气体生产必需的行政程序。对标准气体制备所必须的工装设备进行了描述。

标准气体；比较器；配气装置

国家对危化品的管理日趋严厉和完善，这对于组成复杂、用量少、使用点分散的标准气体的运输带来严重的挑战。无疑标准气体的属地化供应具有十分广泛的意义，同时从事工业气体生产、销售的利润不断下滑，导致许多的公司转向标准气体的生产，针对目前标气领域存在的许多问题，下面就如何开展标准气体项目的一些情况介绍一下。

1 标准气体制备的人力准备

同工业气体生产、分销相比，标准气体行业最明显的特点是从业者必须对气体理论有着十分深厚的理论功底，几乎每一瓶标准气体产品都因组成、浓度、甚至钢瓶体积不同而彼此有所区别，每一瓶气体都需要认真的计算，配气人员对标气制备的充装压力、充装质量、充装顺序等各种参数都需要在配气前进行严格的计算设计，对所用的各种原材料做全部杂质的检测，并且分析方法、分析仪器的精度都要满足原料、产品的要求。

配好后有些标准气体产品必须要做出厂的分析验证，若没有很好的配制、检测专业水平，很难保证所配制的气体准确、稳定、可靠。随着竞争的加剧，过去简单的配气手段及方法难以存在下去。

同普通的乙炔生产决然不同，乙炔气体生产需要检测有数的几种指标，检测方法、仪器几乎几年不变，标准气体的检验内容涵盖了客户的所有气体中可能存在的各种杂质，涉及的方法各式各样。由于标准气体的复杂性，即使是名校毕业的优秀大学生，如不经严格的专业化培训也无法胜任此类工作。开展标准气体制造初期至少需要两名专科以上学历的化学类专业的人员，并经系统的专业化学习，才能初步掌握标准气体制造的基本理论。同时团队也需要数名有着多年从事气体相关作业，头脑清楚的操作人员，达不到此要求，只能开展有数几种简单品种的标气生产。

配气团队工作具体分工是：一名人员进行理论计算及配制结果处理，一名根据计算设计负责充装、称量，另外一名配合操作人员进行操作。转型期的工业气体单位领导，必须改变以往的管理模式与思维习惯，除了保证有效的投资外，必须下大力气加强对技术人员的选拔、培养、使用，避免培养后的人员过于流动，笔者觉得在目前的大环境下留住人才，这是一个必须高度重视的问题。

2 标准气体制备需要的设备

专业人员确定后，配制气体另一个重要的方面是如何确定有效的配气设备，目前国际上采用的是国际公认的重量法配制标准气体，依据的是ISO 6142 《气体分析 校准用混合气体的制备 称量法》，如何保证称量的准确，无疑称量器的准确稳定是至关重要的因素。传统配气几乎都采用的是天平，随着市场对各类标气的需求，各类机械或电子天平因其最小称量值无法满足低浓度ppm(10-6)级别标准气体的生产，近几年最新出品的质量比较仪已被国际同行普遍采用，新建标准气体公司的管理者必须获取最新的行业信息，切不可被供应商或所谓的“专家”忽悠，购买过时的产品，经验证明即使是同类产品其性能因用途不同而相差较大。目前我国对质量比较仪已经有了鉴定规程：JJF 1326—2011《质量比较仪校准规范》，这将有力推广比较仪在气体配制领域的推广力度，有利提升我国计量水平的国际化水平。如何配置公司各种规格的称量器具，使得有限资源能合理应用，做到多快好省，这也需结合市场、资金等诸多因素认真研究确定。

称量器具确定后，组分气体经过认真的计算，如何将其准确导入气瓶，这就需要耐高压、耐真空、耐腐蚀可控制的配气装置来实施。所谓的称量法实际是“分压—称量”方法的结合，装置确保一定压力的气体入瓶，天平则是准确称量进入瓶内气体的质量，配气装置看似简单，它的重要性作用经常容易被外行看低，实际装置上要做的安全、可靠、实用也非易事，配气设备要接触各类不同物性的气体如硅烷、砷烷、氯气、二氧化硫、一氧化氮、氟化氢、氯化氢等，它涉及到安全、耐用、美观、经济等诸多要素，因此，必须要十分关注。下面就配气设备所涉及的内容做一介绍。

2.1 装置外形

配气装置正面对称设置几块各级量程的标准压力表，分成上下两排，配置一块真空计。面板上压力表下方装有几个控制阀门，也分上下二排，下排左起为原料控制总阀、放空阀、抽空阀及真空计控制阀；上排分别为真空表，注射取样口，及其它低量程压力表控制阀(0～16 MPa高压标准压力表未设控制阀)。注射取样接头设置在上排控制阀的正中间。上排压力表的中间部位有二个电源开关指示灯。控制阀下方的中间部位有二个真空泵关停按钮。配制装置有一操作平台，可以安放记录本及做操作记录之用。左右二个侧面各设置一块高压压力表和几个控制阀，以作原料或产品气的压力观察及操作控制之用。整个装置外形力求美观漂亮、紧凑，色泽悦目，布置相宜，操作方便。

2.2 阀门

阀门是配气装置的重要部件之一。它不仅要求有高的密封性，还要求耐腐蚀、耐用，如果泄漏或局部损坏，要便于检修。国外进口的阀门在密封性方面确实不错，外观也漂亮，但是价格昂贵，而且非常娇气，一旦气体中夹带灰尘、粒子及铁锈之类，阀门的密封面很容易被损坏，阀门就泄漏了。而且每个阀门的零件不能互换，只能整体报废。

进口阀门仅适用于某些特定气体，适用性小，对于不同性质的一些腐蚀性气体需不同的材质或结构的阀门。这种中看不中用高档阀门，至少不太适合目前国内的实际情况。根据我国标准气体组分复杂的生产特点,我院自行设计的不锈钢膜片式隔膜阀，有良好的密封性，而且可以克服上述部件不能互换的缺点。阀门是经常使用及活动的部件，某些部位易于磨损,甚至于因接触腐蚀、氧化种类的气体造成阀门内部零件的损害，因此局部泄漏是不足为奇的。按照操作实践，有时泄漏往往是膜片损坏引起，只要更换膜片，片刻就完好如初。阀头及密封面很少出现问题(即使出现问题，只要更换阀芯填料就行)。而且本隔膜阀可以适用于各种高腐蚀性(NOx、SO2、NH3、F2、HCl、HF、Cl2)、高毒性化学物质的配制，适应性很广。不锈钢隔膜阀价格与国外阀门相比便宜得多，外观也很漂亮。

2.3 管线、接头

配气装置的管线要求密封性好、洁净度高、耐腐蚀且有足够的耐压强度。为了减少原料气特别是贵重原料气的损失，设计安装时还要求管道总容积尽可能的小。本装置的管线都由不锈钢管构成，连接部分都采用不锈钢氩弧焊，与阀门的连接采用奶头式卡套件，拆装方便，密封性也能保证。管线在安装前内壁都经过抛光，它和接头在使用前还进行过严格去油、去污等的洁净处理。为了确保配气的质量，装置的所有阀门、管路都要进行严格的硅烷化处理，该技术一般为企业专有技术，该技术在气瓶的内壁处理得到广泛的推广。

管线与外界的连接接头需要标准化，这样不仅可以与市场上各种软管及卡子相连，而且还可以很方便与配套的气体终端纯化装置连接。终端纯化是标准混合气配制重要技术措施之一。终端纯化装置在配制诸如氮中微量氧；氢、氦中微量氧、氮、一氧化碳；氧中微量烃；氩中微量氧、氮等具有非常大的作用。例如要配制N2中1～2 ppm的O2，瓶装高纯氮中有时本身就含有2 ppm以上的O2，所以如果不将高纯氮进行终端纯化，就很难配制这种标准混合气了。经过终端纯化，可使氮中氧脱除到小于1 ppm，因为稀释气本身变成“无氧”了，配制1～2 ppm，甚至小于1 ppm的氧就方便多了。

除了上述所列配制气体外，还有其它组分有时也需要终端纯化，例如要配制乙炔混合气，高压纯乙炔原料气市场上很难买到，因为高压纯乙炔容易发生分解爆炸，所以一般气体公司不生产或灌装高压纯乙炔，能买到的也只是低压的，压力低于1.0 MPa，但是焊接用乙炔，市场可随意买到，但此种乙炔气不仅含有丙酮，而且含有几十～几百甚至上千ppm空气、甲烷等杂质，如果采用终端纯化技术，乙炔原料气就可自己解决了。

所以配气装置上设置可以与终端纯化装置相连接的接头是十分必要的。

2.4 压力表

配气装置上设置的压力表都为标准压力表，以便于用分压法配制标气。根据不同量程的测压需要，因此设置四块不同量程的压力表。压力表的精度都为0.25级，此精度为当前国内最准确的压力表。国内精密压力表生产厂家较多，质量相差甚远，在选购时要高度的注意，否则容易发生安全方面的事故。我们曾用某合资企业的精密压力表，在固定时轴部的接头部分竟开裂扭断，若在高压下使用，其后果难以想象。

压力表表面直径15 cm，为了便于拆装，接头部分设置是轴向进入的。 之所以压力表都设置为标准表，其理由正如上面已经叙述的，以便于用分压法配制标准混合气。分压法配制标气与称量法比较其速度快得多，当配制标气数量很大时，称量法有时就显得力不从心，此时用分压法，就快速得多。但分压法必须与比较法相结合。即必须有一整套高精度的分析仪器相配合。这时才能充分发挥分压法的作用。分析仪器所用的标气，则用称量法配制，有时还从好几家购入，甚至从国外有名公司购入，以便于准确比对定标。国内同行也有采用压力传感器替代传统的压力表，但其探头能否因腐蚀造成测量误差，是否具有较好的线性，有待于继续的考察，相信随着仪表技术进步与发展各类压力测试仪器必然会大量出现。

2.5 注射取样口

配制ppm级常温下饱和蒸气压很低的液体的标准混合气，常规的稀释法已无能为力，因为该组分饱和蒸气压很低，无法配制出浓度较高的中间稀释气，此类标气需用其它特殊方法配制。

它的一般的配制方法有二种：安瓿瓶法和注射法。安瓿瓶法就是用微型天平称取一定质量(一般为数毫克)要配制的组分，放入至安瓿瓶中然后封死，装入至瓶内(卸去阀门，从瓶口放入)，之后装好阀门，抽空，充入稀释气，上下摇动气瓶，将安瓿瓶打碎，安瓿瓶中液体就逐渐挥发至稀释气中，这标准气就配好了。另一种是采用针管称取一定质量的液体从专门接头注入至气瓶内，然后充入稀释气。这二种方法都可采用，视本单位具体条件而定。而ppm级常温下为气体的组分也可用注射法配制。对于总压很低，组分浓度也很低的标气用通常的稀释法，显得稀释次数太多，所花时间太多，而且积压过多的中间稀释气瓶，如果配制单位有足够的分析仪器条件，此种情况下，可用针管抽取一定数量气体，用注射法配制。配制好的标气再用比较法定标。这种配制方法就比单纯的稀释法快捷得多。

对于配制常温下易于液化组分的标气，有时需要一边充填一边称量以便随时观察充入质量的大小。因为易于液化的组分，在充入时，仅增加质量，压力表的读数反应不敏感。这就需要一种特殊的充瓶卡子，使充入质量不受外界的影响。

3 分析仪器的购置

检测仪器对于标准气体生产至关重要，转型期的气体公司仪器选购存在两个问题，一是觉得仪器太贵，不知何时能够赚回仪器成本，显得没有信心；另一类是财大气粗不惜血本疯狂采购大型仪器，这两点都不正确，第一种观点居多，实际上随着我国制造业尤其是危化品行业的发展，行业门槛不断提高，避免目前我国同类产品生产厂家太多相互无序竞争的局面，要进入特气门槛，必须具备应有的仪器。第二种的老板笔者见过很多，由于对仪器功能不了解，尽管仪器购买了，但许多功能不具备。建议在买仪器时最好找业内人士多研究，多比较合理配置，尽量发挥仪器的功效，减少无谓的花销。

4 资质的获取

标准气体属于计量管理范畴，它是用户产品检测定性、定值的标准物质，起到“尺子”的作用，标准气体的准确性如何，严重影响用户测量的准度。同时标准物质的生产者必须获得政府许可的制造资质，否则属于非法行为，用户也不敢采用，因受到严重的惩罚，标准物质的获取必须建立在上述人力、设备、仪器完整基础上才有可能申报。

标准物质种类繁多，确定申请哪类标准物质主要取决于企业未来的目标市场，然后组织撰写标准物质研制报告，根据相关规定提供系列的资料，经过答辩等规定环节，合格后国家质检总局颁发公司拥有的标准物质证书，给公司研制的标准气体一个特定的编号，自此企业具备了生产标准物质的合法地位。

5 结 论

针对许多工业气体公司转型特气制造公司过程中存在的问题，介绍了标准气体制备过程所涉及的几个重要环节。相信通过认真的转型，许多气体公司会在工业气体的基础上，为中国标准气体区域化发展做出辉煌的业绩。

[1] 孙福南，吴江红，冯庆祥.新型标准气体配气装置研制[J].2007，25(4)：19-22.

Preparation of Standard Gases

CONG Lin,HAN Wei,LIU Yu

(Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Dalian 116031,China)

The preparation method and device of standard gas are introduced.The necessity of localized supply of standard gas in our country is emphasized,and the necessary administrative procedure for standard gas production is pointed out.The tooling equipment necessary for the preparation of standard gases is described.

standard gas; comparator; gas distribution device

2017-07-01

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0031-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.010

丛 林(1984)，男，本科学历，助力工程师。现工作于中昊光明化工研究设计院有限公司高纯氨研究中心。