气体混配充装技术研究

柯璋阳，朱程浩

(杭氧集团股份有限公司，浙江 杭州 310004)

1 前 言

中国特种气体市场规模从2010年的118.14亿元增长到2018年的296.49亿元，年平均增长率达22%，是全球特种气体市场增长速度的5倍[1]。随着国内制造强国政策的落实，中国工业升级换代的步伐进一步加快，高端电子特气、环境保护、医疗、电力用高精度标准气等高经济附加值特气市场规模正加速扩张[2]。

目前，国内气体厂家主要还是以生产大宗气体为主，具有较高经济价值的高端气体主要被外资公司所垄断，国内企业缺乏相应的技术和人才[3-7]。本文开发了特种气体混配设备，并将其用于空分标准气体的实际生产，取得了较好的生产效果。

2 标准混合气体

根据市场调研得知，目前气体市场上对高端特种气体的需求主要集中在高精度标准气体、医用特种气体、电子级特气、高纯稀有气体等，结合本文研究目的，以激光切割用标准气、10-6级空分用标准气混配技术为开发目标。

表1中列出了一些常见的激光切割用标准气组分以及10-6级空分用标准气，相对于一般工业混合气体，标准气对各组分气的体积浓度偏差要求更高。

表1 激光切割用标准气及10-6级空分用标准气(举例)

3 标准气体混配数学建模

标准气体混配是将不同状态参量的单质(或混合)气源按一定摩尔体积分数混匀，使混合气中各组分的摩尔体积比率满足实际需求。

讨论组分气源混配前后气体特征(压力p)的变化，引入van der Waals状态方程(1)。

(1)

式中，p为压力，Pa；Vn为摩尔体积，m3/mol；T为温标，K；a，b，R为常数，无量纲。

3.1 混合前后气体摩尔质量变化

对于某一固定组分混合气，摩尔质量M定义为：

(2)

由此特定成分组成的混合气气体常数Rg为：

(3)

依据式(2)和式(3)，即可按需要配制出由不同组分构成的混合气体。

3.2 混合前后气体压力变化

假设单质气体在n摩尔混合气中的摩尔质量为ni，并将其扩展到整个混合容器中，由此：

(4)

式中，pi为ni摩尔组分分压，Pa；Vi为ni摩尔体积，m3/mol；ai，bi为组分ni常数。

将式(4)改写成式(5)形式：

(5)

对于式(5)中的RT/(1-bi/Vi)，可展成infinite series形式，考虑到一般情况下，实际气体方程中a、b相对于其摩尔体积而言要小得多，因此可认为bi/Vi≤1，由此得式(6)：

(6)

将各组分分压相加，得到∑pi，如式(7)：

(7)

一般标准气混合压力在30～80 atm(注：1 atm=101.33 kPa)，如若不考虑组分气体分子之间相互作用影响，pi简化为：

(8)

由此：

(9)

当明确配气参数(所需标准气总压p、各组分气体积浓度率xi)后，可计算出所需各组分气的质量mi。

4 标准气体混配试验

本文探讨了标准气体混配工艺流程，设计开发了标准气体混配装置。

以标准气体混配为目标，设计了相应工艺流程路线，如图1所示，根据目前市场上高精度标准气体组分实际特点，设计了4个组分气输入流路(组分气Ⅰ～组分气Ⅳ)和1个平衡气输入流路。标准气体混配工艺流程考虑了设备启用前管道内空气的置换问题，在工艺流程中设计了系统吹扫管路，用于管路内空气的置换。

依据搭建的标准气体混配工艺路线(图1)，设计了标准气体混配装置。设计的高精度标准气体混配设备制造完成后，对配气精度进行了试验验证。

图1 标准混合气体混配工艺流程设计

以10-6级空分标准气、激光切割用标准气这两大类高经济价值特气为混配目标。试验以百分比组分气充装精度偏差不大于3%，10-6级组分气充装精度偏差不大于5%为评判标准。

选取表2中所列混合气体作为设计的标准气体混配装置组分气充装精度验证参照气体。

利用本文开发的标准气体混配设备配置表2中所列标准气体，配制后经色谱分析，组分气实际体积浓度如表3所示。

对比表2和表3之间数据，组分气体积浓度设计值与色谱测定值之间偏差[式(10)]如表4。从表4的对比中可以看出，百分比组分气精度偏差不大于3%，10-6级组分气精度偏差不大于5%，设计的标准气体混配装置达到预设精度偏差目标。

(10)

表2 混配试验选定特气组分

表3 选定特气组分实际体积浓度

续表3

表4 配制特气组分气体积浓度设计值与实测值偏差

5 总 结

1.讨论了标准气体混配过程，建立了特种气体混配过程的数学模型；

2.确定了标准气体混配工艺路线，并制造了相应设备；

3.利用设计的标准气体混配设备配制相关标准气体(百分比级、10-6级)，所配置标准气体组分气体积浓度与设计值相比较，偏差符合设计要求(百分比级组分气体积浓度偏差不大于3%，10-6级组分气体积浓度偏差不大于5%)。