柯璋陽，朱程浩

(杭氧集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310004)

1 前 言

中國特種氣體市場規(guī)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(dá)22%，是全球特種氣體市場增長速度的5倍[1]。隨著國內(nèi)制造強(qiáng)國政策的落實(shí)，中國工業(yè)升級(jí)換代的步伐進(jìn)一步加快，高端電子特氣、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、電力用高精度標(biāo)準(zhǔn)氣等高經(jīng)濟(jì)附加值特氣市場規(guī)模正加速擴(kuò)張[2]。

目前，國內(nèi)氣體廠家主要還是以生產(chǎn)大宗氣體為主，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的高端氣體主要被外資公司所壟斷，國內(nèi)企業(yè)缺乏相應(yīng)的技術(shù)和人才[3-7]。本文開發(fā)了特種氣體混配設(shè)備，并將其用于空分標(biāo)準(zhǔn)氣體的實(shí)際生產(chǎn)，取得了較好的生產(chǎn)效果。

2 標(biāo)準(zhǔn)混合氣體

根據(jù)市場調(diào)研得知，目前氣體市場上對(duì)高端特種氣體的需求主要集中在高精度標(biāo)準(zhǔn)氣體、醫(yī)用特種氣體、電子級(jí)特氣、高純稀有氣體等，結(jié)合本文研究目的，以激光切割用標(biāo)準(zhǔn)氣、10-6級(jí)空分用標(biāo)準(zhǔn)氣混配技術(shù)為開發(fā)目標(biāo)。

表1中列出了一些常見的激光切割用標(biāo)準(zhǔn)氣組分以及10-6級(jí)空分用標(biāo)準(zhǔn)氣，相對(duì)于一般工業(yè)混合氣體，標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)各組分氣的體積濃度偏差要求更高。

表1 激光切割用標(biāo)準(zhǔn)氣及10-6級(jí)空分用標(biāo)準(zhǔn)氣(舉例)

3 標(biāo)準(zhǔn)氣體混配數(shù)學(xué)建模

標(biāo)準(zhǔn)氣體混配是將不同狀態(tài)參量的單質(zhì)(或混合)氣源按一定摩爾體積分?jǐn)?shù)混勻，使混合氣中各組分的摩爾體積比率滿足實(shí)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(tài)方程(1)。

(1)

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

3.1 混合前后氣體摩爾質(zhì)量變化

對(duì)于某一固定組分混合氣，摩爾質(zhì)量M定義為：

(2)

由此特定成分組成的混合氣氣體常數(shù)Rg為：

(3)

依據(jù)式(2)和式(3)，即可按需要配制出由不同組分構(gòu)成的混合氣體。

3.2 混合前后氣體壓力變化

假設(shè)單質(zhì)氣體在n摩爾混合氣中的摩爾質(zhì)量為ni，并將其擴(kuò)展到整個(gè)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(shù)。

將式(4)改寫成式(5)形式：

(5)

對(duì)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(shí)際氣體方程中a、b相對(duì)于其摩爾體積而言要小得多，因此可認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)明確配氣參數(shù)(所需標(biāo)準(zhǔn)氣總壓p、各組分氣體積濃度率xi)后，可計(jì)算出所需各組分氣的質(zhì)量mi。

4 標(biāo)準(zhǔn)氣體混配試驗(yàn)

本文探討了標(biāo)準(zhǔn)氣體混配工藝流程，設(shè)計(jì)開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)氣體混配裝置。

以標(biāo)準(zhǔn)氣體混配為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)工藝流程路線，如圖1所示，根據(jù)目前市場上高精度標(biāo)準(zhǔn)氣體組分實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4個(gè)組分氣輸入流路(組分氣Ⅰ～組分氣Ⅳ)和1個(gè)平衡氣輸入流路。標(biāo)準(zhǔn)氣體混配工藝流程考慮了設(shè)備啟用前管道內(nèi)空氣的置換問題，在工藝流程中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)吹掃管路，用于管路內(nèi)空氣的置換。

依據(jù)搭建的標(biāo)準(zhǔn)氣體混配工藝路線(圖1)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)氣體混配裝置。設(shè)計(jì)的高精度標(biāo)準(zhǔn)氣體混配設(shè)備制造完成后，對(duì)配氣精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)混合氣體混配工藝流程設(shè)計(jì)

以10-6級(jí)空分標(biāo)準(zhǔn)氣、激光切割用標(biāo)準(zhǔn)氣這兩大類高經(jīng)濟(jì)價(jià)值特氣為混配目標(biāo)。試驗(yàn)以百分比組分氣充裝精度偏差不大于3%，10-6級(jí)組分氣充裝精度偏差不大于5%為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

選取表2中所列混合氣體作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)氣體混配裝置組分氣充裝精度驗(yàn)證參照氣體。

利用本文開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)氣體混配設(shè)備配置表2中所列標(biāo)準(zhǔn)氣體，配制后經(jīng)色譜分析，組分氣實(shí)際體積濃度如表3所示。

對(duì)比表2和表3之間數(shù)據(jù)，組分氣體積濃度設(shè)計(jì)值與色譜測定值之間偏差[式(10)]如表4。從表4的對(duì)比中可以看出，百分比組分氣精度偏差不大于3%，10-6級(jí)組分氣精度偏差不大于5%，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)氣體混配裝置達(dá)到預(yù)設(shè)精度偏差目標(biāo)。

(10)

表2 混配試驗(yàn)選定特氣組分

表3 選定特氣組分實(shí)際體積濃度

續(xù)表3

表4 配制特氣組分氣體積濃度設(shè)計(jì)值與實(shí)測值偏差

5 總 結(jié)

1.討論了標(biāo)準(zhǔn)氣體混配過程，建立了特種氣體混配過程的數(shù)學(xué)模型；

2.確定了標(biāo)準(zhǔn)氣體混配工藝路線，并制造了相應(yīng)設(shè)備；

3.利用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)氣體混配設(shè)備配制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)氣體(百分比級(jí)、10-6級(jí))，所配置標(biāo)準(zhǔn)氣體組分氣體積濃度與設(shè)計(jì)值相比較，偏差符合設(shè)計(jì)要求(百分比級(jí)組分氣體積濃度偏差不大于3%，10-6級(jí)組分氣體積濃度偏差不大于5%)。