CN101352660B - 一种低浓度气体的配制装置及配制方法 - Google Patents

Abstract

一种低浓度气体的配制装置，由毛细管及三通或二通式气密性接头连通载气钢瓶、质量流量控制器、加热扩散瓶、加热器、混气罐组成；所述加热扩散瓶通过毛细针管的出口端与主体气路毛细管连接，并且根据配制气体组份种类和数目组装设置相应数目和参数的扩散气控制部分。本发明装置采用扩散稀释式动态配气法，具有成本低、操作简单、耗气量小、配气稳定、应用广泛的特点。

Description

一种低浓度气体的配制装置及配制方法

技术领域

本发明属于气体制备技术领域，涉及一种低浓度气体配制装置及方法，具体是指一种利用物质挥发或升华扩散特性实现低浓度气体的配制装置和方法。

背景技术

低浓度气体广泛应用于实验研究和产品检验中。低浓度特定气体可用于气敏材料性能的检验、分析仪器的检验校准等，低浓度烟气可应用于火灾、有毒气体报警器的检验。此外，低浓度气体可广泛应用于环境保护、国防计量以及实验研究。在气敏材料研制过程中，低浓度气体作为材料性能检验必不可少；在分析仪器的检验校准中，具有稳定浓度的低浓度气体关系到检验校准结果的准确性；而在环境类实验研究中，由于大气环境中有害气体浓度相对于工业废气排放口的较低，往往需要考察低浓度气体的降解、污染特性，研发具有操作简易、安全性好、成本低廉、配气稳定性高等优点的低浓度气体的配制装置及方法至关重要。

目前主要配气方法有静态配气法与动态配气法。

静态配气法主要有：称量法、静态容量法、分压法等。它是一种把一定量的原料气加入已知容积的高压或加压容器中，再充入稀释气体混匀而制得，必要时采取风扇等搅拌装置帮助容器内气体达到平衡。目标气体浓度根据加入原料气和稀释气量及容器容积计算得到。这种配气法的优点是设备简单、操作容易，但由于挥发源取样量限制，这种方法不能实现小体积配气室的低浓度配气，一般用于大体积的间歇反应实验研究，此外，由于配气室的吸附问题，往往配制浓度与计算浓度有一定偏差，尤其是在配制低浓度气体时误差较大，并且配制的气体浓度范围也受到一定的限制，也不适用于目标气体用量较大或通气时间要求较长的情况。

动态配气法主要有流量比混合法、渗透法、扩散法、定体积法、电解法等。这种方法使已知浓度的原料气与稀释气按恒定比例进入混合器混合，从而连续不断地配制并供给目标气体，根据稀释比计算得出目标气体的浓度。动态配气法适用于配制低浓度的标准气，可用于用量较大或通气时间要求较长的场合。一种多路渗透式配气装置(CN 1765474A)介绍了一种由本底载气源、气体选通系统、气体流量控制装置、一室多腔/管渗透室、集气装置组成的多路渗透式配气装置。该装置具有结构简单、操作简单以及可同时配制不同规格和/或不同浓度的混合气体等优点，但该法存在如下不足：渗透管在使用前需在恒温系统中平衡较长时间，且随使用时间和次数的增长渗透管会趋于耗尽，不仅使渗透率发生变化，而且也需要不断更换渗透管；采用一室多腔/管渗透室使得在配制混合气体时渗透管温度与气体流量相互调节变得复杂。渗透管快速动态配气装置(CN 2421650Y)提供了一种利用渗透管快速配气的装置及工艺，针对内渗式配气装置，将渗透管、恒温室、气路组合为整体结构，通过快速插接头实现渗透管的更换，结构简单紧凑，使用方便，但配制不同气体时仍需更换渗透管，操作较繁琐。高精度混配气及供气装置(CN 2555922Y)公开了一种高精度混配气及供气装置，利用平行气路通过多位转换阀实现单套配气装置混配不同混合气体的目的，其对于流量较大的混配气供气体系具有供气均匀稳定的优点，但该装置不适用于含有高沸点(常温液态)组份混合气体的制备。

综上，上述配气方法不是存在气路复杂、操作繁琐、运行成本高、工艺不够成熟等问题，就是存在无法配制高沸点气体组份、稀释气耗量大、可配气体类型有限以及存在由气源、传质、吸附等引起的稳定性不理想等问题。鉴于当前低浓度气体在环境保护、气敏材料研发、仪器检验校准、安全生产、国防计量以及科学研究等领域的广泛需求，发明一种成本低、操作简单的低浓度精确配气装置具有显著的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明针对目前低浓度气体配制难度大、配气不稳定、操作复杂繁琐、耗气量大、适用气体类型有限等技术问题，提供一种采用扩散稀释式动态配气法的低浓度气体配制装置，该装置具有成本低、操作简单、耗气量小、配气稳定、应用广泛的特点。

本发明提供的低浓度气体配制装置，由载气控制部分，扩散气控制部分，气体浓度混合稳定部分等组成，上述各部分通过毛细管及三通或二通式气密性接头连通。载气控制部分包括载气钢瓶和质量流量控制器；扩散气控制部分包括加热扩散瓶和加热器，所述加热扩散瓶内置于液面稳定的加热器中，仅通过毛细针管的出口端与主体气路毛细管连接；气体浓度混合稳定部分为混气罐。本装置各部分作用及气体流动过程如下：载气控制部分的载气钢瓶内排出的载气通过质量流量控制器精确控制流量，形成恒定流量的稀释载气，并经过主体气路毛细管流向扩散气控制部分的毛细针管出口端；加热扩散瓶中气体源物质经加热后挥发出米的气体扩散至气体源物质上部的瓶内空间，形成的饱和蒸汽压气体经毛细针管扩散至出口端；出口端的气体在流经出口端的具有指定流量的稀释载气的稀释吹扫作用下经主体气路毛细管一道进入混气罐形成所需配制的低浓度目标气体。

本发明所述的装置可以根据目标气体组份种类数目设置相应数目的扩散气控制部分，数量在1～10个。

本发明所述的加热器为恒温水浴槽、恒温水浴锅、恒温电热套、多功能恒温循环水浴设备或智能型高低温液浴槽等可精确控制温度的设备；并通过配套的水循环系统实现水浴液面的稳定，多个加热器构成多路恒温浴热装置。

本发明所述的加热扩散瓶采用石英、聚四氟乙烯、玻璃等非吸附性或低吸附性耐温材料。加热扩散瓶浸没于水浴或液浴液面以下，或者完全包裹于加热器中，仅通过毛细针管与主气路连通，多个加热扩散瓶放置不同气体源物质。

本发明所述的毛细针管为采用不锈钢材质的类似注射针头的硬质毛细尖管，与扩散瓶气密连接，并在瓶颈细口径出口处内嵌乳胶塞、硅胶塞等以提高气密性。通过二通式接头实现毛细针管出口端与主体气路毛细管的连接，毛细针管的长度为3～20cm，内径为0.1～0.8mm。

本发明所述的用于装置各部分连接的毛细管的管径大小和长度可根据配制气体浓度要求进行选择，通过改变毛细管长短及管径，可有效实现气体浓度的调控。毛细管(6)总长度为(80～250)×N cm，其中N＝1～10，N为所需配制的气体中组份种类的数目，毛细管(6)的内径为0.1～2.0mm。

本发明所述的用于装置各部分连接的毛细管采用对原料气体、载气惰性及非吸附或低吸附材料(如不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃和铝等)，可根据源气体、载气种类和配制要求实现不同材质类型的毛细管的组合使用，即可根据源气体和载气气体性质在各自气路及混合气路采用最合适的材质类型的毛细管。

本发明所述的混气罐采用射流传质方式以使目标气体混合均匀，即气体经过孔径较细的毛细管、喷嘴或管道流入较大容积的混气罐中。

本发明所述的装置在实际实施过程中还可增加扩散气控制部分的数量，以实现多种气体的低浓度混合配气(参见实施图2、3)。

本发明所述的装置的低浓度气体配制方法，根据目标气体组份种类配制要求选择相应数目设置的扩散气控制部分、适合的毛细针管及毛细管的管径、长度、材料的气体配制装置，将气体源物质装入加热扩散瓶中，扩散瓶内置于加热器中并保持加热器液面相对稳定，通过加热器精确控制扩散瓶中气体源物质指定的温度，打开载气钢瓶压力表调节至指定压力，并通过质量流量控制器精确控制流量以形成指定流量的稀释载气，稀释载气经主体气路毛细管流向毛细针管出口端，将源气体吹扫稀释并继续经主体气路毛细管进入混气罐，待系统运行稳定后，混气罐出口的气体即为低浓度气体。

本发明所述气体源物质为挥发性有机物和无机物中的一种或一种以上。挥发的有机气体源物质包括甲烷卤代物、乙烷卤代物、丙烷卤代物、丁烷卤代物、戊烷及其卤代物、己烷及其卤代物、庚烷及其卤代物、辛烷及卤代物、壬烷及其卤代物、癸烷及其卤代物、5个(含)以上碳原子的环烷烃及其卤代物、5个(含)以上碳原子的烯烃类及其卤代物、醇类、醛类、醚类、苯及苯系物、苯酚及其卤代物、氟利昂、呋喃和萘。挥发的无机气体源物质包括氯化氢、氟化氢、二硫化碳、碘蒸气、汞蒸气和氨。

本发明所述加热器精确控制扩散瓶中气体源物质指定的温度为10～200℃。

本发明装置可用于气相色谱、GC/MS、PTR-MS仪器设备、产品检验测试所需的环境舱、模拟建筑、汽车和潜艇舱等室内微环境、环境保护监测、科研实验等需要低浓度气体的场合。

本发明的优点是：

1、运行稳定，系统正常运行时出口浓度变化小于±5％。

2、配气浓度低，可配制气体浓度小于0.01mg/m³。

3、适用范围广，采用该方法扩展了配气的气体源物质，可实现利用纯液态气体源物质或固态晶体气体源物质配制相应的低浓度挥发性有机、无机气体。

4、考虑到气体源物质的挥发(或升华)扩散特性与温度的关系，设置了多路恒温浴热装置，避免了单一温度下通过调节稀释气体流量来调节目标气体浓度所带来的使气路稳定性波动较大的结果。

5、采用扩散稀释式动态配气法，连续稳定供气时间长达48h以上，并且通过预先通入稀释载气可有效克服吸附因素影响。

6、气体稀释比例范围宽，可连续调节变换气体浓度。

7、采用质量流量控制器精确控制各气路气体流量，实现气体的质量流量控制，配制的气体不受环境温度和压力的影响。

8、根据气体组份的不同，选择了合适的毛细管和毛细针管材质，提高了精确度。

9、采用了浴热(包括水热和溶剂热)，提高了恒温装置的温度，可配制含高沸点组份的单种气体或混合气体。

10、可以根据目标气体组份种类数目设置相应数目的扩散气控制部分，操作简捷，且扩散瓶可以重复使用。

11、用气量省，仅需0.5～1h即可实现稳定运行，耗气量小。

12、操作简单，安全高效，运行成本低。

附图说明

图1、本发明中单种气体配制装置示意图

图2、本发明中含两种组份的复合气体配制装置示意图

图3、本发明中含n种(n介于3～10之间)组份的复合气体配制装置示意图

图中1-载气钢瓶、2-质量流量控制器、3-毛细针管、4-加热扩散瓶、5-加热器、6-主体气路毛细管、7-混气罐

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进一步详细说明，但不作为对本发明涉及的技术方案的限制。

实施例1

应用图1的装置配制低浓度三氯甲烷。

图1是低浓度单种气体配制装置的实例图。1-载气钢瓶为高纯氮气钢瓶；2-质量流量控制器的量程为0～2L/min；3-毛细针管的长度为3～15cm，内径为0.1～0.3mm；4-加热扩散瓶容积为100～200ml；5-加热器的温度范围为30～95℃；6-毛细管采用的材质为不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃和铝中的一种或几种，总长度为150～250cm，内径为0.3～1.5mm；7-混气罐。

本实施例中低浓度三氯甲烷配制装置各部分参数及材料如下：3-毛细针管的长度为5～8cm，内径为0.1～0.2mm；4-加热扩散瓶容积为100～150ml；5-加热器为恒温水浴槽，水浴温度范围为30～65℃；6-毛细管采用聚四氟乙烯材料，总长度为150～200cm，内径为0.5～1.0mm。

本实施例中低浓度三氯甲烷配制流程如下：将液态三氯甲烷装入4-加热扩散瓶中，升温水浴至指定温度，1-开启载气钢瓶(高纯氮气钢瓶)，调节2-质量流量控制器为指定流量，稳定0.5～1h。共配气三次，配气结果见表1。

表1低浓度三氯甲烷配气结果

实施例2

应用图1的装置配制低浓度NH₃。

本实施例中低浓度NH₃配制装置各部分参数及材料如下：3-毛细针管的长度为5～10cm，内径为0.1～0.2mm；4-加热扩散瓶容积为150～200ml；5-加热器为带有制冷和制热系统的多功能恒温循环水浴设备，水浴温度范围为15～35℃；6-毛细管采用不锈钢材料，总长度为150～180cm，内径为0.3～1.0mm。

本实施例中低浓度NH₃配制流程如下：将液态NH₃装入4-加热扩散瓶中，升温水浴至指定温度，1-开启载气钢瓶(高纯氮气钢瓶)，调节2-质量流量控制器为指定流量，稳定0.5～1h。共配气三次，配气结果见表2。

表2低浓度NH₃配气结果

实施例3

应用图2的装置配制低浓度甲醛、苯的混合气体。

图2是另一低浓度复合气体配制装置的实例图。其中1-载气钢瓶为空气钢瓶；2-质量流量控制器的量程为0～2.5L/min；31-毛细针管的长度为5～15cm，内径为0.1～0.20mm；32-毛细针管的长度为3～15cm，内径为0.2～0.5mm；41、42-加热扩散瓶容积均为150～300ml；加热器51-为恒温水浴锅，水浴温度范围为30～60℃；52-加热器为恒温电热套，水浴温度范围为30～95℃；6-毛细管采用的材质为不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃和铝中的一种或几种，总长度为200～350cm，内径为0.3～1.5mm。配气的过程如下：将两种气体源物质分别装入41，42-加热扩散瓶中，开启51-加热器和52-水浴装置升温至指定温度，开启1-载气钢瓶，调节2-质量流量控制器至指定流量，稳定0.5～1h。该装置可实现两种低浓度气体的混合配气。

本实施例中低浓度甲醛、苯的混合气体配制装置各部分参数及材料如下：31-毛细针管的长度为8～12cm，内径为0.1～0.2mm；32-毛细针管的长度为5～8cm，内径为0.2～0.3mm；加热41，42-扩散瓶容积为200～250ml；6-毛细管按照载气控制部分、扩散气控制部分及气体浓度混合稳定部分的顺序依次采用不锈钢、不锈钢及聚四氟乙烯材质，各段毛细管通过二通式气密不锈钢接头连接，总长度200～250cm，内径分别为不锈钢毛细管0.4～0.8mm、聚四氟乙烯毛细管0.3～0.9mm。

本实施例中低浓度甲醛、苯的混合气体配制流程如下：将甲醛、苯分别装入41，42-加热瓶中，升温水浴至指定温度，开启空气钢瓶1，质量流量控制器2调节为指定流量，稳定0.5～1h。共配气三次，甲醛配气结果见表3，苯配气结果见表4。

表3低浓度甲醛配气结果

表4低浓度苯配气结果

实施例4

应用图3的装置配制含低浓度甲苯、三氯乙烯、萘、氟利昂-11和二硫化碳等5种组份的混合气体。

图3是另一种含n种组份(n介于3～10之间)的复合气体配制装置的实例图。其中1-载气钢瓶为高纯氮气钢瓶；2-质量流量控制器的量程为0～2.5L/min；31-第1扩散气路毛细针管、32-第2扩散气路毛细针管…、3n-第n扩散气路毛细针管；41-第1扩散气路加热扩散瓶、42-第2扩散气路加热扩散瓶、…4n-第n扩散气路加热扩散瓶，加热扩散瓶容积为150～500ml；加热器浴热温度10～150℃；51-第1扩散气路加热器、52-第2扩散气路加热器、…5n-第n扩散气路加热器；6-毛细管采用的材质为不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃和铝中的一种或几种。

配气的过程如下：将n种气体源物质分别装入相应41，42，…n-的加热扩散瓶中，开启51，52，…5n-加热器，浴热升温至各自事先设定的温度，开启载气钢瓶1，调节质量流量控制器2-为指定流量，稳定0.5～1h。该装置可实现含至少三种组份的低浓度气体的混合配气。

本实施例中低浓度甲苯、三氯乙烯、萘、氟利昂-11和二硫化碳的混合气体配制装置各部分参数及材料如下：载气钢瓶为高纯氮气钢瓶；质量流量控制器量程为0～2L/min；扩散气控制部分由5支扩散气路组成；毛细管采用的材质为不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃和铝中的一种或几种，载气控制部分采用不锈钢材质，气体浓度混合稳定部分采用聚四氟乙烯材质，扩散气控制部分按照甲苯、三氯乙烯、萘、氟利昂-11和二硫化碳支路的顺序依次采用聚四氟乙烯、不锈钢、铝、不锈钢、石英材质，各段毛细管通过二通式气密不锈钢接头连接，总长度为400～500cm，内径分别为不锈钢毛细管0.4～0.8mm、聚四氟乙烯毛细管0.3～0.6mm、铝质毛细管0.2～0.5mm、石英毛细管0.3～0.6mm；毛细针管长度4～10cm，内径0.1～0.5mm；加热扩散瓶容积为250～400ml；加热器浴热温度10～135℃。

本实施例中低浓度甲苯、三氯乙烯、萘、氟利昂-11和二硫化碳的混合气体配制流程如下：将甲苯、三氯乙烯、萘、氟利昂和二硫化碳的气体源物质分别装入41，42，43，44，45-加热扩散瓶中，升温浴热装置至指定温度，开启载气钢瓶，调节2-质量流量控制器为指定流量，稳定0.5～1h。共配气两次，结果见表5：

表5含5种组份低浓度气体配制结果

由表1～5可见，采用本发明所述的装置，可以实现低浓度气体的配气，配气浓度小于0.2mg/m³，相对误差小于±5％。

Claims (10)

1.一种低浓度气体配制装置，由载气控制部分、扩散气控制部分和气体浓度混合稳定部分组成，上述各部分通过毛细管(6)及三通或二通式气密性接头连通；其特征在于：所述载气控制部分包括载气钢瓶(1)、质量流量控制器(2)；所述扩散气控制部分，包括加热扩散瓶(4)、加热器(5)，加热扩散瓶(4)内置于液面稳定的加热器(5)中，通过毛细针管(3)的出口端与主体气路毛细管(6)连接；所述气体浓度混合稳定部分为混气罐(7)；本装置载气控制部分的载气钢瓶(1)内排出的载气，通过质量流量控制器(2)精确控制流量，形成具有恒定流量的稀释载气，并经过主体气路毛细管(6)流向扩散气控制部分的毛细针管(3)的出口端；加热扩散瓶(4)中的气体源物质，经加热后挥发出来的气体扩散至气体源物质上部的瓶内空间，形成的饱和蒸汽压气体，经毛细针管(3)扩散至出口端；出口端的气体在流经出口端的具有指定流量的稀释载气的稀释吹扫作用下，继续经主体气路毛细管(6)一道进入混气罐(7)形成所需配制的低浓度目标气体。

2.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：根据需配制的目标气体组份种类的数目，设置相应数目的扩散气控制部分，数量为1～10个。

3.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：所述加热器(5)为恒温水浴槽、恒温水浴锅、恒温电热套、多功能恒温循环水浴设备或智能型高低温液浴槽，精确控制温度；多个加热器(5)构成多路恒温浴热装置。

4.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：所述加热扩散瓶(4)采用石英、聚四氟乙烯、玻璃非吸附性或低吸附性耐温材料，加热扩散瓶(4)浸没于水浴液面以下，或完全包裹于加热器(5)中，仅通过毛细针管(3)与主气路毛细管(6)连通；多个加热扩散瓶(4)放置不同气体源物质。

5.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：所述各部分连接的毛细管(6)的管径大小和长度根据配制气体浓度要求进行选择，通过改变毛细管长短及管径，实现气体浓度的调控，毛细管(6)总长度为(80～250)×Ncm，其中N＝1～10，N为所需配制的气体中组份种类的数目，毛细管(6)的内径为0.1～2.0mm。

6.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：所述各部分连接的毛细管(6)采用对原料气体、载气惰性及非吸附或低吸附材料，包括不锈钢、聚四氟乙烯、石英、铜或黄铜、玻璃或铝；根据源气体、载气种类和配制要求实现不同材质类型的毛细管的组合使用。

7.根据权利要求1所述的低浓度气体配制装置，其特征在于：毛细针管(3)采用不锈钢材质的注射针头状的硬质毛细尖管，与扩散瓶气密连接，在瓶颈细口径出口处内嵌胶塞；毛细针管(3)的长度为3～20cm，内径为0.1～0.8mm。

8.权利要求1所述的装置的低浓度气体配制方法，其步骤是：将气体源物质装入加热扩散瓶(4)中，通过加热器(5)精确控制扩散瓶中气体源物质指定的温度并保持加热器(5)液面稳定，使瓶内气体源物质扩散至毛细针管(3)出口端；打开载气钢瓶(1)压力表调节至指定压力，通过质量流量控制器(2)精确控制载气至指定流量形成指定流量的稀释载气；稀释载气经主体气路毛细管流(6)向毛细针管出口端，将源气体吹扫稀释并继续经主体气路毛细管(6)进入混气罐(7)；待系统运行稳定后，混气罐(7)出口的气体即为低浓度气体。

9.根据权利要求8所述的低浓度气体配制方法，其特征在于：所述气体源物质为挥发性有机物和无机物中的一种或一种以上；挥发的有机气体源物质包括甲烷卤代物、乙烷卤代物、丙烷卤代物、丁烷卤代物、戊烷或其卤代物、己烷或其卤代物、庚烷或其卤代物、辛烷或其卤代物、壬烷或其卤代物、癸烷或其卤代物、含碳原子数大于或等于5个以上的环烷烃或其卤代物、含碳原子数大于或等于5个以上的烯烃类或其卤代物、醇类、醛类、醚类、苯及苯系物、苯酚及其卤代物、氟利昂、呋喃或萘；挥发的无机气体源物质包括氯化氢、氟化氢、二硫化碳、碘蒸气、汞蒸气或氨。

10.根据权利要求8所述的低浓度气体配制方法，其特征在于：所述气体源物质指定的温度为10～200℃。

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