CN103674156A - 一种实验室微量气体的计量装置和计量方法 - Google Patents

Abstract

一种实验室微量气体计量装置，由气体净化单元、计量收集单元和控制单元组成，气体净化单元包括进气管、干燥柱、脱硫柱和进气电磁阀，干燥柱内填充干燥剂，脱硫柱内填充脱硫剂；计量收集单元包括U型计量管、恒温水浴槽、出气电磁阀、出气电磁阀出口管和气体收集袋，U型计量管内装有计量液体，U型计量管置于恒温水浴槽内；控制单元包括液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关、电子读数器和电源。本发明的优点是：该计量装置结构简单、制作安装方便、造价低廉、易于实施，计量方法准确度高、适用性强，既可准确测定气体产生总量和目标气体量，又可测定气体产生的速率，可完全满足实验室研究要求。

Description

一种实验室微量气体的计量装置和计量方法

技术领域

 本发明涉及废弃物厌氧消化处理技术领域，特别是一种实验室微量气体的计量装置和计量方法。

背景技术

采用厌氧消化技术处理有机废弃物或高浓度有机废水时，产生的沼气或甲烷是一种清洁能源，而沼气或甲烷的产生量和沼气组分是评价厌氧消化装置和处理工艺优劣的关键参数。目前对实验室内厌氧消化发酵装置产气量计量的方法主要有两种，一是湿式气体流量计，该仪器量程大，在计量实验室规模的微量气体时误差较大，影响实验精度；二是使用微量气体流量计直接测量，这种进口仪器成本高，一般无法在实验室中批量使用。采用本方法和系统，可以替代湿式气体流量计和进口的微量气体流量计，对厌氧发酵装置产生的气体进行精密测量，从而优化厌氧消化处理工艺。

发明内容

本发明的目的是针对实验室以往在微量气体计量中存在的问题，提供一种实验室微量气体的计量装置和计量方法，该计量装置结构简单、制作安装方便、造价低廉、易于实施，计量方法准确度高、适用性强，既可准确测定气体产生总量和目标气体量，又可测定气体产生的速率，可完全满足实验室研究要求。

本发明的技术方案：

一种实验室微量气体计量装置，由气体净化单元、计量收集单元和控制单元组成，气体净化单元包括进气管、干燥柱、脱硫柱和进气电磁阀并通过管道串联连接，干燥柱和脱硫柱均为有机玻璃圆管，底部及顶部分别设有进气口和出气口，干燥柱内填充干燥剂，脱硫柱内填充脱硫剂；计量收集单元包括U型计量管、恒温水浴槽、出气电磁阀、出气电磁阀出口管和气体收集袋，U型计量管的一端分别设有U型计量管进气管和U型计量管出气管，U型计量管进气管与进气电磁阀的出口连接，U型计量管出气管与出气电磁阀的进口连接，出气电磁阀通过出气电磁阀出口管与气体收集袋连接，U型计量管的另一端分别设有液位传感器和U型计量管排气管并通过U型计量管塞密封，U型计量管内装有计量液体，U型计量管置于恒温水浴槽内；控制单元包括液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关、电子读数器和电源，液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关分别通过导线与液位传感器、进气电磁阀和出气电磁阀连接。

所述有机玻璃圆管的规格为内径10cm、壁厚5㎜、高度20cm，U型计量管为玻璃材质，带容积刻度，内径1.5-3cm、壁厚3㎜、有效高度20-30cm，U型计量管进气管和出气管、排气管的内径均为0.3cm。

所述干燥剂为硫酸钙或硅胶，脱硫剂为氧化铁或颗粒活性炭。

所述计量液体根据具体测量气体种类和要求配置，在计量发酵管中微量沼气时，计量液体为2wt%的盐酸溶液；在计量沼气中的甲烷时，计量液体为浓度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收沼气中的酸性气体组分。

一种利用所述实验室微量气体计量装置的计量方法，实施方法如下：

1）操作流程：由实验室反应器产生的气体经过净化单元的干燥柱和脱硫柱后，通过进气控制电磁阀进入U型计量管，此时排气控制电磁阀关闭，U型计量管内的计量液体在压力作用下产生液位差，当该液位差达到设定值后，液位传感器启动，此时进气控制电磁阀关闭，排气控制电磁阀开启，U型计量管内气体经由排气控制电磁阀排出，进入气体收集袋中，带有存储功能的电子计数器，记录不同时间气体毫升读数；U型计量管置于恒温水浴槽内便于将产生气体体积换算成标准状况下数值。

2）气体体积计算方法：

根据U型计量管内液体种类，确定其密度，然后根据U型计量管内“0”刻度处与液位传感器位置的设定刻度高度差计算出满刻度时水柱压力，结合恒温水浴槽的设定温度，采用标准气体状态方程pV=nRT计算出所计量气体的体积。

本发明的优点和积极效果：

该计量装置结构简单、制作安装方便、造价低廉、易于实施，计量方法准确度高、适用性强，既可准确测定气体产生总量和目标气体量，又可测定气体产生的速率，可完全满足实验室研究要求。

【附图说明】

图1为该装置结构示意图。 

图中：1.进气管    2.干燥柱    3.干燥剂    4.脱硫柱    5.脱硫剂  

6.进气电磁阀   7.U型计量管进气管    8.U型计量管    9.计量液体 

10.液位传感器    11.U型计量管排气管    12.U型计量管塞 

13.U型计量管出气管    14.出气电磁阀    15.出气电磁阀出口管 

16.气体收集袋    17.液位控制器    18.进气电磁阀控制开关 

19.出气电磁阀控制开关    20.电子读数器    21.恒温水浴槽    22.电源

图2为实施例1产沼气曲线图。

图3为实施例2甲烷产气速率图。

【具体实施方式】

实施例1：

一种实验室微量气体计量装置，如图1所示，由气体净化单元、计量收集单元和控制单元组成，气体净化单元包括进气管1、干燥柱2、脱硫柱4和进气电磁阀6并通过管道串联连接，干燥柱2和脱硫柱4均为有机玻璃圆管，底部及顶部分别设有进气口和出气口，干燥柱2内填充干燥剂3，脱硫柱4内填充脱硫剂5；计量收集单元包括U型计量管8、恒温水浴槽21、出气电磁阀14、出气电磁阀出口管15和气体收集袋16，U型计量管8的一端分别设有U型计量管进气管7和U型计量管出气管13，U型计量管进气管7与进气电磁阀6的出口连接，U型计量管出气管13与出气电磁阀14的进口连接，出气电磁阀14通过出气电磁阀出口管15与气体收集袋16连接，U型计量管8的另一端分别设有液位传感器10和U型计量管排气管11并通过U型计量管塞12密封，U型计量管8内装有计量液体9，U型计量管8置于恒温水浴槽21内；控制单元包括液位控制器17、进气电磁阀控制开关18、出气电磁阀控制开关19、电子读数器20和电源22，液位控制器17、进气电磁阀控制开关18、排气电磁阀控制开关19分别通过导线与液位传感器10、进气电磁阀6和出气电磁阀14连接。

该实施例中，有机玻璃圆管的规格为内径10cm、壁厚5㎜、有效高度20cm，U型计量管为玻璃材质，带容积刻度，内径2.5cm、壁厚3㎜、有效高度30cm，U型计量管进气管和出气管、排气管的内径均为0.3cm。

将该装置用于计量农业废弃物厌氧消化过程中5L厌氧消化反应器每天产生清洁能源沼气的量，干燥剂为硫酸钙，脱硫剂为氧化铁，计量液体为2wt%的盐酸溶液，实施方法如下：

1）操作流程：实验反应器产生气体经过填充硫酸钙的干燥柱2和填充氧化铁的脱硫柱4去除气体中水蒸气和硫化氢，此时进气电磁阀6开启，排气电磁阀14关闭。净化后的气体通过进气电磁阀6进入有效刻度50ml、填充2%的盐酸溶液的U型计量管8，U型计量管8液位在压力作用下产生液位差，当高液位到50ml刻度即高液位传感器10时，进气电磁阀6关闭，排气电磁阀14开启，气体经U型计量管出气管13通过出气电磁阀14经出气电磁阀出口管15进入气体收集袋16，此时电子计数器计数读数增加1，体积读数增加50ml。排气电磁阀14开启后，U型计量管高液位下降，经过5秒钟的稳定时间，U型计量管8内液位稳定在“0”刻度处，此时出气电磁阀14关闭，进气电磁阀6开启，气体进入U型计量管8，如此循环。

2）气体体积计算方法：U型计量管8置于35℃恒温水浴槽21内，根据实验要求，每24h记录电子读数器20中读数和U型计量管8中液位升高的体积数（mL），两者之和为实验开始至记录时产生沼气总量，后一次沼气量读数与前一次沼气量读数差值即为此间24h内产生的沼气量，然后利用理想气体状态方程pV=nRT，折算成标准状况（0℃，1个标准大气压）下每天产生沼气总量。

具体计算方法为：U型计量管内高液位时压力P₀=2ρgh=2×1.0082×10³×9.8×10.2×10^-2=2015.6Pa，标准状况下每天产沼气量V=[(101000+2015.6)/101000×124.6-74.6]×273/(273+35)×N=46.52×N mL，其中1.0082为2wt%盐酸溶液的密度（1g/mL），10.2为U型计量管50ml刻度与“0”刻度液位差（cm），101000为标准大气压（Pa），124.6为U型计量管最大液位差时管内充气室容积（mL），74.6为U型管内液位差为0时充气室容积（mL），N为每天电子计数器数值增加值。

该实施例分别对两个反应器进行实验，在30天实验周期内两个反应器累计产沼气量分别为71.9196 L和141.455L，产气曲线如图2所示。

实施例2：

一种实验室微量气体计量装置，与实施例1基本相同，不同之处如下。

将该装置计量农业废弃物厌氧消化过程中5L厌氧消化反应器累积产生甲烷气的量并绘制产甲烷速率曲线，干燥剂为硅胶，脱硫剂为颗粒活性炭，计量液体为浓度4mol/L%的NaOH溶液，实施方法如下：

1）操作流程：实验反应器产生沼气经过填充硫酸钙的干燥装置2和填充氧化铁的脱硫装置4去除气体中水蒸气和硫化氢，此时进气电动阀6开启，出气电磁阀14关闭。净化后的气体通过进气电磁阀6进入工作刻度25ml、填充4mol/L的NaOH溶液的U型计量管8，U型计量管8液位在压力作用下产生液位差，当高液位到25ml刻度即高液位传感器10时，进气电磁阀6关闭，出气电磁阀14开启，气体经U型计量管出气管13通过出气电磁阀14经出气电磁阀出口管15进入气体收集袋16，此时电子计数器计数读数增加1，体积读数增加25ml。出气电磁阀14开启后，U型计量管高液位下降，经过5秒钟的稳定时间，U型计量管8内液位稳定在“0”刻度处，此时出气电磁阀14关闭，进气电磁阀6开启，气体进入U型计量管8，如此循环。

2）气体体积计算方法：U型计量管8置于35℃恒温水浴槽21内，根据实验要求，间隔2h记录电子读数器20中读数和U型计量管8中液位升高的体积数（mL），两者之和为2h内产生甲烷量，后一次甲烷量与前一次甲烷量差值即为此间2h内产生的甲烷量，然后利用理想气体状态方程pV=nRT，折算成标准状况（0℃，1个标准大气压）下甲烷产量，并以此绘制厌氧消化过程产甲烷速率曲线，产甲烷量计算方法同实施例1，不同之处为4mol/L NaOH液体的密度为1.150g/mL。该实施例分别对三个反应器进行实验，实验中三个反应器产甲烷速率曲线见图3。

本装置适合实验室内各种单一或成分复杂气体的高精度流量计量装置，误差符合计量标准要求。

Claims (5)

1.一种实验室微量气体计量装置，其特征在于：由气体净化单元、计量收集单元和控制单元组成，气体净化单元包括进气管、干燥柱、脱硫柱和进气电磁阀并通过管道串联连接，干燥柱和脱硫柱均为有机玻璃圆管，底部及顶部分别设有进气口和出气口，干燥柱内填充干燥剂，脱硫柱内填充脱硫剂；计量收集单元包括U型计量管、恒温水浴槽、出气电磁阀、出气电磁阀出口管和气体收集袋，U型计量管的一端分别设有U型计量管进气管和U型计量管出气管，U型计量管进气管与进气电磁阀的出口连接，U型计量管出气管与出气电磁阀的进口连接，出气电磁阀通过出气电磁阀出口管与气体收集袋连接，U型计量管的另一端分别设有液位传感器和U型计量管排气管并通过U型计量管塞密封，U型计量管内装有计量液体，U型计量管置于恒温水浴槽内；控制单元包括液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关、电子读数器和电源，液位控制器、进气电磁阀控制开关、出气电磁阀控制开关分别通过导线与液位传感器、进气电磁阀和出气电磁阀连接。

2.根据权利要求1所述实验室微量气体计量装置，其特征在于：所述有机玻璃圆管的规格为内径10cm、壁厚5㎜、高度20cm，U型计量管为玻璃材质，带容积刻度，内径1.5-3cm、壁厚3㎜、有效高度20-30cm，U型计量管进气管和出气管、排气管的内径均为0.3cm。

3.根据权利要求1所述实验室微量气体计量装置，其特征在于：所述干燥剂为硫酸钙或硅胶，脱硫剂为氧化铁或颗粒活性炭。

4.根据权利要求1所述实验室微量气体计量装置，其特征在于：所述计量液体根据具体测量气体种类和要求配置，在计量发酵管中微量沼气时，计量液体为2wt%的盐酸溶液；在计量沼气中的甲烷时，计量液体为浓度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收气体中的酸性气体组分。

5.一种利用权利要求1所述实验室微量气体计量装置的计量方法，其特征在于实施方法如下：

1）操作流程：由实验室反应器产生的气体经过净化单元的干燥柱和脱硫柱后，通过进气控制电磁阀进入U型计量管，此时排气控制电磁阀关闭，U型计量管内的计量液体在压力作用下产生液位差，当该液位差达到设定值后，液位传感器启动，此时进气控制电磁阀关闭，排气控制电磁阀开启，U型计量管内气体经由排气控制电磁阀排出，进入气体收集袋中，带有存储功能的电子计数器，记录不同时间气体毫升读数；U型计量管置于恒温水浴槽内以便于将产生气体体积换算成标准状况下数值；

2）气体体积计算方法：

根据U型计量管内液体种类，确定其密度，然后根据U型计量管内“0”刻度处与液位传感器位置的设定刻度高度差计算出满刻度时水柱压力，结合恒温水浴槽的设定温度，采用标准气体状态方程pV=nRT计算出所计量气体的体积。

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