CN211636047U - 一种生产低浓度标准气体混合物的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种生产低浓度标准气体混合物的装置。该生产低浓度标准气体混合物的装置包括：扩散室、扩散管、恒温槽、风机、储气罐，在温度受控的恒温槽中提供充满液态被运载目标物质的下扩散室，扩散室中液体上方的空间充满饱和蒸汽，上下两个扩散室通过扩散管相连接，使预定流量的运载气体气流通过管道流经上扩散室，蒸汽通过扩散管进入上扩散室与气流充分混合，获得所需浓度的被运载目标物质气体混合物。

Description

一种生产低浓度标准气体混合物的装置
技术领域
本实用新型涉及标准气体混合物生产技术领域，更具体涉及一种生产低浓度标准气体混合物的装置。
背景技术
在许多工业应用和研究中，对低浓度的标准气体的需求日益增长，但是基于纯气体稀释的制剂并不总是令人满意的。当前，低浓度的标准气体混合物的制备方法主要有静态法和动态法两种。静态法是利用称重或压力来配置一定浓度的所需混合物，然后将其容纳在容器中待用。动态法是将目标物质引入基本处于常压的纯的运载气体流中，得到所需浓度，然后用于特定应用中。本实用新型采用的气体配置方法是一种动态法，其原理是利用装有液态目标物质的下扩散室置于一定的温度、压力下，该物质扩散率保持不变，通过运载气体连续稳定地流过上扩散室以得到所需浓度的标准气体。
扩散管发生装置生产标准气体物质的优点是可以用来生产吸附性、腐蚀性等在气瓶中不稳定的标准气体物质，例如低含量的仲丁醇、氯苯、苯胺等气体混合物，这些气体混合在静态容器中有时候不稳定，利用扩散管法可以在现场生产出稳定可靠的标准气体，用于工业应用和研究。扩散管法目前被广泛应用于各大企业、科研等机构，涉及化工、环境、医疗等多领域。
然而，利用现有的技术及方法生产低浓度的标准气体时，运载气体与气态被运载目标物质在混合后获得的浓度与理论计算浓度之间存在不小的偏差。
发明内容
为了获得0.1～100ppm浓度范围的标准气体混合物，满足当前众多应用和研究的需要，本实用新型提供了一种生产低浓度标准气体混合物的装置，用来配置相应浓度的气体。
本实用新型为解决该技术问题采用的方案是：在温度受控的恒温槽中提供充满液态被运载目标物质的扩散室，扩散室中液体上方的空间充满饱和蒸汽，上下两个扩散室通过扩散管相连接，利用风机将运载气体压入储气罐，以减少进气压力变化，通过调节流量控制器使预定流量的运载气流通过管道流经上扩散室，蒸汽通过扩散管进入上扩散室与气流充分混合，获得所需浓度的被运载目标物质气体混合物。
所述被运载目标物质为液态，例如可以是仲丁醇、氯苯、正丁醇、二戊醇、异丙醇、甲苯、苯胺和乙酸乙酯等。
所述运载气体通常为高纯的形式，例如可以为氮气、氦气、氩气、二氧化碳等等，通常该气体相对于被运载目标物质为惰性。
恒温槽的温度可以通过水浴、加热元件等来精确控制。在装置总压恒定的情况下，特定的被运载目标物质的扩散率仅是温度的函数，通过调节浴温可以非常精确地控制，从而得到所需被运载目标物质的浓度。
附图说明
图1是本实用新型的生产低浓度标准气体混合物的装置示意图，图2是生产低浓度标准气体混合物的装置中的扩散室示意图。其中1为风机，2为储气罐，3为控制阀，4为流量控制器，5、6分别为上扩散室、下扩散室，7、8为控制阀，9为扩散管，其直径可以为6mm、 8mm、10mm、20mm、25mm，管长可以为100mm、160mm、200mm、240mm。
具体实施方式
按照图1所述生产低浓度标准气体混合物的装置的示意图，该配气装置包括风机(1)、储气罐(2)、控制阀(3)、流量控制器(4)、上扩散室(5)、下扩散室(6)、控制阀(7)、控制阀(8)、扩散管(9)。
首先使所选高纯运载气体例如氮气、氦气等通过风机(1)压缩进入储气罐(2)，通过控制风机、调节参与生产过程的运载气体流量来控制储气罐(2)中压力维持恒定，以减少压力变化对本生产过程的影响，然后使运载气体通过控制阀(3)以及流量控制器(4)，流量控制器可以精准控制和读取运载气体的流量，流量控制器的精度可以为约10.0ml/min、约5.0ml/min、约0.5ml/min、约0.1ml/min、约0.01ml/min等，之后运载气体流入上扩散室(5)，将盛放有足量液态被运载目标物质如甲苯、甲醛等的下扩散室(6)置于温度受控的恒温槽中，其温度可以由水浴或电子元件控制，精度可以为约0.1℃、0.01℃等，上部空间充满被运载目标物质的饱和蒸汽,在运载气体充分流入上扩散室时，饱和蒸汽通过扩散管(9)以恒定的扩散速率流入上扩散室(5)，并在上扩散室内与运载气体充分混合，得到所需浓度的混合气体，然后通过控制阀(8)进行各种应用，或者通过控制阀(7)排空。
在压力和温度确定的条件下，被运载目标物质的扩散速率可以通过下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000021
其中：r——扩散速率，g/min；
M——被运载目标物质的分子量；
P——总压强，Pa；
A——扩散管的横截面积，m2；
L——扩散管长,m；
T0——绝对温度，273K；
R——理想气体常数，8.314J/(mol·K)；
D0——0℃和1个大气压下的扩散系数，m2/min；
P0——大气压，101325Pa；
p——蒸汽压力，Pa
π＝(P/(P-p))
所得混合气体的浓度可以通过下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000031
c——标准气体理论浓度，mol/mol；
r——扩散速率，g/min；
M——被运载目标物质的分子量，g/mol；
F——通过流量控制器的流量，ml/min；
R——理想气体常数，J/(mol·K)；
T——工作时的环境温度，K；
PA——工作时的环境大气压，Pa；
以甲苯和乙酸乙酯为例，计算过程如下：
(1)在0℃，1atm条件下甲苯的扩散系数为4.9749×10-4，分子量为92g/mol，控制 T＝52℃，饱和蒸气压为13.33KPa，选择扩散管直径为10mm，长度为200mm，此时
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000032
则扩散速率为：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000033
取运载气体流量为1000.0ml/min，所得混合气体理论浓度：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000034
(2)在0℃，1atm条件下甲苯的扩散系数为4.9749×10-4，分子量为92g/mol，控制 T＝52℃，饱和蒸气压为13.33KPa，选择扩散管直径为20mm，长度为240mm，此时
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000041
则扩散速率为：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000042
取运载气体流量为1500.0ml/min，所得混合气体理论浓度：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000043
(3)在0℃，1atm条件下乙酸乙酯的扩散系数为5.0712×10-4，分子量为88g/mol，控制T＝40℃，饱和蒸气压为25.44KPa，选择扩散管直径为10mm，长度为200mm，此时
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000044
则扩散速率为：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000045
取运载气体流量为1000.0ml/min，所得混合气体理论浓度：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000046
(4)在0℃，1atm条件下乙酸乙酯的扩散系数为5.0712×10-4，分子量为88g/mol，控制T＝40℃，饱和蒸气压为25.44KPa，选择扩散管直径为6mm，长度为240mm，此时
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000047
则扩散速率为：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000048
取运载气体流量为1000.0ml/min，所得混合气体理论浓度：
Figure DEST_PATH_GDA0002381263110000049
符合需求。

Claims (4)

1.一种生产低浓度标准气体混合物的装置，用于生产0.1～100ppm浓度范围的标准气体混合物，所述装置包括：两个扩散室，温度可控的恒温槽，风机，连接扩散室与储气罐的管道，两个扩散室通过扩散管相连接；在温度受控的恒温槽中提供充满液态被运载目标物质的扩散室，扩散室中液体上方的空间充满饱和蒸汽，上下两个扩散室通过扩散管相连接，使预定流量的运载气体气流通过管道流经上扩散室，蒸汽通过扩散管进入上扩散室与气流充分混合，获得所需浓度的被运载目标物质气体混合物。
2.根据权利要求1所述的装置，所述下扩散室的温度保持恒定。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述扩散管的直径可以为6mm、8mm、10mm、20mm、25mm，管长可以为100mm、160mm、200mm、240mm。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括连接扩散室与储气罐的管道上设置的流量调节阀。
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