配制实验用高压混合气的方法

配制实验用高压混合气的方法

余传波;邓建梅

【摘 要】在多组分气体反应实验或者吸附实验中经常需要自行配制混合气源.配制

低压气体的方法很多,但是配制高压混合气的介绍非常少.针对一些条件有限的实验

室需要混合气用量较大或压力较高的情况,本文分别介绍了配制高压混合气的两种

实用方法的流程,操作,原理、步骤和算法,条件有限的实验室可以借鉴.

【期刊名称】《广州化工》

【年(卷),期】2013(041)017

【总页数】2页(P226-227)

【关键词】配气;高压;算法

【作 者】余传波;邓建梅

【作者单位】攀枝花学院生物与化学工程学院,四川 攀枝花617000;攀枝花学院生

物与化学工程学院,四川 攀枝花617000

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ023+.3;TP312

进行多组分气体反应实验［1］或者吸附实验［2］，首先要有混合气源。配制混

合气主要有容积法、渗透法和称量法。容积法配制混合气压力低 (2个标准大气压);

渗透法配制的混合气压力低、浓度低;称量法虽然精确，但需要高精度天平;购买标

气的方式虽然简便，但是不经济［2］。在一些条件有限的实验室 (无增压泵和无

高精度天平)如何配项羽的父亲 制高压气体?本文针对实验室常见的两种配气情况予以讨论。

1 原料气瓶供气前后压差较大

实验室一种常见情况是原料气瓶供气前后压差较大，比如“小瓶”充向“大

瓶”(前者2 L，后者40 L)以及“大瓶”充向“大瓶”。我们经过实践后，认为这

类情况，控制原料气瓶的压力变化来控制气体充入量，容易实现和操作。

1.1 配气原理

本方法以容积法为基础，测量纯原料气瓶供气前后的气瓶压力，分别用状态方程计

算对应的摩尔数 (物质的量)，由两次摩尔数之差算出供气的摩尔数。按照原料气瓶

压力从低到高的顺序依次供气，在配气瓶中混合后便配得一定比例的混合气。

1.2 配气实例

配气示意见图1。A瓶为供气瓶，B瓶为配气瓶，容积均为40 L。

假设B气瓶里存有6 MPa的氢气，现在欲充入一部分氮气，配成N2∶H2=1∶3。

现A气瓶有14 MPa的氮气，经过计算后，当压力降至12.0文员的基本电脑知识 8 MPa时，关闭配气

阀。这时B瓶里氮氢比就为1∶3左右。最终的气瓶压力为8.01 MPa，120 mol，

折合STP体积2700 L，可以满足较长时间，或较大用气量，或较高压强的需要。

图1 配气示意图Fig.1 Sketch of preparation mixture gas

1.3 算法流程

算法流程见图2，步骤如下:

(1)通过配气要求或者配气瓶规格来估算各原料气的摩尔数，首先保证配气后的压

力不能超过配气瓶的最大承压。

(2)并根据原料气瓶的压力确定充气顺序。原则是高压充向低压 (这里氮气充向氢气;

如果氢气压力比氮气高，则氢气充向氮气)。

(3)确定配气瓶B内的氢气摩尔数。由T=20℃、p1=6 MPa计算 Tr与 pr，再确

定 Z［3］，通过 pV=ZnRT，计算出n1=91.17 mol。

(4)按照配气比N2∶H2=1∶3，则需要n4=30.38 mol。

(5)确定原料气瓶A供气后的压力。由T=20℃、p2=14 MPa计算Tr与pr，再确

定Z，通过pV=ZnRT，计算出n2=228.56 mol。因为需供气n4=30.38 mol，

则供气后剩余n3=198.18 mol，试差算出压力p3=12.8 MPa。

(6)校核配气推动力。因为氮气配完后，剩余压力仍比混合气压力高 (12.08＞8.01)，

充气可香菜凉拌 以自发进行，也就是存在配气推动力。

(7)配好后的混合气，通过气相色谱标定各组分的实际含量。

图2 控制原料气瓶压力变化的算法流程图Fig.2 Algorithm flow of controlling

pressure of feed cylinder

2 配气瓶配气前后城市社区建设 压差较大

2.1 配气实大器晚成 成语大全四字成语 例

实验室另一种常见情况是配气瓶配气前后压差较大，而原料气瓶压差小，比如“大

瓶”充向“小瓶”。文献［2］设想通过控制配气瓶的压力来实现配气，是一个较

好的思路。但具体实现采用了混合压缩因子的算法，而没考虑难压缩气体对易压缩

气体的影响。以该文献例子配气终态为例，CO2压缩因子为0.915，CH4为

0.863，差别较大，因此有必要对该算法进行修正。

2.2 算法流程

我们修正了文献［2］的算法并优化了计算流程，见图3，具体步骤如下:

(1)首先确定配气总摩尔数和配气最终的压力。

一般来说，配气瓶最高耐受压力与体积就限定了配气的最大配气量。因此确定最大

总摩尔数是首要问题。

设总摩尔数初值为nIII，三组分摩尔数分别为n1、n2、n3，各自分压为 p1、p2、

p3。计算 Tr与 pr，再确定 Z［3］，通过 pV=ZnRT，算出分压新值。如果分压

新值之和小于配气瓶最高压力pmax，则增大nIII继续迭代;如果相等 (一定误差限

内)，则停止迭代，这时对应的nIII就是最大总摩尔数 (显然n1、n2、n3均被确

定)。当然在迭代过程中，nIII与实验需要的总摩尔数相等时，可终止迭代，这时

对应的压力就是第三组分充入终了时的压力pIII。

(2)确定第一组分的充入终了压力pI。

设第一组分的充入终了压力为pI。计算Tr与pr，再确定，通过pV=Z1n1RT，算

出分压新值。如果分压新值小于设定值，则增大pI继续迭代;如果相等 (一定误差

限内)，则停止迭代，这时对应的压力就是第一组分配气终了时的压力pI。

(3)确定第二组分的充入终了压力pII。

设第二组分的充入终了压力为pII。此时各自分压为p1、p2，计算Tr与pr，再确

定 Z［3］，通过 pV=ZnRT，算出分压新值。如果分压新值之和小于设定值，则

增大pII继续迭代;如果相等 (一定误差限内)，则停止迭代，这时对应的压力就是第

二组分配气终了时的压力pII。

(4)配气时，先充入第一组分到pI，然后再充入第二组分到pII，最后冲入第三组分

到pIII。配好后的混合气，通过气相色谱标定各组分的实际含量。为加快迭代效率，

减小初值范围，可以当成理想气体计算初值，参见文献［2］。

图3 控制配气瓶压力变化的算法流程图Fig.3 Algorithm flow of controlling

pressure of mixture cylinder

3 结语

上述两种方法适合配制常温不液化，大配气比，或需要压力较高，或用量较大的混

合气体。对于一些条件有限的实验室(无增压泵和无高精度天平)，配制反应用气或

者高压吸附用气有一定借鉴意义。如果有增压泵，可以避免配气顺序的限制(比如

要将3 MPa气体充入8 MPa的气瓶，可以先增压到9 MPa再充)，同时还可以对

配气增压，装置流程可参考［2，4］。对一些容易液化气体的注意事项可参考

［4］。

参考文献

［1］王存文，余传波，陈文，等.超临界氨合成体系的组分偏摩尔体积的计算

［J］.化工学报，2006(07):1503－1507.

［2］崔永君，马建民.配制等温吸附实验用高压混合气的方法:21世纪中国煤层气

产业发展与展望［A］.21世纪中国煤层气产业发展与展望研讨会［C］.昆明，

2002.

［3］余传波，邓建梅.基于MATLAB三次样条插值的压缩因子求解［J］.攀枝花

学院学报，2010(06):5－7.

［4］刘祖龙.标准气体赶庙会作文 配制装置［J］.低温与特气，2005(0关于红色革命的诗 1):34－36.