一种利用负压吸动效应的动态配气方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西华大学机械工程与自动化学院 作者:余翠兰

  为使难挥发性液态气源更好地挥发制取标准气体,提出一种利用负压吸动效应的雾化配气法。设计了结构精密的雾化发生池,用实验的方法确定影响发生池负压值的各种参数,在实际应用中达到良好的效果。利用三种方法对难挥发的液态气源进行配气实验,雾化法与另外两种常用的方法相比,效果更好。

  标准气体具备评价分析方法的准确性、校准仪器和标定气体组分含量的特点,已被广泛应用于产品质量监督和质量控制、仪器仪表的校准、大气环境监测、医疗卫生、分析方法的评价和军工化学武器等领域。随着科学技术的发展.对标准气体的种类和组分含量范围要求越来越广,对标准气体制备的方法及其量值的准确度、稳定性和品质的要求也越来越高。因此,对标准气体制备技术进行深入的研究是非常必要的。

  通常所使用的标准气按配制方法分有两大类:静态配气法和动态配气法。

  (1)静态配气法。对于那些挥发性小、吸附性低、分子间作用力弱、性质接近理想气体的混合气体的制备,通常是采用静态容量法。其原理是先量取一定量的气体或液体。然后用稀释气加以稀释达到一定容积或在容器中进行挥发,最后根据所取待配组分的量、稀释后的体积、压力来计算所配混合气体的组分的含量。

  (2)动态配气法。对于那些挥发性、腐蚀性、吸附性强且性质偏离理想气体状态的混合气体的制备,更倾向于采用动态配气方法。动态配气是按定比例,连续不断地将气态或蒸汽态的欲配组分与稀释气体通入配气装置中,在配气装置的出口一端连续不断地得到组分含量一定的标准混合气体。

  动态法虽然在配气设备上要比静态法复杂得多,但是配气方法和设备一旦建立,就可以很方便地获得定量的恒定浓度的标准气体。由于连续流动,最终能达到平衡。因而,动态法比静态法要优越得多,应用也更加广泛,本文研究的对象属于动态配气法。

  挥发度是指用来表示某种纯粹物质(液体或固体)在一定温度下蒸汽压的大小。易挥发物和难挥发物的界线目前没有明确的标准,通常把30℃时,蒸汽压为150Pa作为区分难易挥发度的标准。针对挥发性(包括易挥发和难挥发)的液态气源,目前配气方法主要有两种:扩散法和携带法。

  (1)扩散法。使液态气源自动扩散出来,用稀释气体把挥发的气源带入混气室进行混合。

  (2)携带法。从液态气源的表面导通稀释气体,利用稀释气体把液态气源携带进入混气室进行混合。

  用扩散法和携带法配制的标气浓度若比所需的浓度高,可以通入稀释气体稀释从而得到所需要的浓度。若浓度比所需的浓度低,则无法得到所需要的浓度。对于挥发度高的气源,上述两种方法一般都能够达到要求,但是对于挥发度低的气源,混合后的浓度难于达到标准。为此本文提出了一种雾化法,即利用负压吸动的作用,使得液态气源回流,形成喷雾状,使其充分挥发,从而能够得到浓度更高的标准气体。

1、雾化法的系统构成

  雾化法的发生装置是雾化式试剂发生池,主要作用是完成低挥发度的液态气源的雾化过程,使其形成蒸汽或气溶胶状态,由稀释气体携带进入系统的混气室。发生池主要由喷雾器和试剂扩散池构成,其结构图如图1所示,实物图如图2所示。喷雾器本身有两部分:外壳和喷嘴,其结构图如图3所示,实物图如图4所示。

雾化式试剂发生池结构图

图1 雾化式试剂发生池结构图

  在外壳和喷嘴之间有一个体积合理的气液混合腔体,外壳上有一根直径为1.7mm的导液管(软管),连通气液混合腔体和试剂发生池底部的液态气源。外壳上进液管口的直径为0.8mm,喷嘴口直径为0.4mm,配合时进液管口与喷嘴口的间隙为2mm(以上数据均由实验选择最佳值得出)。使用时,稀释气流以4~150m/s的速度高速经过喷嘴口流进进液管口,根据流体力学理论,此时在进液管口处产生负压,导液管将试剂液体吸入气液混合腔体,气流与液体在混合室中进行能量交换,形成一定压力的混合流体,在气流的携带下经进液管口,以喷雾状进入试剂扩散池形成气溶胶及气体的混合体系。雾化器的发生性能主要取决于气液混合腔体产生负压的大小,负压的大小受进液管口孔径、喷嘴口的孔径、喷嘴口到进液管口的距离和稀释气体流速的影响。

雾化式试剂发生池实物图

图2 雾化式试剂发生池实物图

  由于喷嘴与外壳间有一个气液混合腔体,为了防止混合的气体从器件的装配缝隙流出,造成器件腐蚀,制造时,首先要求选用耐腐蚀的材料,其次要保证喷嘴的外螺纹和外壳的内螺纹具有很高的精度,两个螺纹还要求具有同轴度,使器件气密性良好。为此选聚四氟乙烯作为喷嘴的材料,同时在加工中采用了导向柱面与O型圈密封组合结构,确保喷嘴轴心线的位置精度,阻断了腐蚀性试剂进入螺纹区域的通道,收到了较好的效果。

喷雾器结构图

图3 喷雾器结构图

雾化式试剂发生池实物图

图4 雾化式试剂发生池实物图

2、实验数据及对比分析

  针对雾化池,做了两组实验,目的分别是:实验一,测量雾化发生池气液混合腔内的负压值。实验二,利用扩散法、携带法和雾化法发生气实验,气源为挥发度低的甲基磷酸二甲酯(液态),对发生标气的浓度和稳定性进行对比分析。

  (1)实验一。根据实际需要和多次实验,最终确定喷雾器装置中4个影响负压值的重要参数,分别是进液管口孔径0.8mm、导液管口径1.7mm、喷嘴的口径0.4mm和喷嘴口到进液管口的距离2mm。用自来水来替代液态气源,把导液管插入自来水中,启动空气压缩机,通过质量流量传感器调节气体的质量流量(实质是调节流速),可以观察到自来水被吸进气液混合腔体中,从喷雾器喷口处喷出。为能够通过导液管的水柱,计算出气液混合腔的压力值,把导液管加长至500mm。气体在某流速下,自来水停留在导液管中,用刻度尺测量导液管中水柱的高度h,根据公式p=ρhg,其中ρ=1000kg/m3,g=9.8N/kg即可计算出对应的压力值。表1为改变气流流量从600mL/min到1000mL/min,所对应的水柱高度及经计算得到的负压值,为直观把流量和对应的负压值制成曲线图如图5。

  (2)实验二。测试液态气源:甲基磷酸二甲酯,蒸气压为(30℃)133.322Pa,小于150Pa为难挥发性物质。

表1 流量负压表

流量负压表

负压值与流量的关系


图5 负压值与流量的关系

  测试方法:分别用扩散法、携带法、雾化法发生同一浓度的甲基磷酸二甲酯,稀释气体为氮气,利用质量流量控制器,改变氮气的流量分别为600,700,800,900,1000mL/min,分别测量不同的方法下,混合气的浓度值达到动态平衡的时间以及混合气体的浓度值[3]。测试结果:测试结果如表2所示。

  (3)实验结果分析:

  实验一:经过合理的选择喷雾器装置中4个影响负压值的重要参数,气液混合腔中的负压值达到所需要的喷雾效果,并且负压值随着气体流量的增加而增大。

  实验二:在相同的稀释气体流量下,雾化法比扩散法、携带法,达到混合气浓度动态稳定的时间要短,所得到的混合气浓度要高很多,因此雾化法能够配制的混合气浓度范围更广。

表2 甲基磷酸二甲酯发生性能测试结果

甲基磷酸二甲酯发生性能测试结果

3、结论

  采用空气负压使液体吸引上来雾化形成气态作为标气动态发生装置是本文的创新点,并且实验证明雾化法配气比扩散法和携带法发生的混合气体浓度范围更广,效率更高。雾化喷雾器应用于数控标气动态发生系统中,长期工作,运行稳定,效果良好,很好地解决了挥发度低的液态气源的发生问题,具有推广应用的价值。

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