標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備

叢 林，韓 薇，柳 蔚

標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備

叢 林，韓 薇，柳 蔚

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司 高純氨研究中心，遼寧 大連 甘井子 甘北路 34號 116031)

介紹了標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備方法、裝置，強(qiáng)調(diào)了我國標(biāo)準(zhǔn)氣體屬地化供應(yīng)的必要性，指出了標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)必需的行政程序。對標(biāo)準(zhǔn)氣體制備所必須的工裝設(shè)備進(jìn)行了描述。

標(biāo)準(zhǔn)氣體；比較器；配氣裝置

國家對危化品的管理日趨嚴(yán)厲和完善，這對于組成復(fù)雜、用量少、使用點分散的標(biāo)準(zhǔn)氣體的運(yùn)輸帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。無疑標(biāo)準(zhǔn)氣體的屬地化供應(yīng)具有十分廣泛的意義，同時從事工業(yè)氣體生產(chǎn)、銷售的利潤不斷下滑，導(dǎo)致許多的公司轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)氣體的生產(chǎn)，針對目前標(biāo)氣領(lǐng)域存在的許多問題，下面就如何開展標(biāo)準(zhǔn)氣體項目的一些情況介紹一下。

1 標(biāo)準(zhǔn)氣體制備的人力準(zhǔn)備

同工業(yè)氣體生產(chǎn)、分銷相比，標(biāo)準(zhǔn)氣體行業(yè)最明顯的特點是從業(yè)者必須對氣體理論有著十分深厚的理論功底，幾乎每一瓶標(biāo)準(zhǔn)氣體產(chǎn)品都因組成、濃度、甚至鋼瓶體積不同而彼此有所區(qū)別，每一瓶氣體都需要認(rèn)真的計算，配氣人員對標(biāo)氣制備的充裝壓力、充裝質(zhì)量、充裝順序等各種參數(shù)都需要在配氣前進(jìn)行嚴(yán)格的計算設(shè)計，對所用的各種原材料做全部雜質(zhì)的檢測，并且分析方法、分析儀器的精度都要滿足原料、產(chǎn)品的要求。

配好后有些標(biāo)準(zhǔn)氣體產(chǎn)品必須要做出廠的分析驗證，若沒有很好的配制、檢測專業(yè)水平，很難保證所配制的氣體準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。隨著競爭的加劇，過去簡單的配氣手段及方法難以存在下去。

同普通的乙炔生產(chǎn)決然不同，乙炔氣體生產(chǎn)需要檢測有數(shù)的幾種指標(biāo)，檢測方法、儀器幾乎幾年不變，標(biāo)準(zhǔn)氣體的檢驗內(nèi)容涵蓋了客戶的所有氣體中可能存在的各種雜質(zhì)，涉及的方法各式各樣。由于標(biāo)準(zhǔn)氣體的復(fù)雜性，即使是名校畢業(yè)的優(yōu)秀大學(xué)生，如不經(jīng)嚴(yán)格的專業(yè)化培訓(xùn)也無法勝任此類工作。開展標(biāo)準(zhǔn)氣體制造初期至少需要兩名專科以上學(xué)歷的化學(xué)類專業(yè)的人員，并經(jīng)系統(tǒng)的專業(yè)化學(xué)習(xí)，才能初步掌握標(biāo)準(zhǔn)氣體制造的基本理論。同時團(tuán)隊也需要數(shù)名有著多年從事氣體相關(guān)作業(yè)，頭腦清楚的操作人員，達(dá)不到此要求，只能開展有數(shù)幾種簡單品種的標(biāo)氣生產(chǎn)。

配氣團(tuán)隊工作具體分工是：一名人員進(jìn)行理論計算及配制結(jié)果處理，一名根據(jù)計算設(shè)計負(fù)責(zé)充裝、稱量，另外一名配合操作人員進(jìn)行操作。轉(zhuǎn)型期的工業(yè)氣體單位領(lǐng)導(dǎo)，必須改變以往的管理模式與思維習(xí)慣，除了保證有效的投資外，必須下大力氣加強(qiáng)對技術(shù)人員的選拔、培養(yǎng)、使用，避免培養(yǎng)后的人員過于流動，筆者覺得在目前的大環(huán)境下留住人才，這是一個必須高度重視的問題。

2 標(biāo)準(zhǔn)氣體制備需要的設(shè)備

專業(yè)人員確定后，配制氣體另一個重要的方面是如何確定有效的配氣設(shè)備，目前國際上采用的是國際公認(rèn)的重量法配制標(biāo)準(zhǔn)氣體，依據(jù)的是ISO 6142 《氣體分析 校準(zhǔn)用混合氣體的制備 稱量法》，如何保證稱量的準(zhǔn)確，無疑稱量器的準(zhǔn)確穩(wěn)定是至關(guān)重要的因素。傳統(tǒng)配氣幾乎都采用的是天平，隨著市場對各類標(biāo)氣的需求，各類機(jī)械或電子天平因其最小稱量值無法滿足低濃度ppm(10-6)級別標(biāo)準(zhǔn)氣體的生產(chǎn)，近幾年最新出品的質(zhì)量比較儀已被國際同行普遍采用，新建標(biāo)準(zhǔn)氣體公司的管理者必須獲取最新的行業(yè)信息，切不可被供應(yīng)商或所謂的“專家”忽悠，購買過時的產(chǎn)品，經(jīng)驗證明即使是同類產(chǎn)品其性能因用途不同而相差較大。目前我國對質(zhì)量比較儀已經(jīng)有了鑒定規(guī)程：JJF 1326—2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，這將有力推廣比較儀在氣體配制領(lǐng)域的推廣力度，有利提升我國計量水平的國際化水平。如何配置公司各種規(guī)格的稱量器具，使得有限資源能合理應(yīng)用，做到多快好省，這也需結(jié)合市場、資金等諸多因素認(rèn)真研究確定。

稱量器具確定后，組分氣體經(jīng)過認(rèn)真的計算，如何將其準(zhǔn)確導(dǎo)入氣瓶，這就需要耐高壓、耐真空、耐腐蝕可控制的配氣裝置來實施。所謂的稱量法實際是“分壓—稱量”方法的結(jié)合，裝置確保一定壓力的氣體入瓶，天平則是準(zhǔn)確稱量進(jìn)入瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量，配氣裝置看似簡單，它的重要性作用經(jīng)常容易被外行看低，實際裝置上要做的安全、可靠、實用也非易事，配氣設(shè)備要接觸各類不同物性的氣體如硅烷、砷烷、氯氣、二氧化硫、一氧化氮、氟化氫、氯化氫等，它涉及到安全、耐用、美觀、經(jīng)濟(jì)等諸多要素，因此，必須要十分關(guān)注。下面就配氣設(shè)備所涉及的內(nèi)容做一介紹。

2.1 裝置外形

配氣裝置正面對稱設(shè)置幾塊各級量程的標(biāo)準(zhǔn)壓力表，分成上下兩排，配置一塊真空計。面板上壓力表下方裝有幾個控制閥門，也分上下二排，下排左起為原料控制總閥、放空閥、抽空閥及真空計控制閥；上排分別為真空表，注射取樣口，及其它低量程壓力表控制閥(0～16 MPa高壓標(biāo)準(zhǔn)壓力表未設(shè)控制閥)。注射取樣接頭設(shè)置在上排控制閥的正中間。上排壓力表的中間部位有二個電源開關(guān)指示燈?？刂崎y下方的中間部位有二個真空泵關(guān)停按鈕。配制裝置有一操作平臺，可以安放記錄本及做操作記錄之用。左右二個側(cè)面各設(shè)置一塊高壓壓力表和幾個控制閥，以作原料或產(chǎn)品氣的壓力觀察及操作控制之用。整個裝置外形力求美觀漂亮、緊湊，色澤悅目，布置相宜，操作方便。

2.2 閥門

閥門是配氣裝置的重要部件之一。它不僅要求有高的密封性，還要求耐腐蝕、耐用，如果泄漏或局部損壞，要便于檢修。國外進(jìn)口的閥門在密封性方面確實不錯，外觀也漂亮，但是價格昂貴，而且非常嬌氣，一旦氣體中夾帶灰塵、粒子及鐵銹之類，閥門的密封面很容易被損壞，閥門就泄漏了。而且每個閥門的零件不能互換，只能整體報廢。

進(jìn)口閥門僅適用于某些特定氣體，適用性小，對于不同性質(zhì)的一些腐蝕性氣體需不同的材質(zhì)或結(jié)構(gòu)的閥門。這種中看不中用高檔閥門，至少不太適合目前國內(nèi)的實際情況。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)氣體組分復(fù)雜的生產(chǎn)特點,我院自行設(shè)計的不銹鋼膜片式隔膜閥，有良好的密封性，而且可以克服上述部件不能互換的缺點。閥門是經(jīng)常使用及活動的部件，某些部位易于磨損,甚至于因接觸腐蝕、氧化種類的氣體造成閥門內(nèi)部零件的損害，因此局部泄漏是不足為奇的。按照操作實踐，有時泄漏往往是膜片損壞引起，只要更換膜片，片刻就完好如初。閥頭及密封面很少出現(xiàn)問題(即使出現(xiàn)問題，只要更換閥芯填料就行)。而且本隔膜閥可以適用于各種高腐蝕性(NOx、SO2、NH3、F2、HCl、HF、Cl2)、高毒性化學(xué)物質(zhì)的配制，適應(yīng)性很廣。不銹鋼隔膜閥價格與國外閥門相比便宜得多，外觀也很漂亮。

2.3 管線、接頭

配氣裝置的管線要求密封性好、潔凈度高、耐腐蝕且有足夠的耐壓強(qiáng)度。為了減少原料氣特別是貴重原料氣的損失，設(shè)計安裝時還要求管道總?cè)莘e盡可能的小。本裝置的管線都由不銹鋼管構(gòu)成，連接部分都采用不銹鋼氬弧焊，與閥門的連接采用奶頭式卡套件，拆裝方便，密封性也能保證。管線在安裝前內(nèi)壁都經(jīng)過拋光，它和接頭在使用前還進(jìn)行過嚴(yán)格去油、去污等的潔凈處理。為了確保配氣的質(zhì)量，裝置的所有閥門、管路都要進(jìn)行嚴(yán)格的硅烷化處理，該技術(shù)一般為企業(yè)專有技術(shù)，該技術(shù)在氣瓶的內(nèi)壁處理得到廣泛的推廣。

管線與外界的連接接頭需要標(biāo)準(zhǔn)化，這樣不僅可以與市場上各種軟管及卡子相連，而且還可以很方便與配套的氣體終端純化裝置連接。終端純化是標(biāo)準(zhǔn)混合氣配制重要技術(shù)措施之一。終端純化裝置在配制諸如氮中微量氧；氫、氦中微量氧、氮、一氧化碳；氧中微量烴；氬中微量氧、氮等具有非常大的作用。例如要配制N2中1～2 ppm的O2，瓶裝高純氮中有時本身就含有2 ppm以上的O2，所以如果不將高純氮進(jìn)行終端純化，就很難配制這種標(biāo)準(zhǔn)混合氣了。經(jīng)過終端純化，可使氮中氧脫除到小于1 ppm，因為稀釋氣本身變成“無氧”了，配制1～2 ppm，甚至小于1 ppm的氧就方便多了。

除了上述所列配制氣體外，還有其它組分有時也需要終端純化，例如要配制乙炔混合氣，高壓純乙炔原料氣市場上很難買到，因為高壓純乙炔容易發(fā)生分解爆炸，所以一般氣體公司不生產(chǎn)或灌裝高壓純乙炔，能買到的也只是低壓的，壓力低于1.0 MPa，但是焊接用乙炔，市場可隨意買到，但此種乙炔氣不僅含有丙酮，而且含有幾十～幾百甚至上千ppm空氣、甲烷等雜質(zhì)，如果采用終端純化技術(shù)，乙炔原料氣就可自己解決了。

所以配氣裝置上設(shè)置可以與終端純化裝置相連接的接頭是十分必要的。

2.4 壓力表

配氣裝置上設(shè)置的壓力表都為標(biāo)準(zhǔn)壓力表，以便于用分壓法配制標(biāo)氣。根據(jù)不同量程的測壓需要，因此設(shè)置四塊不同量程的壓力表。壓力表的精度都為0.25級，此精度為當(dāng)前國內(nèi)最準(zhǔn)確的壓力表。國內(nèi)精密壓力表生產(chǎn)廠家較多，質(zhì)量相差甚遠(yuǎn)，在選購時要高度的注意，否則容易發(fā)生安全方面的事故。我們曾用某合資企業(yè)的精密壓力表，在固定時軸部的接頭部分竟開裂扭斷，若在高壓下使用，其后果難以想象。

壓力表表面直徑15 cm，為了便于拆裝，接頭部分設(shè)置是軸向進(jìn)入的。 之所以壓力表都設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)表，其理由正如上面已經(jīng)敘述的，以便于用分壓法配制標(biāo)準(zhǔn)混合氣。分壓法配制標(biāo)氣與稱量法比較其速度快得多，當(dāng)配制標(biāo)氣數(shù)量很大時，稱量法有時就顯得力不從心，此時用分壓法，就快速得多。但分壓法必須與比較法相結(jié)合。即必須有一整套高精度的分析儀器相配合。這時才能充分發(fā)揮分壓法的作用。分析儀器所用的標(biāo)氣，則用稱量法配制，有時還從好幾家購入，甚至從國外有名公司購入，以便于準(zhǔn)確比對定標(biāo)。國內(nèi)同行也有采用壓力傳感器替代傳統(tǒng)的壓力表，但其探頭能否因腐蝕造成測量誤差，是否具有較好的線性，有待于繼續(xù)的考察，相信隨著儀表技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展各類壓力測試儀器必然會大量出現(xiàn)。

2.5 注射取樣口

配制ppm級常溫下飽和蒸氣壓很低的液體的標(biāo)準(zhǔn)混合氣，常規(guī)的稀釋法已無能為力，因為該組分飽和蒸氣壓很低，無法配制出濃度較高的中間稀釋氣，此類標(biāo)氣需用其它特殊方法配制。

它的一般的配制方法有二種：安瓿瓶法和注射法。安瓿瓶法就是用微型天平稱取一定質(zhì)量(一般為數(shù)毫克)要配制的組分，放入至安瓿瓶中然后封死，裝入至瓶內(nèi)(卸去閥門，從瓶口放入)，之后裝好閥門，抽空，充入稀釋氣，上下?lián)u動氣瓶，將安瓿瓶打碎，安瓿瓶中液體就逐漸揮發(fā)至稀釋氣中，這標(biāo)準(zhǔn)氣就配好了。另一種是采用針管稱取一定質(zhì)量的液體從專門接頭注入至氣瓶內(nèi)，然后充入稀釋氣。這二種方法都可采用，視本單位具體條件而定。而ppm級常溫下為氣體的組分也可用注射法配制。對于總壓很低，組分濃度也很低的標(biāo)氣用通常的稀釋法，顯得稀釋次數(shù)太多，所花時間太多，而且積壓過多的中間稀釋氣瓶，如果配制單位有足夠的分析儀器條件，此種情況下，可用針管抽取一定數(shù)量氣體，用注射法配制。配制好的標(biāo)氣再用比較法定標(biāo)。這種配制方法就比單純的稀釋法快捷得多。

對于配制常溫下易于液化組分的標(biāo)氣，有時需要一邊充填一邊稱量以便隨時觀察充入質(zhì)量的大小。因為易于液化的組分，在充入時，僅增加質(zhì)量，壓力表的讀數(shù)反應(yīng)不敏感。這就需要一種特殊的充瓶卡子，使充入質(zhì)量不受外界的影響。

3 分析儀器的購置

檢測儀器對于標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)至關(guān)重要，轉(zhuǎn)型期的氣體公司儀器選購存在兩個問題，一是覺得儀器太貴，不知何時能夠賺回儀器成本，顯得沒有信心；另一類是財大氣粗不惜血本瘋狂采購大型儀器，這兩點都不正確，第一種觀點居多，實際上隨著我國制造業(yè)尤其是?；沸袠I(yè)的發(fā)展，行業(yè)門檻不斷提高，避免目前我國同類產(chǎn)品生產(chǎn)廠家太多相互無序競爭的局面，要進(jìn)入特氣門檻，必須具備應(yīng)有的儀器。第二種的老板筆者見過很多，由于對儀器功能不了解，盡管儀器購買了，但許多功能不具備。建議在買儀器時最好找業(yè)內(nèi)人士多研究，多比較合理配置，盡量發(fā)揮儀器的功效，減少無謂的花銷。

4 資質(zhì)的獲取

標(biāo)準(zhǔn)氣體屬于計量管理范疇，它是用戶產(chǎn)品檢測定性、定值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，起到“尺子”的作用，標(biāo)準(zhǔn)氣體的準(zhǔn)確性如何，嚴(yán)重影響用戶測量的準(zhǔn)度。同時標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的生產(chǎn)者必須獲得政府許可的制造資質(zhì)，否則屬于非法行為，用戶也不敢采用，因受到嚴(yán)重的懲罰，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的獲取必須建立在上述人力、設(shè)備、儀器完整基礎(chǔ)上才有可能申報。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類繁多，確定申請哪類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要取決于企業(yè)未來的目標(biāo)市場，然后組織撰寫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制報告，根據(jù)相關(guān)規(guī)定提供系列的資料，經(jīng)過答辯等規(guī)定環(huán)節(jié)，合格后國家質(zhì)檢總局頒發(fā)公司擁有的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書，給公司研制的標(biāo)準(zhǔn)氣體一個特定的編號，自此企業(yè)具備了生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的合法地位。

5 結(jié) 論

針對許多工業(yè)氣體公司轉(zhuǎn)型特氣制造公司過程中存在的問題，介紹了標(biāo)準(zhǔn)氣體制備過程所涉及的幾個重要環(huán)節(jié)。相信通過認(rèn)真的轉(zhuǎn)型，許多氣體公司會在工業(yè)氣體的基礎(chǔ)上，為中國標(biāo)準(zhǔn)氣體區(qū)域化發(fā)展做出輝煌的業(yè)績。

[1] 孫福南，吳江紅，馮慶祥.新型標(biāo)準(zhǔn)氣體配氣裝置研制[J].2007，25(4)：19-22.

Preparation of Standard Gases

CONG Lin,HAN Wei,LIU Yu

(Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Dalian 116031,China)

The preparation method and device of standard gas are introduced.The necessity of localized supply of standard gas in our country is emphasized,and the necessary administrative procedure for standard gas production is pointed out.The tooling equipment necessary for the preparation of standard gases is described.

standard gas; comparator; gas distribution device

2017-07-01

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0031-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.010

叢 林(1984)，男，本科學(xué)歷，助力工程師?，F(xiàn)工作于中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司高純氨研究中心。