李均方，張瑞春，王禮翔

(中國(guó)石油西南油氣田公司 成都天然氣化工總廠，成都 天府新區(qū) 華陽(yáng) 天研路 152號(hào) 610213)

氦氧混合氣在醫(yī)療、潛水等方面有著重要的用途，目前市場(chǎng)上已有商業(yè)化產(chǎn)品，如HELIOX[6]?；旌蠚庵醒鹾恳话阍?.5%～21%，要求配制精度控制在±0.5%。目前配制這類混合氣的方法主要有重量法和分壓法，其中重量法配制精度較高，但過程繁瑣，適用于實(shí)驗(yàn)室少量標(biāo)準(zhǔn)氣的制備；而市場(chǎng)混合氣用量較大，故分壓法得到廣泛的工業(yè)化應(yīng)用[1-4]。但分壓法配制混合氣的不確定度較大，因此如何加強(qiáng)分壓法過程的精確控制，減少配制過程的不確定度顯得尤為重要。

1 氣體狀態(tài)方程的選擇

氦氧混合氣一般采用鋼質(zhì)無縫氣瓶充裝，產(chǎn)品壓力受氣瓶額定工作壓力的限制，我國(guó)為15 MPa。

在一定的壓力和溫度下如何準(zhǔn)確確定混合氣和擬配氣的壓縮因子十分重要，而選用不同的氣體狀態(tài)方程會(huì)對(duì)氣體壓縮因子產(chǎn)生重要影響(表2)。本文選用SRK、PR、PPSV、BWRS4種方程來計(jì)算氦和氧的密度，并與文獻(xiàn)[5]中密度進(jìn)行比較，如圖1～5所示。

圖1 10 MPa不同溫度下4種方程氦密度與文獻(xiàn)值的比較

圖2 20 MPa不同溫度下4種方程氦密度與文獻(xiàn)值的比較

圖3 300 K不同壓力下4種方程氦密度與文獻(xiàn)值的比較

圖4 2 MPa不同溫度下4種方程氧密度與文獻(xiàn)值的比較

圖5 300 K不同壓力下4種方程氧密度與文獻(xiàn)值的比較

可以看出，計(jì)算密度與文獻(xiàn)值相比，誤差隨密度的增加而增大，即隨著壓力的增加和溫度的降低而密度誤差增大；采用不同方程計(jì)算的誤差不同，在混合氣制備的常見溫度(200～400 K)和常見壓力(1～20 MPa)下，推薦SRK方程來計(jì)算氦氧混合氣的制備，相對(duì)誤差最小，見表1。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 模型的建立及計(jì)算結(jié)果

用HYSYS軟件模擬分壓法配置氦氧混合氣的模型見圖6。其原理是，在O2溫度已知時(shí)，通過ADJ-1調(diào)整O2的壓力使O2的體積流量與混合氣HELIOX的體積流量相等，并由此來確定先充裝氧的壓力。當(dāng)實(shí)際氧的壓力和溫度與計(jì)算值偏離或混合氣壓力和溫度與計(jì)算值偏離時(shí)，則意味著氧或氦的摩爾流量與計(jì)算值偏離，但體積量一定，因此通過ADJ-4來調(diào)整O2-2的摩爾流量，使O2-2的體積流量與O2的體積流量相等，同時(shí)通過ADJ-5來調(diào)整HE-2的摩爾流量使HELIOX-2的體積流量與HELIOX的體積流量相等。

表1 不同條件下4種方程計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值百分偏差

注：表中偏差值計(jì)算公式為：(計(jì)算值-文獻(xiàn)值)/文獻(xiàn)值×100%，負(fù)值表示計(jì)算值比文獻(xiàn)值小。

圖6 分壓法配置氦氧混合氣HYSYS模型

模擬結(jié)果表明：為制備含氧量為(20±0.5)%的氦氧混合氣，選用SRK方程，需先充裝99.5%純度的醫(yī)用氧氣至壓力2823 kPa @25℃，且醫(yī)用氧壓力隨溫度呈10.2 kPa/℃的線性變化；然后充裝99.999%純度的氦氣至壓力15 MPa @25℃，且混合氣壓力隨溫度呈50.7 kPa/℃線性變化。不同方程的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 4種狀態(tài)方程計(jì)算結(jié)果

續(xù)表2

2.2 生產(chǎn)工藝參數(shù)的確定(不確定度的確定和誤差分配)

2.2.1原料氧氣純度對(duì)混合氣氧含量的影響

假設(shè)充裝壓力和溫度不變，混合氣氧含量隨原料氧純度變化趨勢(shì)見圖7。可見原料氧純度在99.5%～100%變化時(shí)，混合氣氧含量變化<0.1%，影響極小。

圖7 原料氧純度對(duì)混合氣氧含量的影響

2.2.2原料氧氣充裝壓力對(duì)混合氣氧含量的影響

假設(shè)其他條件不變，混合氣氧含量隨氧氣充裝壓力測(cè)量控制不準(zhǔn)的變化趨勢(shì)見圖8。可以看出：原料氧氣充裝壓力±20 kPa的變化可造成混合氣氧含量±0.143%的改變，影響較大。

圖8 原料氧氣充裝壓力對(duì)混合氣氧含量的影響

2.2.3原料氧氣充裝溫度對(duì)混合氣氧含量的影響

假設(shè)其他條件不變，混合氣氧含量隨氧氣充裝溫度測(cè)量控制不準(zhǔn)的變化趨勢(shì)見圖9，可見：原料氧氣充裝后溫度對(duì)結(jié)果的影響較大，±2℃可帶來±0.14%～0.15%的混合氣氧含量改變。

圖9 原料氧氣充裝溫度對(duì)混合氣氧含量的影響

2.2.4混和氣壓力溫度誤差對(duì)產(chǎn)品氧純度的影響

假設(shè)其他條件不變，混合氣氧含量隨混合氣充裝壓力測(cè)量控制不準(zhǔn)的變化趨勢(shì)見圖10，可見：混合氣充裝壓力對(duì)結(jié)果的影響較小，±100 kPa可帶來±0.12%～0.13%的氧含量改變。

圖10 充裝壓力對(duì)混合氣氧含量的影響

假設(shè)其他條件不變，混合氣充裝后溫度測(cè)量控制不準(zhǔn)確對(duì)混合氣氧含量的影響見圖11，可見：混合氣充裝后溫度對(duì)結(jié)果的影響較大，±2℃可帶來±0.124%～0.130%的氧含量改變。

圖11 充裝溫度對(duì)混合氣氧含量的影響

綜上所述，原料氧純度、氧壓力、氧溫度、混合氣壓力和溫度的準(zhǔn)確測(cè)量與控制均會(huì)對(duì)制備的氦氧混合氣氧含量的不確定度產(chǎn)生影響，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)特別重視對(duì)氧壓力、氧溫度和混合氣溫度等的控制以提高混合氣制備的控制精度。另外，計(jì)算方法本身也存在不確定度，其計(jì)算公式為：

3 結(jié) 論

1. 分壓法配制混合氣時(shí)，需準(zhǔn)確獲知混合氣和擬充裝組份的壓縮因子，對(duì)如何選用狀態(tài)方程來計(jì)算壓縮因子國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6146:1983中沒有詳細(xì)介紹[1]。本文采用氣體狀態(tài)方程來計(jì)算物質(zhì)性質(zhì)，不同方程的計(jì)算值差別較大，文中比較了SRK、PR、PPSV、BWRS4種方程，通過氦氧混合氣制備壓力和溫度下的氣體密度與文獻(xiàn)值密度比較來確定狀態(tài)方程的適應(yīng)性，推薦SRK方程來計(jì)算氦氧混合氣的制備。

2. 本文通過HYSYS軟件建立混合氣配制模型，通過充裝前后的體積流量不變的特點(diǎn)，模擬出原料氧氣純度、壓力、溫度、混合氣壓力和溫度等對(duì)混合氣氧含量的影響，對(duì)工業(yè)上如何準(zhǔn)確控制氦氧混合氣的質(zhì)量提出可供選擇的控制措施。即控制原料氧和混合氣的溫度誤差不大于±1～2℃，原料氧的壓力測(cè)量誤差控制在±10～20 kPa的范圍，混合氣的壓力控制±50～100 kPa，可滿足分壓法對(duì)氧含量為(20±0.5)%的氦氧混合氣配制不確定度要求。