阅读说明：本技术 一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置与方法 (Device and method for preparing carbon dioxide gas containing air and having different concentrations ) 是由 刘立熙 朱亮亮 邓晓彬 陈曦 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种配制含空气的不同浓度CO<Sub>2</Sub>气体的装置与方法,属于混合气体的配气领域；所述装置包括高纯CO<Sub>2</Sub>气瓶、高压反应釜、空压机、真空泵、CO<Sub>2</Sub>气体减压阀、高精度数显压力表和气体管路；配气时先根据所要配制的混合气的浓度和压力计算空气和CO<Sub>2</Sub>的分压,然后利用空压机或真空泵调整好空气用量,最后将CO<Sub>2</Sub>经减压阀减压后通入高压反应釜中,至预设压力后静置片刻即可完成配气；采用本发明所述的装置及方法配制CO<Sub>2</Sub>气体,不仅成本低廉,操作简便省时,而且气体浓度可任意调节,配气精度高,是一种适合大规模推广应用的混合气配制装置与方法。(The invention provides a method for preparing CO containing air with different concentrations 2 A gas device and a method belong to the field of gas distribution of mixed gas; the apparatus comprises high purity CO 2 Gas cylinder, high-pressure reaction kettle, air compressor, vacuum pump and CO 2 A gas pressure reducing valve, a high-precision digital display pressure gauge and a gas pipeline; when distributing air, the air and CO are calculated according to the concentration and pressure of the mixed gas to be prepared 2 The air consumption is adjusted by an air compressor or a vacuum pump, and finally CO is added 2 Reducing the pressure by a pressure reducing valve, introducing the mixture into a high-pressure reaction kettle, standing the mixture for a moment after the preset pressure is reached, and completing gas distribution; the device and the method of the invention are adopted to prepare CO 2 The gas has low cost, simple and time-saving operation, adjustable gas concentration and high gas distribution precision,is a mixed gas preparation device and a method suitable for large-scale popularization and application.)

一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置与方法

技术领域

本发明属于混合气体的配气领域，具体涉及一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置与方法。

背景技术

众所周知，CO₂是导致温室效应的一种重要的温室气体，能在大气层中长期停留。自18世纪中叶工业革命以来，全球CO₂排放量显著增加，据估计已增加了45％以上。2017年全球大气浓度为405.0±0.1ppm，创下全球观测史上的新高。应对全球变暖、解决温室效应已经刻不容缓。目前，一种主流的应对途径是将生产生活中排放的CO₂进行捕集并利用、封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,简称CCUS)。然而，各种捕集技术都不能够直接得到高纯CO₂，而对不纯CO₂进行提纯会大幅增加捕集成本，因此需要对不同浓度CO₂气体的应用进行广泛的研究。然而，直接从气体厂家采购低浓度CO₂，得到的通常是由氮气、氧气和二氧化碳气混合而成的混合气，不仅价格高，而且气体浓度和成分都无法满足要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置与方法，采用本发明所述的装置及方法配制混合气不仅成本低廉，操作简便省时，而且气体浓度可任意调节，配气精度高，是配制含空气的CO₂混合气的最佳方案，值得大规模推广应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置，包括高纯CO₂气瓶1、高压反应釜4、空压机9、真空泵10、CO₂气体减压阀2、高精度数显压力表6和连接各部分的气体管路；

其连接关系如下：高纯CO₂气瓶1的出气口直接与CO₂气体减压阀2的进气端连接，CO₂气体减压阀2的出气端通过管路与高压反应釜4的第一进气阀3连接，组成原料气CO₂的进气装置；空压机9通过管路与高压反应釜4的第二进气阀7连接，组成空气进气装置；真空泵10通过管路与高压反应釜4的第三进气阀8相连接，组成抽气装置；反应釜上安装用于检测高压反应釜内气压的高精度数显压力表6。

本发明所述CO₂气体减压阀2的输入范围为0-25MPa，输出范围为0-1MPa。

本发明所述真空泵10为旋片式真空泵，可抽真空至-0.9bar。

本发明所述空压机9为全无油静音空气压缩机，储气量35L，排气量150L/min。

本发明所述高压反应釜4为316L不锈钢材质，可承受2MPa压力。

本发明所述高精度数显压力表6的测量范围为-0.1-10MPa，精度等级0.4级。

一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的方法，利用上述装置，采用以下步骤：

(1)确定反应所需CO₂的质量百分比m％和压力P(bar)，根据道尔顿分压定律，计算出空气的分压为P_A＝(100-m)％*(P+1)；

(2)若空气分压P_A大于1bar，则打开第二进气阀7，用空压机9向高压反应釜4中注入压缩空气，至高精度数显压力表6的读数为(P_A-1)bar，之后静置30秒确保读数稳定在(P_A-1)bar；若空气分压P_A不超过1bar，打开第三进气阀8，用真空泵10抽出高压反应釜4中的部分空气，至高精度数显压力表6的读数为(1-P_A)bar，静置30秒确保读数稳定在(P_A-1)bar；

(3)打开第一进气阀3，将高纯CO₂气瓶1中的高纯CO₂经CO₂气体减压阀2减压后通入高压反应釜4中，至高精度数显压力表6读数为P，静置30秒确保读数稳定在P。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)只需采购瓶装高纯CO₂作为原料气，空气可利用空压机从大气中直接获得，所以成本比采购瓶装混合气大幅降低，并且气体组分与捕集技术得到的气体更加吻合；

(2)配气方法十分简便，只需控制少量阀门来调节气体压力即可完成，并且耗时很短，可在两三分钟内配成；

(3)与采购的瓶装混合气相比(每瓶气只有一种浓度)，本发明仅需一瓶高纯度CO₂作为原料气即可配制出0％-99％范围内的任意浓度混合气，并且浓度精度高于瓶装混合气。

综上，从成本、操作便捷性及气体浓度范围和精度方面考虑，本发明是已知的配制含空气的CO₂混合气的最佳方案。

附图说明

图1为配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的装置，包括高纯CO₂气瓶1、高压反应釜4、空压机9、真空泵10、CO₂气体减压阀2、高精度数显压力表6和连接各部分的气体管路；

其连接关系如下：高纯CO₂气瓶1的出气口直接与CO₂气体减压阀2的进气端连接，CO₂气体减压阀2的出气端通过管路与高压反应釜4的第一进气阀3连接，组成原料气CO₂的进气装置；空压机9通过管路与高压反应釜4的第二进气阀7连接，组成空气进气装置；真空泵10通过管路与高压反应釜4的第三进气阀8相连接，组成抽气装置；反应釜上安装用于检测高压反应釜内气压的高精度数显压力表6。

作为的优选实施方式，所述CO₂气体减压阀2的输入范围为0-25MPa，输出范围为0-1MPa。

作为的优选实施方式，所述真空泵10为旋片式真空泵，可抽真空至-0.9bar。

作为的优选实施方式，所述空压机9为全无油静音空气压缩机，储气量35L，排气量150L/min。

作为的优选实施方式，所述高压反应釜4为316L不锈钢材质，可承受2MPa压力。

作为的优选实施方式，所述高精度数显压力表6的测量范围为-0.1-10MPa，精度等级0.4级。

利用上述装置配制含空气的不同浓度二氧化碳气体的方法，采用以下步骤：

(1)设定反应所需CO₂的质量百分比为70％，高压反应釜4内的压力为1bar，根据道尔顿分压定律，计算得到空气的分压为P_A＝(100-70)％*(1+1)＝0.6bar；

(2)因为空气分压小于1bar，所以打开第三进气阀8，用真空泵10抽出高压反应釜4中的部分空气，至高精度数显压力表6的读数为-0.4bar，静置30秒确保读数稳定在-0.4bar；

(3)打开第一进气阀3，将高纯CO₂气瓶1中的高纯CO₂经CO₂气体减压阀2减压后通入高压反应釜4中，至高精度数显压力表6读数为1bar，静置30秒确保读数稳定在1bar，即得到CO₂浓度为70％，压力为1bar的混合气。

实施例2

利用例1的装置，配制含10％CO₂的混合气，配气过程无需使用真空泵，具体采用以下步骤：

(1)设定反应所需CO₂的质量百分比为10％，高压反应釜4内的压力为5bar，根据道尔顿分压定律，计算得到空气的分压为P_A＝(100-10)％*(5+1)＝5.4bar；

(2)因为空气分压大于1bar，所以打开第二进气阀7，用空压机9向高压反应釜4中注入压缩空气，至高精度数显压力表6的读数为4.4bar，之后静置30秒确保读数稳定在4.4bar；

(3)打开第一进气阀3，将高纯CO₂气瓶1中的高纯CO₂经CO₂气体减压阀2减压后通入高压反应釜4中，至高精度数显压力表6读数为5bar，静置30秒确保读数稳定在5bar，即得到CO₂浓度为10％，压力为5bar的混合气。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该为本发明的保护范围。