分壓法制備高壓氦-氧混合氣的HYSYS模擬計算研究

李均方，張瑞春，王禮翔

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

氦氧混合氣在醫療、潛水等方面有著重要的用途，目前市場上已有商業化產品，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，適用于實驗室少量標準氣的制備；而市場混合氣用量較大，故分壓法得到廣泛的工業化應用[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 氣體狀態方程的選擇

氦氧混合氣一般采用鋼質無縫氣瓶充裝，產品壓力受氣瓶額定工作壓力的限制，我國為15 MPa。

在一定的壓力和溫度下如何準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方程會對氣體壓縮因子產生重要影響(表2)。本文選用SRK、PR、PPSV、BWRS4種方程來計算氦和氧的密度，并與文獻[5]中密度進行比較，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值的比較

圖2 20 MPa不同溫度下4種方程氦密度與文獻值的比較

圖3 300 K不同壓力下4種方程氦密度與文獻值的比較

圖4 2 MPa不同溫度下4種方程氧密度與文獻值的比較

圖5 300 K不同壓力下4種方程氧密度與文獻值的比較

可以看出，計算密度與文獻值相比，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方程來計算氦氧混合氣的制備，相對誤差最小，見表1。

2 研究內容

2.1 模型的建立及計算結果

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，通過ADJ-1調整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。當實際氧的壓力和溫度與計算值偏離或混合氣壓力和溫度與計算值偏離時，則意味著氧或氦的摩爾流量與計算值偏離，但體積量一定，因此通過ADJ-4來調整O2-2的摩爾流量，使O2-2的體積流量與O2的體積流量相等，同時通過ADJ-5來調整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種方程計算結果與文獻值百分偏差

注：表中偏差值計算公式為：(計算值-文獻值)/文獻值×100%，負值表示計算值比文獻值小。

圖6 分壓法配置氦氧混合氣HYSYS模型

模擬結果表明：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%純度的醫用氧氣至壓力2823 kPa @25℃，且醫用氧壓力隨溫度呈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。不同方程的計算結果見表2。

表2 4種狀態方程計算結果

續表2

2.2 生產工藝參數的確定(不確定度的確定和誤差分配)

2.2.1原料氧氣純度對混合氣氧含量的影響

假設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見圖7?？梢娫涎跫兌仍?9.5%～100%變化時，混合氣氧含量變化<0.1%，影響極小。

圖7 原料氧純度對混合氣氧含量的影響

2.2.2原料氧氣充裝壓力對混合氣氧含量的影響

假設其他條件不變，混合氣氧含量隨氧氣充裝壓力測量控制不準的變化趨勢見圖8?？梢钥闯觯涸涎鯕獬溲b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混合氣氧含量的影響

2.2.3原料氧氣充裝溫度對混合氣氧含量的影響

假設其他條件不變，混合氣氧含量隨氧氣充裝溫度測量控制不準的變化趨勢見圖9，可見：原料氧氣充裝后溫度對結果的影響較大，±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混合氣氧含量的影響

2.2.4混和氣壓力溫度誤差對產品氧純度的影響

假設其他條件不變，混合氣氧含量隨混合氣充裝壓力測量控制不準的變化趨勢見圖10，可見：混合氣充裝壓力對結果的影響較小，±100 kPa可帶來±0.12%～0.13%的氧含量改變。

圖10 充裝壓力對混合氣氧含量的影響

假設其他條件不變，混合氣充裝后溫度測量控制不準確對混合氣氧含量的影響見圖11，可見：混合氣充裝后溫度對結果的影響較大，±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確測量與控制均會對制備的氦氧混合氣氧含量的不確定度產生影響，工業生產中應特別重視對氧壓力、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，計算方法本身也存在不確定度，其計算公式為：

3 結 論

1. 分壓法配制混合氣時，需準確獲知混合氣和擬充裝組份的壓縮因子，對如何選用狀態方程來計算壓縮因子國際標準ISO6146:1983中沒有詳細介紹[1]。本文采用氣體狀態方程來計算物質性質，不同方程的計算值差別較大，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值密度比較來確定狀態方程的適應性，推薦SRK方程來計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，模擬出原料氧氣純度、壓力、溫度、混合氣壓力和溫度等對混合氣氧含量的影響，對工業上如何準確控制氦氧混合氣的質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，可滿足分壓法對氧含量為(20±0.5)%的氦氧混合氣配制不確定度要求。