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一種實驗室微量氣體的計量裝置和計量方法
【專利摘要】一種實驗室微量氣體計量裝置，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進氣管、干燥柱、脫硫柱和進氣電磁閥，干燥柱內填充干燥劑，脫硫柱內填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管內裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內；控制單元包括液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關、電子讀數器和電源。本發明的優點是：該計量裝置結構簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實施，計量方法準確度高、適用性強，既可準確測定氣體產生總量和目標氣體量，又可測定氣體產生的速率，可完全滿足實驗室研究要求。
【專利說明】一種實驗室微量氣體的計量裝置和計量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及廢棄物厭氧消化處理【技術領域】，特別是一種實驗室微量氣體的計量裝置和計量方法。
【背景技術】
[0002]采用厭氧消化技術處理有機廢棄物或高濃度有機廢水時，產生的沼氣或甲烷是一種清潔能源，而沼氣或甲烷的產生量和沼氣組分是評價厭氧消化裝置和處理工藝優劣的關鍵參數。目前對實驗室內厭氧消化發酵裝置產氣量計量的方法主要有兩種，一是濕式氣體流量計，該儀器量程大，在計量實驗室規模的微量氣體時誤差較大，影響實驗精度；二是使用微量氣體流量計直接測量，這種進口儀器成本高，一般無法在實驗室中批量使用。采用本方法和系統，可以替代濕式氣體流量計和進口的微量氣體流量計，對厭氧發酵裝置產生的氣體進行精密測量，從而優化厭氧消化處理工藝。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是針對實驗室以往在微量氣體計量中存在的問題，提供一種實驗室微量氣體的計量裝置和計量方法，該計量裝置結構簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實施，計量方法準確度高、適用性強，既可準確測定氣體產生總量和目標氣體量，又可測定氣體產生的速率，可完全滿足實驗室研究要求。
[0004]本發明的技術方案:
一種實驗室微量氣體計量裝置，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進氣管、干燥柱、脫硫柱和進氣電磁閥并通過管道串聯連接，干燥柱和脫硫柱均為有機玻璃圓管，底部及頂部分別設有進氣口和出氣口，干燥柱內填充干燥劑，脫硫柱內填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管的一端分別設有U型計量管進氣管和U型計量管出氣管，U型計量管進氣管與進氣電磁閥的出口連接，U型計量管出氣管與出氣電磁閥的進口連接，出氣電磁閥通過出氣電磁閥出口管與氣體收集袋連接，U型計量管的另一端分別設有液位傳感器和U型計量管排氣管并通過U型計量管塞密封，U型計量管內裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內；控制單元包括液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關、電子讀數器和電源，液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關分別通過導線與液位傳感器、進氣電磁閥和出氣電磁閥連接。
[0005]所述有機玻璃圓管的規格為內徑10cm、壁厚5 mm、高度20cm，U型計量管為玻璃材質，帶容積刻度，內徑1.5-3cm、壁厚3 mm、有效高度20-30cm，U型計量管進氣管和出氣管、排氣管的內徑均為0.3cm。
[0006]所述干燥劑為硫酸鈣或硅膠，脫硫劑為氧化鐵或顆粒活性炭。
[0007]所述計量液體根據具體測量氣體種類和要求配置，在計量發酵管中微量沼氣時，計量液體為2wt%的鹽酸溶液；在計量沼氣中的甲烷時，計量液體為濃度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收沼氣中的酸性氣體組分。
[0008]一種利用所述實驗室微量氣體計量裝置的計量方法，實施方法如下:
1)操作流程:由實驗室反應器產生的氣體經過凈化單元的干燥柱和脫硫柱后，通過進氣控制電磁閥進入U型計量管，此時排氣控制電磁閥關閉，U型計量管內的計量液體在壓力作用下產生液位差，當該液位差達到設定值后，液位傳感器啟動，此時進氣控制電磁閥關閉，排氣控制電磁閥開啟，U型計量管內氣體經由排氣控制電磁閥排出，進入氣體收集袋中，帶有存儲功能的電子計數器，記錄不同時間氣體毫升讀數；U型計量管置于恒溫水浴槽內便于將產生氣體體積換算成標準狀況下數值。
[0009]2)氣體體積計算方法:
根據U型計量管內液體種類，確定其密度，然后根據U型計量管內“O”刻度處與液位傳感器位置的設定刻度高度差計算出滿刻度時水柱壓力，結合恒溫水浴槽的設定溫度，采用標準氣體狀態方程pV=nRT計算出所計量氣體的體積。
[0010]本發明的優點和積極效果:
該計量裝置結構簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實施，計量方法準確度高、適用性強，既可準確測定氣體產生 總量和目標氣體量，又可測定氣體產生的速率，可完全滿足實驗室研究要求。
[0011]【【專利附圖】

【附圖說明】】
圖1為該裝置結構示意圖。
[0012]圖中:1.進氣管 2.干燥柱 3.干燥劑 4.脫硫柱 5.脫硫劑
6.進氣電磁閥 7.U型計量管進氣管 8.U型計量管 9.計量液體
10.液位傳感器 11.U型計量管排氣管 12.U型計量管塞
13.U型計量管出氣管 14.出氣電磁閥 15.出氣電磁閥出口管
16.氣體收集袋 17.液位控制器 18.進氣電磁閥控制開關
19.出氣電磁閥控制開關 20.電子讀數器 21.恒溫水浴槽 22.電源
圖2為實施例1產沼氣曲線圖。
[0013]圖3為實施例2甲烷產氣速率圖。
[0014]【【具體實施方式】】
實施例1:
一種實驗室微量氣體計量裝置，如圖1所示，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進氣管1、干燥柱2、脫硫柱4和進氣電磁閥6并通過管道串聯連接，干燥柱2和脫硫柱4均為有機玻璃圓管，底部及頂部分別設有進氣口和出氣口，干燥柱2內填充干燥劑3，脫硫柱4內填充脫硫劑5 ;計量收集單元包括U型計量管8、恒溫水浴槽
21、出氣電磁閥14、出氣電磁閥出口管15和氣體收集袋16，U型計量管8的一端分別設有U型計量管進氣管7和U型計量管出氣管13，U型計量管進氣管7與進氣電磁閥6的出口連接，U型計量管出氣管13與出氣電磁閥14的進口連接，出氣電磁閥14通過出氣電磁閥出口管15與氣體收集袋16連接，U型計量管8的另一端分別設有液位傳感器10和U型計量管排氣管11并通過U型計量管塞12密封，U型計量管8內裝有計量液體9，U型計量管8置于恒溫水浴槽21內；控制單元包括液位控制器17、進氣電磁閥控制開關18、出氣電磁閥控制開關19、電子讀數器20和電源22，液位控制器17、進氣電磁閥控制開關18、排氣電磁閥控制開關19分別通過導線與液位傳感器10、進氣電磁閥6和出氣電磁閥14連接。
[0015]該實施例中，有機玻璃圓管的規格為內徑10cm、壁厚5 mm、有效高度20cm，U型計量管為玻璃材質，帶容積刻度，內徑2.5cm、壁厚3 mm、有效高度30cm，U型計量管進氣管和出氣管、排氣管的內徑均為0.3cm。
[0016]將該裝置用于計量農業廢棄物厭氧消化過程中5L厭氧消化反應器每天產生清潔能源沼氣的量，干燥劑為硫酸鈣，脫硫劑為氧化鐵，計量液體為2wt%的鹽酸溶液，實施方法如下:
I)操作流程:實驗反應器產生氣體經過填充硫酸鈣的干燥柱2和填充氧化鐵的脫硫柱4去除氣體中水蒸氣和硫化氫，此時進氣電磁閥6開啟，排氣電磁閥14關閉。凈化后的氣體通過進氣電磁閥6進入有效刻度50ml、填充2%的鹽酸溶液的U型計量管8，U型計量管8液位在壓力作用下產生液位差，當高液位到50ml刻度即高液位傳感器10時，進氣電磁閥6關閉，排氣電磁閥14開啟，氣體經U型計量管出氣管13通過出氣電磁閥14經出氣電磁閥出口管15進入氣體收集袋16，此時電子計數器計數讀數增加I，體積讀數增加50ml。排氣電磁閥14開啟后，U型計量管高液位下降，經過5秒鐘的穩定時間，U型計量管8內液位穩定在“ 0 ”刻度處，此時出氣電磁閥14關閉，進氣電磁閥6開啟，氣體進入U型計量管8，如此循環。
[0017]2)氣體體積計算方法:U型計量管8置于35°C恒溫水浴槽21內，根據實驗要求，每24h記錄電子讀數器20中讀數和U型計量管8中液位升高的體積數(mL)，兩者之和為實驗開始至記錄時產生沼氣總量，后一次沼氣量讀數與前一次沼氣量讀數差值即為此間24h內產生的沼氣量，然后利用理想氣體狀態方程pV=nRT，折算成標準狀況(0°C，I個標準大氣壓)下每天產生沼氣總量。
[0018]具體計算方法為山型計量管內高液位時壓力？。=2 0811=2\1.0082\103\9.8\1
0.2X1(T2=2015.6Pa，標準狀況下每天產沼氣量 V=[ (101000+2015.6)/101000X 124.6-74.6]X 273/(273+35) XN=46.52 XN mL，其中 1.0082 為 2wt% 鹽酸溶液的密度(lg/mL)，10.2 為U型計量管50ml刻度與“0”刻度液位差(cm)，101000為標準大氣壓(Pa)，124.6為U型計量管最大液位差時管內充氣室容積(mL)，74.6為U型管內液位差為0時充氣室容積(mL)，N為每天電子計數器數值增加值。
[0019]該實施例分別對兩個反應器進行實驗，在30天實驗周期內兩個反應器累計產沼氣量分別為71.9196 L和141.455L，產氣曲線如圖2所示。
[0020]實施例2:
一種實驗室微量氣體計量裝置，與實施例1基本相同，不同之處如下。
[0021]將該裝置計量農業廢棄物厭氧消化過程中5L厭氧消化反應器累積產生甲烷氣的量并繪制產甲烷速率曲線，干燥劑為硅膠，脫硫劑為顆粒活性炭，計量液體為濃度4mol/L%的NaOH溶液，實施方法如下:
I)操作流程:實驗反應器產生沼氣經過填充硫酸鈣的干燥裝置2和填充氧化鐵的脫硫裝置4去除氣體中水蒸氣和硫化氫，此時進氣電動閥6開啟，出氣電磁閥14關閉。凈化后的氣體通過進氣電磁閥6進入工作刻度25ml、填充4mol/L的NaOH溶液的U型計量管8，U型計量管8液位在壓力作用下產生液位差，當高液位到25ml刻度即高液位傳感器10時，進氣電磁閥6關閉，出氣電磁閥14開啟，氣體經U型計量管出氣管13通過出氣電磁閥14經出氣電磁閥出口管15進入氣體收集袋16，此時電子計數器計數讀數增加I，體積讀數增加25ml。出氣電磁閥14開啟后，U型計量管高液位下降，經過5秒鐘的穩定時間，U型計量管8內液位穩定在“O”刻度處，此時出氣電磁閥14關閉，進氣電磁閥6開啟，氣體進入U型計量管8,如此循環。
[0022]2)氣體體積計算方法:U型計量管8置于35°C恒溫水浴槽21內，根據實驗要求，間隔2h記錄電子讀數器20中讀數和U型計量管8中液位升高的體積數(mL)，兩者之和為2h內產生甲烷量，后一次甲烷量與前一次甲烷量差值即為此間2h內產生的甲烷量，然后利用理想氣體狀態方程pV=nRT，折算成標準狀況((TC，I個標準大氣壓)下甲烷產量，并以此繪制厭氧消化過程產甲烷速率曲線，產甲烷量計算方法同實施例1，不同之處為4mol/L NaOH液體的密度為1.150g/mL。該實施例分別對三個反應器進行實驗，實驗中三個反應器產甲烷速率曲線見圖3。
[0023]本裝置適合實驗室內各種單一或成分復雜氣體的高精度流量計量裝置，誤差符合計量標準要求。
【權利要求】
1.一種實驗室微量氣體計量裝置，其特征在于:由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進氣管、干燥柱、脫硫柱和進氣電磁閥并通過管道串聯連接，干燥柱和脫硫柱均為有機玻璃圓管，底部及頂部分別設有進氣口和出氣口，干燥柱內填充干燥劑，脫硫柱內填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管的一端分別設有U型計量管進氣管和U型計量管出氣管，U型計量管進氣管與進氣電磁閥的出口連接，U型計量管出氣管與出氣電磁閥的進口連接，出氣電磁閥通過出氣電磁閥出口管與氣體收集袋連接，U型計量管的另一端分別設有液位傳感器和U型計量管排氣管并通過U型計量管塞密封，U型計量管內裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內；控制單元包括液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關、電子讀數器和電源，液位控制器、進氣電磁閥控制開關、出氣電磁閥控制開關分別通過導線與液位傳感器、進氣電磁閥和出氣電磁閥連接。
2.根據權利要求1所述實驗室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述有機玻璃圓管的規格為內徑10cm、壁厚5 inm、高度20cm，U型計量管為玻璃材質，帶容積刻度，內徑1.5-3cm、壁厚3 mm、有效高度20-30cm，U型計量管進氣管和出氣管、排氣管的內徑均為0.3cm。
3.根據權利要求1所述實驗室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述干燥劑為硫酸鈣或硅膠，脫硫劑為氧化鐵或顆粒活性炭。
4.根據權利要求1所述實驗室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述計量液體根據具體測量氣體種類和要求配置，在計量發酵管中微量沼氣時，計量液體為2wt%的鹽酸溶液；在計量沼氣中的甲烷時，計量液體為濃度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收氣體中的酸性氣體組分。
5.一種利用權利要求1所述實驗室微量氣體計量裝置的計量方法，其特征在于實施方法如下: 1)操作流程:由實驗室反應器產生的氣體經過凈化單元的干燥柱和脫硫柱后，通過進氣控制電磁閥進入U型計量管，此時排氣控制電磁閥關閉，U型計量管內的計量液體在壓力作用下產生液位差，當該液位差達到設定值后，液位傳感器啟動，此時進氣控制電磁閥關閉，排氣控制電磁閥開啟，U型計量管內氣體經由排氣控制電磁閥排出，進入氣體收集袋中，帶有存儲功能的電子計數器，記錄不同時間氣體毫升讀數；U型計量管置于恒溫水浴槽內以便于將產生氣體體積換算成標準狀況下數值； 2)氣體體積計算方法: 根據U型計量管內液體種類，確定其密度，然后根據U型計量管內“O”刻度處與液位傳感器位置的設定刻度高度差計算出滿刻度時水柱壓力，結合恒溫水浴槽的設定溫度，采用標準氣體狀態方程pV=nRT計算出所計量氣體的體積。
【文檔編號】G01F22/02GK103674156SQ201310741544
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】杜連柱, 張克強, 黃治平, 楊鵬, 梁軍鋒 申請人:農業部環境保護科研監測所