Спосіб приготування суміші з n газів заданого процентного складу

Реферат: Винахід належить до техніки отримання газових сумішей потрібного складу і може бути застосований в різних галузях промисловості, зокрема при метрологічному забезпеченні виробничих процесів в іонно-плазмових технологіях отримання покриттів різного функціонального призначення та ін. Спосіб приготування суміші з N газів заданого процентного складу полягає в попередній підготовці змішувальної камери шляхом здійснення М-кратної подачі до тиску Рпр. в змішувальну камеру з наступним скиданням до атмосферного тиску Ратм. газу, що має максимальне процентне значення в суміші, кількість подач і скидів газу Μ визначають необхідною точністю вмісту цього газу в суміші при тиску Рпр., а після підготовки змішувальної камери послідовно подають у неї кожен з N газів до парціальних тисків, відповідних заданому процентному складу суміші, при цьому тиск газової суміші Рсм в змішувальній камері встановлюють за умови Pсм  N  Pатм . Спосіб дозволяє отримувати газові суміші зі значно вищою продуктивністю порівняно зі способом-прототипом при одночасному спрощенні реалізації способу. UA 112566 C2 (12) UA 112566 C2 UA 112566 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до техніки отримання газових сумішей необхідного складу і може бути застосований в різних галузях промисловості, зокрема при метрологічному забезпеченні виробничих процесів в іонно-плазмових технологіях отримання покриттів різного функціонального призначення та ін. Відомий спосіб отримання сумішей газів шляхом напуску окремих газів через роздільні канали, забезпечені регулюючими елементами, в робочий об'єм, описаний в [Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987., с. 57-58, рис. 2.2], який реалізується за допомогою пристрою СНA2. Отримати цим способом суміш газів з високою точністю співвідношення компонент в робочому обсязі неможливо, оскільки дозування напуску газів здійснюється з точністю 15-20 % шкали вимірювача тиску [див. Система напуска СНА-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2.950.126 ТО, лист 4], що призводить до зниження якості обробки. На практиці часто застосовують спосіб отримання суміші газів, що полягає в послідовному напуску в робочий балон декількох газів з окремих балонів з високим тиском [Вершина А.К. Комбинированная плазменно-вакуумная обработка дереворежущего инструмента. Электронная обработка материалов, 2009 - № 3. - С. 86-91]. При цьому процентний склад суміші створюють зміною тисків в робочому балоні і балонах з газами, що входять в суміш (як правило, обсяги балонів рівні). До переваг цього способу належить простота отримання суміші і стабільність співвідношення газів в обсязі, до недоліків - порівняно невисока точність процентного складу одержуваних газових сумішей (похибка на рівні кількох відсотків) і низька оперативність приготування суміші газів. Відомий спосіб отримання суміші газів необхідного складу за патентом України № 85625 МПК B01F 3/00, в якому підготовка суміші газів для технологічних установок заданого процентного складу полягає в послідовній подачі ij дискретних порцій j-го газу в попередньо відкачану змішувальну камеру і задання процентного вмісту газу в суміші числом ij. Даний спосіб при циклічній подачі порцій газів дозволяє отримувати суміші газів з високою точністю співвідношення компонентів. Його основним недоліком є необхідність визначення тимчасової послідовності подачі дискретних порцій кожного газу в циклі приготування суміші, що значно ускладнює реалізацію способу на практиці. Найбільш близьким до запропонованого способу по технічній суті є спосіб приготування суміші з N газів необхідного складу за заявкою на видачу патенту України № а201303174 від 15.03.2013, рішення про видачу патенту на винахід, вих. № 12092/3А/14 від 20.05.2014, вибраний як прототип. У способі-прототипі підготовка суміші газів для технологічних установок заданого процентного складу полягає в попередній підготовці змішувальної камери і подальшої подачі складових газів до відповідних заданому процентному складу парціальних тисків у змішувальну камеру. У даному способі підготовку змішувальної камери здійснюють шляхом її відкачування форвакуумним насосом, а подальша подача складових газів до відповідних процентному складу парціальних тисків у змішувальну камеру відбувається дискретними порціями рівного об'єму, з перевіркою перед подачею кожної порції умов попадання в заданий допуск на відхилення парціального тиску кожного газу в суміші від заданого. Така послідовність дій забезпечує отримання сумішей газів із заданою точністю. Однак способу-прототипу притаманні суттєві недоліки, які полягають у наступному. Невисока продуктивність способу-прототипу, обумовлена: 1. Для підготовки змішувальної камери до приготування суміші її відкачують, що займає деякий час, обумовлений типом насоса і обсягом змішувальної камери (для змішувальної камери об'ємом 10 літрів при відкачці насосом 2НВР-5ДМ цей час складає близько 5 хвилин). 2. Тим, що для забезпечення високої точності вмісту газу в суміші його необхідно подавати невеликими порціями, кількість яких може доходити до декількох тисяч. Такий процес подачі газів вимагає значних тимчасових витрат (40 і більше хвилин для змішувальної камери ємністю 10 літрів). 3. Для забезпечення високої точності також необхідно попередньо стабілізувати вхідні тиски газів, що також займає певний час. До недоліків належить і висока складність його реалізації, оскільки для здійснення способу необхідно обов'язково вирівняти (стабілізувати) вхідні тиски газів і виконувати процес дозування газів. Технічною задачею запропонованого способу приготування суміші з N газів заданого процентного складу є підвищення продуктивності отримання суміші газів і спрощення його реалізації. 1 UA 112566 C2 5 10 15 20 25 Поставлена технічна задача вирішується тим, що в способі приготування суміші з N газів заданого процентного складу, що полягає в попередній підготовці змішувальної камери і подальшій подачі складових газів до відповідних заданому процентному складу парціальних тисків у змішувальну камеру, згідно з винаходом, підготовку змішувальної камери здійснюють Мкратною подачею до тиску Рпр в змішувальну камеру з наступним скиданням до атмосферного тиску Ратм газу, що має максимальний процентний вміст в суміші, кількість подач і скидів газу Μ визначають необхідною точністю вмісту цього газу в суміші при тиску Рпр, після підготовки змішувальної камери послідовно подають у неї кожен з N газів до парціальних тисків, відповідних заданому процентному складу суміші, при цьому тиск газової суміші Рсм в змішувальній камері встановлюють за умови Рсм>Ν·Ρатм… Розглянемо детально причинно-наслідковий зв'язок між істотними відмітними ознаками способу приготування суміші з N газів заданого процентного складу, що заявляється і технічним результатом, що при цьому досягається. Істотні відмітні ознаки - "підготовку змішувальної камери здійснюють М-кратною подачею до тиску Рпр в змішувальну камеру з наступним скиданням до атмосферного тиску Ратм. газу, що має максимальне процентне значення в суміші, кількість подач і скидів газу Μ визначають необхідною точністю вмісту цього газу в суміші при тиску Рпр….» забезпечують можливість в сукупності в способі, що заявляється, здійснювати перед створенням суміші газів швидку підготовку змішувальної камери і відразу отримувати в камері змішувача атмосферу газу при тиску Ратм., що має найбільший вміст в суміші. Кількість подач до тиску Рпр. та скидів газу Μ при цьому, як показано в таблицях 1-4, визначають необхідну точність вмісту цього газу в суміші. Якщо газом з максимальним вмістом в суміші є азот, то при Рпр.=5 атм. вміст азоту в камері змішувача після кожного циклу його подачі та скидання визначається таблицею 1, при Рпр. = 10 атм… - таблицею 2. Якщо газом з максимальним вмістом в суміші є газ X, який не входить до складу атмосфери повітря, то при Рпр.=5 атм вміст цього газу в камері змішувача після кожного циклу його подачі та скидання визначається таблицею 3, при Рпр.=10 атм. - таблицею 4. Таблиця 1 Вміст азоту в камері змішувача після чергового циклу М, Р пр.=5 атм. Склад атмосфери в камері змішувача, % Ν2 О2 Решта газів 78,08 20,95 0,97 95,62 4,19 0,19 99,12 0,84 0,04 99,82 0,17 0,01 99,965 0,035 0 Значення Μ (подача Ν2 до 5 атм. - скидання тиску) Початкова атмосфера 1 2 3 4 Таблиця 2 Вміст азоту в камері змішувача після чергового циклу М, Pпр. = 10 атм. Значення Μ (подача Ν2 до 10 атм. - скидання тиску) Початкова атмосфера 1 2 3 Склад атмосфери в камері змішувача, % Ν2 О2 Останні гази 78,08 20,95 0,97 97,80 2,10 0,10 99,78 0,21 0,01 99,98 0,02 0 30 Таблиця 3 Вміст газу X, що не входить до складу атмосфери, в камері змішувача після чергового циклу М, Рпр.=5 атм. Значення Μ (подача X до 5 атм. - скидання тиску) Початкова атмосфера 1-й 2 Склад атмосфери в камері змішувача, % Ν2 О2 Останні X 78,08 20,95 0,97 0 15,62 4,19 0,19 80,00 UA 112566 C2 Продовження таблиці 3 2-й 3-й 4-й 5-й 5 10 3,12 0,62 0,124 0,03 0,84 0,17 0,034 0 0,04 0,01 0 0 96,00 99,20 99,842 99,97 Оскільки виконання кількості циклів подачі газу в змішувальну камеру до тиску Рпр. і скидання його до атмосферного тиску Μ займає менший час, ніж відкачка того ж об'єму камери змішувача, то в запропонованому способі підготовка змішувальної камери до створення в ній суміші газів відбувається швидше, ніж у способі-прототипі. Для прикладу, один цикл подачі газу в змішувальну камеру об'ємом 10 літрів до тиску 10 атм. і скидання його до атмосферного тиску здійснюється за 16 секунд, при Μ=5 час підготовки змішувальної камери в запропонованому способі становить 80 секунд, а в способі-прототипі підготовка (відкачка) змішувальної камери того ж об'єму відбувається за 5 хвилин, тобто на етапі підготовки змішувальної камери запропонований спосіб як мінімум, в 3,75 разу продуктивніший за спосіб-прототип. Таблиця 4 Вміст газу X, що не входить до складу атмосфери, в камері змішувача після чергового циклу М, Рпр=10 атм. Значення Μ (подача X до 10 атм. - скидання тиску) Початкова атмосфера 1-й 2-й 3-й 4-й 15 20 25 30 35 40 Склад атмосфери в камері змішувача, % Ν2 О2 Останні X 78,08 20,95 0,97 0 7,80 2,10 0,10 90,00 0,78 0,21 0,01 99,00 0,08 0,02 0 99,90 0,01 0 0 99,99 До того ж, для здійснення підготовки змішувальної камери в запропонованому способі не потрібно складне устаткування (форвакуумний насос), як в способі-прототипі, а значить, його реалізація є простішою. Істотні відмітні ознаки - "після підготовки змішувальної камери послідовно подають у неї кожен з N газів до парціальних тисків, відповідних заданому процентному складу суміші, при цьому тиск газової суміші Рсм в камері змішувача встановлюють з умови Рсм>Ν·Ρатм.» забезпечують створення в камері змішувача газової суміші заданого процентного складу. Процентним складом суміші, що задається, визначається парціальний тиск кожного з газів, що входять до складу суміші. Само тиск суміші газів Рсм в камері змішувача встановлюють з умови Рсм>N·Pатм… Виконання цієї умови необхідно для того, щоб парціальний тиск газу з максимальним вмістом в суміші (продувального) був більше атмосферного, оскільки після підготовки змішувальної камери в ній міститься газ при атмосферному тиску. Кожний газ, що входить до складу суміші, на етапі приготування суміші послідовно подають до парціального тиску (черговість подачі газів при цьому в запропонованому способі не має значення), відповідного його заданому процентному значенню в суміші. Оскільки подача газів відбувається безперервно, то час приготування газової суміші запропонованим способом здійснюється значно швидше, ніж в способі-прототипі, в якому подача газів проводиться малими дозами, тобто продуктивність способу, що заявляється, набагато вище. Для прикладу, для випадку суміші з трьох газів, обсязі змішувальної камери 10 літрів, тиску Рсм=5 атм., час подачі одного газу не перевищує 30 секунд, відповідно, час створення суміші газів не перевищує 1,5 хвилини. Для тих же умов час приготування суміші порціями в способі-прототипі становить не менше 40 хвилин, отже, запропонований спосіб є набагато продуктивнішим. Відсутність необхідності стабілізувати вхідні тиски газів і здійснювати їх дозування забезпечує істотно більшу простоту реалізації запропонованого способу порівняно зі способомпрототипом. На кресленні зображено пристрій для приготування суміші з N газів заданого процентного складу запропонованим способом. Спосіб приготування суміші газів заданого процентного складу здійснювали за допомогою пристрою, схематично представленого на кресленні. Пристрій містить блок управління 1, що 3 UA 112566 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 видає сигнали управління від вбудованого ПІД-регулятора на пропорційні клапани 2, 3 і 4 (типу EV-260B 6В з котушкою BK024D фірми Danfoss), які виходом з'єднані зі змішувальною камерою 5, а входом кожен приєднаний до виходу відповідного редуктора - 6, 7, 8. Другий вихід редукторів 6, 7, 8 приєднаний до балонів із стисненими газами 9, 10, 11, що входять до складу суміші. Тиск в камері змішувача 5 вимірюється приєднаним до неї датчиком 12 (датчик абсолютного тиску типу "Сафір", клас точності 0,1), вихід якого підключений до блоку управління 1. До камери змішувача 5 приєднаний також випускний клапан 13, що відкривається за сигналами з блока управління 1. Спосіб здійснювали наступним чином. На пульті блока управління 1 задавали процентний вміст кожного з газів, що входять до складу суміші. У здійсненому варіанті пристрій був виготовлений для створення суміші з трьох газів, що знаходяться в балонах високого тиску 9, 10, 11 (застосовувалися гази: газ 1 - азот - в балоні 9, газ 2 - аргон - в балоні 10 і газ 3 - пропан - в балоні 11) з можливістю зміни процентного співвідношення кожного з газів в діапазоні 0-100 % з кроком зміни процентного вмісту 1 % по кожному газу. Попередньо в пам'ять блока управління 1 записували значення тиску суміші газів Рсм в камері змішувача, рівне 5 атм., що для нашого випадку N=3 задовольняє умові Рсм>N·Ратм… Після задання процентного вмісту газів за допомогою блока управління 1 визначали газ, що має максимальний вміст в суміші і одночасно обчислювали парціальний тиск кожного газу в суміші. Наприклад, задавши склад суміші: газ 1-45 %, газ 2-30 %, газ 3-25 %, визначали газ 1 як газ з максимальним вмістом в суміші і отримували значення парціального тиску газу 1 в суміші 2,25 атм.; парціального тиску газу 2 в суміші - 1,50 атм.; парціального тиску газу 3 в суміші - 1,25 атм., в сумі 5 атм., що відповідає певному раніше Рсм=5 атм. Потім відкривали редуктори 6, 7, 8 балонів з газами 9, 10, 11 і газ 1, як газ з максимальним вмістом в суміші, подавали відкриттям пропорційного клапана 2 в змішувальну камеру 5. Зростання тиску в камері змішувача 5 контролювали датчиком тиску 12 до тиску 10 атм. (Рпр=10 атм.). Після досягнення в камері змішувача 5 тиску 10 атм. закривали пропорційний клапан 2 і відкривали випускний клапан 13 і скидали тиск в камері змішувача 5 до атмосферного. Так повторювали три рази (М=3 при Рпр.=10 атм. для забезпечення точності вмісту цього газу в суміші не менше 0,1 %). Завершивши етап підготовки змішувальної камери 5 до створення суміші газів, мали в ній 99,98 % азоту при атмосферному тиску. Потім починали приготування в камері змішувача 5 суміші газів заданого складу. Для нашого випадку відкривали пропорційний клапан 2 і подаючи газ 1 доводили тиск в камері змішувача 5 до 2,25 атм., після чого пропорційний клапан 2 закривали. Потім відкривали пропорційний клапан 3 і подаючи газ 2 доводили тиск в камері змішувача 5 до 3,75 атм., після чого пропорційний клапан 3 закривали. Завершивши подачу газу 2, відкривали пропорційний клапан 4 і подаючи газ 3 доводили тиск в камері змішувача 5 до 5 атм., після чого пропорційний клапан 3 закривали, тим самим закінчуючи процес приготування суміші з трьох газів із заданим процентним співвідношенням (газ 1-45 %, газ 2-30 %, газ 3-25 %). Весь процес приготування суміші газів займав 138 секунд (2 хвилини 18 секунд). Приготування такого ж об'єму суміші способом-прототипом відбувається приблизно за 45 хвилин. По закінченні процесу приготування суміші по команді з блока управління 1 відкривали випускний клапан 13 і суміш газів подавали в технологічну установку (на кресленні не показана). Таким чином, запропоноване технічне рішення дозволяє досягти поставленого технічного результату, а саме: запропонований спосіб приготування суміші з N газів заданого процентного складу дозволяє отримувати газові суміші зі значно вищою продуктивністю порівняно зі способом-прототипом при одночасному спрощенні реалізації способу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Спосіб приготування суміші з N газів заданого процентного складу, що полягає в попередній підготовці змішувальної камери і подальшій подачі складових газів до відповідних заданому процентному складу парціальних тисків у змішувальну камеру, який відрізняється тим, що підготовку змішувальної камери здійснюють M-кратною подачею до тиску Рпр. в змішувальну камеру з наступним скиданням до атмосферного тиску Ратм. газу, що має максимальний процентний вміст в суміші, кількість подач і скидів газу Μ визначають необхідною точністю вмісту цього газу в суміші при тиску Рпр., після підготовки змішувальної камери послідовно подають у неї кожен з N газів до парціальних тисків, відповідних заданому процентному складу суміші, при цьому тиск газової суміші Рсм в змішувальній камері встановлюють за умови Pсм  N  Pатм . 4 UA 112566 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5