多通道模块化催化动态配气仪的结构设计与性能验证

  核心摘要：为解决传统催化动态配气仪通道单一、适配性差、维护成本高的问题，开发一款多通道模块化催化动态配气仪。采用“单元模块化+总线式集成"的设计思路，完成气路模块、控制模块、检测模块及辅助模块的结构化设计，实现多组分气体精准配比、宽量程适配及快速维护升级。通过搭建性能测试平台，对配气精度、混合均匀性、长期稳定性及模块兼容性进行验证，结果表明：该配气仪在组分浓度范围0.1%~99.9%、流量范围10~1000 mL/min内，配气精度误差≤±0.5% FS，混合均匀性偏差≤±1.2%，连续运行200 h浓度漂移≤±0.3%，可适配VOCs催化燃烧、CO₂加氢等多种催化反应场景，为多工况催化研究提供可靠的配气支撑。

一、引言

     催化反应体系中，进料气体的组分浓度、配比精度及稳定性直接影响催化剂活性评价、反应机理探索的准确性。传统催化动态配气仪多采用一体化结构设计，存在以下痛点：① 通道数量固定，无法满足多组分、多工况并行实验需求；② 气路与控制单元耦合紧密，某一部件故障需整体停机维修，影响实验连续性；③ 适配范围窄，难以兼顾低浓度微量组分与高浓度主体组分的精准配比。

     针对上述问题，本文提出多通道模块化催化动态配气仪的设计方案，通过模块化拆分实现气路独立调控、控制单元灵活扩展，结合高精度传感与智能调控技术，提升配气性能与场景适配性。同时，建立系统的性能验证方法，全面考核设备在不同工况下的运行可靠性，为其在催化研究中的规模化应用提供技术依据。

二、多通道模块化催化动态配气仪的结构设计

     设计核心目标：实现“多通道独立配气、模块灵活组合、精准浓度调控、安全稳定运行"，整体采用“四层模块化架构"，包括气路功能层、控制核心层、检测反馈层及辅助保障层，各模块通过标准化接口与总线协议实现协同工作。

（一）整体架构设计

     采用“分布式控制+集中管理"的架构模式：各配气通道为独立功能模块，可根据实验需求增减通道数量（大支持8通道扩展）；控制模块通过CANopen总线与各功能模块通信，实现参数统一配置与数据集中采集；检测模块实时反馈各通道及混合后气体的浓度、流量数据，形成“配气-检测-调控"闭环。设备整体尺寸为800 mm×600 mm×1200 mm，采用不锈钢框架与亚克力防护面板，兼顾结构稳定性与操作可视性。

（二）关键模块详细设计

    1. 气路功能模块：多通道独立调控核心

    气路模块为核心功能单元，采用“一通道一模块"设计，每个模块对应一种气体组分的精准调控，主要包括进气接口、过滤单元、流量控制单元、稳压单元及出气接口，各组件通过标准化卡套接头连接，便于拆装维护。

     过滤单元：采用两级过滤设计，前置1 μm不锈钢滤芯去除气体中的大颗粒杂质，后置0.1 μm聚四氟乙烯滤芯过滤微小粉尘与油雾，避免杂质堵塞流量控制器，延长核心部件使用寿命。

     流量控制单元：选用高精度质量流量控制器（MFC），根据气体类型适配不同量程（0~10 mL/min~0~10 L/min可选），控制精度±0.2% FS，响应时间≤50 ms；内置温度与压力补偿模块，自动修正环境温度（-10~50 ℃）与进气压力（0.1~0.6 MPa）波动对流量的影响，保障流量输出稳定性。

      稳压单元：配备微型稳压阀与压力传感器，将进气压力稳定在0.2~0.4 MPa范围内，压力波动≤±0.01 MPa，避免高压冲击对MFC造成损坏，同时保障流量控制精度。

     混合腔设计：各通道气体经独立调控后汇入集成式混合腔，混合腔采用“螺旋扰流+多孔分流"复合结构，内部设置3层螺旋导流叶片与2层多孔筛板（孔径0.5 mm），通过强化气体湍流混合与剪切作用，缩短混合时间，提升混合均匀性；混合腔容积可根据总流量适配（50~500 mL可选），避免小流量下气体停留时间不足导致的混合不充分。

    2. 控制核心模块：灵活扩展与精准调控

    控制模块采用“FPGA+MCU"双核心架构，实现多通道并行控制与数据高效处理，同时支持模块化扩展。

    核心控制单元：FPGA负责多通道流量信号的高速采集（采样频率1 kHz）与实时运算，保障各通道控制的同步性；MCU负责人机交互、总线通信与逻辑决策，支持参数配置、程序存储与故障报警。

    通信接口设计：配备CANopen总线接口实现各模块间的高速通信（传输速率1 Mbps），同时支持Ethernet、RS485接口与上位机、实验室信息管理系统（LIMS）对接，实现远程控制与数据共享；各模块采用标准化接口，插拔式连接，更换模块时无需重新调试，提升维护效率。

    控制算法优化：采用自整定PID算法，针对不同气体组分的流量特性自动调整PID参数（比例系数、积分时间、微分时间），解决传统PID算法在宽量程调节中存在的超调量大、响应慢的问题；引入前馈控制机制，根据设定浓度与当前流量偏差提前预判调节趋势，进一步提升配气精度。

    3. 检测反馈模块：实时监测与闭环调控

     检测模块实现配气过程中关键参数的实时采集与反馈，为精准调控提供数据支撑，包括浓度检测单元与流量/压力监测单元。

     浓度检测单元：采用在线红外光谱仪与气相色谱（GC）联用技术，红外光谱仪实现常见气体组分（CO、CO₂、CH₄、VOCs等）的实时检测（响应时间≤1 s），检测精度±0.1%；GC用于微量组分（浓度＜1%）的精准标定，检测下限可达1 ppm，两者数据互补，保障不同浓度范围的检测准确性；检测数据实时反馈至控制模块，形成浓度闭环调控。

     流量/压力监测单元：在各通道出气口与混合腔出口设置高精度流量传感器与压力传感器，实时监测流量（精度±0.1% FS）与压力（精度±0.05% FS）数据，当参数超出设定阈值时，控制模块自动触发报警并调整进气压力与流量，避免配气异常。

   4. 辅助保障模块：安全与稳定支撑

    辅助模块包括安全防护单元、温度控制单元与供电单元，保障设备长期稳定运行。

   安全防护单元：配备气体泄漏检测传感器（针对H₂、VOCs等易燃有毒气体）、超压保护阀与紧急停机按钮；当检测到泄漏浓度超标（＞100 ppm）或系统压力超上限（＞0.6 MPa）时，自动切断进气阀门、启动排风装置并发出声光报警，保障实验安全。

    温度控制单元：在气路管道与混合腔外部包裹加热带，温度控制范围25~150 ℃，控温精度±1 ℃，避免气体在传输过程中冷凝导致的组分偏差，尤其适配高沸点VOCs组分的配气需求。

    供电单元：采用冗余电源设计，输入电压AC 220 V±10%，输出DC 24 V、DC 5 V，具备过压、过流、短路保护功能，保障各模块供电稳定。三、性能验证实验

（一）实验方案设计

    搭建性能测试平台，选取常见催化反应气体组分（N₂、O₂、CO₂、CH₄、甲苯）作为配气介质，从配气精度、混合均匀性、长期稳定性、模块兼容性四个核心指标展开验证，实验环境：温度25±2 ℃，相对湿度45%~65%，进气压力0.3 MPa。

（二）关键测试方法与结果

   1. 配气精度测试

    测试方法：选取3组典型浓度梯度（低浓度：0.1%、1%；中浓度：10%、50%；高浓度：90%、99.9%），每组浓度设定3个流量工况（10 mL/min、100 mL/min、1000 mL/min），每个工况稳定运行30 min，通过在线GC与红外光谱仪同步检测混合后气体浓度，计算实际浓度与设定浓度的相对误差。

    测试结果：不同浓度与流量工况下，配气相对误差均≤±0.5% FS，其中低浓度组分（0.1%）的大误差为±0.45%，高浓度组分（99.9%）的大误差为±0.32%，均优于传统配气仪（误差±1.0% FS），表明该设备在宽量程范围内具备优异的配气精度。

2. 混合均匀性测试

    测试方法：设定配气方案为N₂（80%）+ O₂（15%）+ 甲苯（5%），总流量500 mL/min，在混合腔出口设置3个检测点（中心、左侧、右侧），通过在线红外光谱仪检测各点组分浓度，计算各点浓度与平均浓度的偏差；同时对比传统直筒式混合腔与本设计复合式混合腔的混合效果。

    测试结果：本设计复合式混合腔各检测点浓度偏差≤±1.2%，而传统直筒式混合腔浓度偏差≥±3.5%；混合时间测试表明，复合式混合腔的气体混合时间≤3 s，较传统结构缩短60%，验证了螺旋扰流+多孔分流设计的混合强化效果。

3. 长期稳定性测试

    测试方法：选取典型催化反应配气方案（CO₂（20%）+ H₂（75%）+ N₂（5%）），总流量500 mL/min，连续运行200 h，每10 h记录一次浓度数据，计算浓度漂移量；同时监测各通道流量稳定性与系统压力波动。

    测试结果：200 h连续运行期间，各组分浓度漂移量≤±0.3%，流量波动≤±0.2% FS，系统压力稳定在0.3±0.01 MPa范围内，无泄漏、报警等异常情况；设备运行结束后拆解气路模块，未发现滤芯堵塞、部件磨损等问题，表明设备具备良好的长期运行稳定性。

4. 模块兼容性与扩展测试

    测试方法：分别搭建4通道、6通道、8通道配气系统，配置不同气体组分（N₂/O₂、CO₂/H₂、CH₄/空气、甲苯/空气），测试各通道独立运行、协同配气的稳定性；模拟某一通道模块故障，更换备用模块后测试配气性能恢复情况。

    测试结果：不同通道数量配置下，各通道配气精度均保持≤±0.5% FS，通道间无干扰；模块更换过程仅需5 min，更换后配气精度快速恢复至标准范围，无需重新校准，验证了模块的兼容性与扩展灵活性。

四、应用场景验证

    将该多通道模块化催化动态配气仪应用于两个典型催化反应场景，验证其实际应用效果：

（一）VOCs催化燃烧反应

    应用需求：需要精准调控甲苯浓度（0.5%~5%）、空气流量（过量空气系数1.2~2.0），模拟不同VOCs浓度下的催化燃烧工况。采用4通道配气系统（甲苯、N₂、O₂、空气），实时调控各组分流量，配气精度稳定在±0.4%以内；结合催化反应仪的温度调控，成功完成不同甲苯浓度下催化剂活性评价，实验数据重复性误差≤±2%，较传统配气仪提升30%。

（二）CO₂加氢制甲醇反应

    应用需求：精准控制H₂/CO₂配比（2~4:1）、总流量（100~500 mL/min），保障反应进料稳定性。采用3通道配气系统（H₂、CO₂、N₂（内标）），通过闭环调控实现H₂/CO₂配比精度±0.05，连续运行150 h进料稳定，无浓度漂移，为催化剂活性与反应动力学研究提供了可靠的进料保障。

五、结论与展望

（一）结论

    本文开发的多通道模块化催化动态配气仪，通过“单元模块化"结构设计，实现了气路独立调控、灵活扩展与快速维护；采用高精度流量控制、复合式混合腔及自整定PID闭环调控技术，显著提升了配气精度与混合均匀性。性能验证结果表明：设备在宽浓度（0.1%~99.9%）、宽流量（10~1000 mL/min）范围内，配气精度误差≤±0.5% FS，混合均匀性偏差≤±1.2%，连续运行200 h浓度漂移≤±0.3%，模块兼容性与扩展灵活性优异；在VOCs催化燃烧、CO₂加氢等场景的应用验证表明，设备可满足多工况催化研究的配气需求，具备较高的实用价值。

（二）展望

    未来可从以下方向进一步优化：① 拓展工况适配能力，开发耐高温（＞200 ℃）、耐高压（＞10 MPa）的气路模块，适配高温高压催化反应场景；② 引入AI智能优化算法，基于反应数据自学习调整配气参数，实现配气方案的自适应优化；③ 强化微型化设计，开发实验室专用的小型化模块，进一步降低设备占用空间与成本，提升中小企业与高校实验室的普及性。

产品展示

     SSC-CDG催化动态配气仪，采用PLC一体化控制实现动态配气、控温、测压、自动、手动等功能，并可通过质量流量计来控制配气比例实现动态配气，可控制反应装置内气体配比的同时，也可以控制显示催化反应装置温度和压力。

     SSC-CDG催化动态配气仪可以应用于连续流、微通道反应、气固、气液、气固液等需要气体参与的催化反应体系：二氧化碳催化加氢、催化CO加氢反应、催化烯烃或炔烃加氢反应、光热催化甲烷干重整反应、光热催化煤热解反应、煤化工、光催化气体污染物（VOCs）降解反应、光催化甲烷部分氧化反应、光热催化甲烷偶联反应、光驱动sabatier反应、光催化固氮、光催化降解VOCs等。

     SSC-CDG催化动态配气仪还可以应用于环保行业，可以将高浓度标气按照设定的稀释比例，稀释成各种低浓度标气，可校准各种气体分析仪及其气体传感器。广泛适用于计量检测，环境检测、环境监测、卫生、大气污染源超低排放监测烟气分析现场标定、现场标定和实验室标准气体配置等。