一、研究背景与意义​

      在催化反应研究领域，反应气体的组分浓度、混合均匀性及动态响应速度直接影响催化活性评估、反应动力学分析及反应机理探究的准确性。传统静态配气技术存在混合滞后、浓度稳定性差、无法实时调整组分比例等问题，难以满足催化反应过程中对气体环境动态变化的需求。动态气体混合技术通过实时控制多组分气体的流量配比，可快速构建稳定、精确的反应气氛，为催化反应研究提供理想的气体供给条件。​

      配气仪作为动态气体混合技术的核心设备，其设计性能直接决定了气体混合的精度与可靠性。针对催化反应的特殊性，如部分反应需高温、高压环境，部分反应涉及腐蚀性或易燃易爆气体，配气仪需具备高精度流量控制、快速动态响应、良好的抗干扰能力及安全防护功能。因此，开展基于催化反应需求的配气仪设计与优化研究，对推动催化反应基础研究及工业应用具有重要的理论与实际意义。​

二、动态气体混合技术原理与关键指标​

（一）技术原理​

      动态气体混合技术基于质量流量控制原理，通过对各组分气体的质量流量进行独立精确调控，按照预设比例将多组分气体在混合腔体内充分混合，再输送至催化反应系统。其核心原理是根据理想气体状态方程，结合质量流量控制器（MFC）的实时流量反馈，通过闭环控制算法调整各气体通路的流量，确保混合气体的组分浓度达到设定值。​

      与静态配气技术相比，动态气体混合技术无需预先配制混合气体，可实时调整组分比例，混合响应时间短（通常在秒级），且能长期维持稳定的浓度输出，尤其适用于需要持续改变气体组分的催化反应实验，如程序升温反应、动态活性评价等。​

（二）关键性能指标​

      针对催化反应需求，配气仪的关键性能指标需满足以下要求：​

浓度精度：混合气体各组分浓度的实际值与设定值的偏差需≤±1%，对于微量组分（浓度＜1%），精度需≤±0.1%，以确保催化反应条件的准确性。​

动态响应速度：从调整气体组分比例到混合气体浓度达到稳定值的时间需≤5s，适应催化反应过程中对气体环境快速变化的需求，如反应中间产物的捕捉实验。​

稳定性：在连续运行 24h 内，混合气体各组分浓度的波动幅度需≤±0.5%，避免因浓度波动导致催化反应结果的偏差，保证实验数据的重复性。​

兼容性：能够兼容常见的催化反应气体，如氢气（H₂）、氧气（O₂）、氮气（N₂）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）等，同时具备抗腐蚀性，可适应含硫、含氯等腐蚀性气体的配气需求（如石油化工领域的催化脱硫反应）。​

三、配气仪整体设计方案​

（一）系统架构设计​

      配气仪采用模块化设计，主要由气体输入单元、质量流量控制单元、气体混合单元、输出单元、控制单元及安全防护单元组成，系统架构如图 1 所示（此处省略图 1，实际报告中需补充）。各单元功能如下：​

气体输入单元：包括气体接口、过滤器、减压阀，用于连接钢瓶气体，去除气体中的杂质（如灰尘、水分），并将气体压力稳定在 0.1-0.3MPa，为质量流量控制单元提供稳定的输入压力。​

质量流量控制单元：核心为多通道质量流量控制器（MFC），每个气体通道配置 1 台高精度 MFC（量程根据气体组分浓度需求选择，如主气通道选用 1000sccm 量程，微量组分通道选用 10sccm 量程），实现对各组分气体流量的独立精确控制，流量控制精度≤±0.2% F.S.。​

气体混合单元：采用静态混合器与缓冲腔结合的设计，静态混合器内设置螺旋形导流叶片，使多组分气体在流动过程中充分对流、扩散混合；缓冲腔容积根据气体流量确定（通常为 50-100mL），用于稳定混合气体的压力与浓度，减少流量波动对混合效果的影响。​

输出单元：包括压力传感器、浓度检测接口（预留气相色谱或红外气体分析仪接口）及输出阀门，用于监测混合气体的输出压力（压力测量精度≤±0.1kPa），并可实时采样分析混合气体浓度，实现闭环控制。​

控制单元：以 STM32F4 系列单片机为核心，配备触摸屏人机交互界面，可设置气体组分比例、流量、运行时间等参数，并实时显示各通道流量、混合气体浓度、压力等数据；同时集成 RS485 通信接口，支持与上位机（如电脑）连接，实现数据存储、曲线绘制及远程控制。​

安全防护单元：包括过压保护（当系统压力超过 0.4MPa 时，自动开启泄压阀）、泄漏检测（采用气体传感器检测氢气、一氧化碳等可燃 / 有毒气体泄漏，泄漏浓度超过阈值时触发声光报警）及紧急停止按钮，确保配气过程的安全性。​

（二）硬件选型与设计​

质量流量控制器（MFC）：选用基于热式原理的 MFC，响应时间≤1s，重复性≤±0.1% F.S.，适配不同气体类型（通过软件校准气体种类），满足多组分气体的流量控制需求。例如，对于氢气、氧气等活性气体，选用耐腐蚀的 316L 不锈钢材质阀体，避免气体与阀体发生反应。​

气体混合器：采用 316L 不锈钢材质静态混合器，混合器长度与内径比为 10:1，确保气体在混合器内有足够的混合时间；缓冲腔采用抛光内壁设计，减少气体吸附（尤其对于极性气体如氨气），避免影响浓度精度。​

控制芯片与接口：STM32F4 单片机具备高速运算能力（主频 168MHz），可同时处理 8 路 MFC 的流量反馈信号，并通过 PID 算法实现流量闭环控制；触摸屏选用 7 英寸彩色 LCD 屏，分辨率 800×480，支持触摸操作，界面简洁直观，便于参数设置与数据查看。​

（三）软件控制算法设计​

      为实现高精度、快速响应的气体混合控制，软件采用分段 PID 控制算法，结合流量前馈补偿策略，具体设计如下：​

PID 控制算法优化：针对不同气体组分的流量范围，设置分段 PID 参数（如流量＞50% F.S. 时，采用较大比例系数与积分时间，提高响应速度；流量＜10% F.S. 时，减小比例系数，避免超调），确保在全流量范围内的控制精度。​

流量前馈补偿：根据预设的混合比例，计算各组分气体的目标流量，并提前向 MFC 发送控制信号，补偿系统滞后（如管道传输延迟、MFC 响应延迟），使混合气体浓度快速达到设定值，动态响应时间缩短至 3s 以内。​

浓度闭环校准：通过预留的浓度检测接口（如连接气相色谱仪），实时采集混合气体浓度数据，与设定值进行对比，若偏差超过 ±0.5%，自动调整对应组分气体的 MFC 流量，实现浓度的闭环校准，确保长期运行稳定性。​

四、配气仪优化方向​

（一）结构优化：减少死体积与气体吸附​

管道与接口优化：采用小内径（Φ3mm）的 316L 不锈钢管道，减少管道死体积（死体积≤10mL），避免混合气体在管道内滞留导致的浓度滞后；接口采用卡套式连接，替代传统螺纹连接，减少泄漏点，同时便于拆卸清洗。​

混合腔表面处理：对混合腔内壁进行抛光（粗糙度 Ra≤0.2μm）并涂覆聚四氟乙烯（PTFE）涂层，降低气体吸附率（尤其对于极性气体如 H₂O、NH₃），实验数据表明，涂层处理后气体吸附率可从 5% 降至 1% 以下，显著提高浓度精度。​

（二）控制算法优化：适应复杂催化反应需求​

自适应 PID 算法：针对催化反应过程中气体流量波动（如反应放热导致的气体膨胀），引入自适应 PID 算法，实时根据流量波动幅度调整 PID 参数（如当流量波动＞2% 时，自动增大微分系数，抑制波动），确保浓度稳定性。​

多组分协同控制：对于含 3 种以上组分的混合气体（如 H₂/O₂/N₂/CO₂混合气体），设计多组分协同控制逻辑，当调整某一组分流量时，自动计算其他组分的补偿流量，避免因单一组分调整导致的整体浓度偏差，例如，当增加 H₂流量时，同步增加 O₂流量以维持 H₂/O₂比例不变，同时调整 N₂流量以维持总流量稳定。​

（三）安全性能优化：适应特殊气体环境​

防爆设计：针对涉及氢气、一氧化碳等可燃气体的催化反应，配气仪外壳采用防爆结构（防爆等级 Ex d IIB T4），内部电路采用本安型设计（工作电流≤100mA），避免电火花引发爆炸风险；同时增加气体泄漏浓度监测阈值的分级设置（如氢气泄漏浓度达到 1% LEL 时报警，达到 5% LEL 时自动切断气源），提高安全防护等级。​

高温适配：对于高温催化反应（如反应温度＞500℃），在配气仪输出端增加高温隔热装置（采用陶瓷纤维隔热材料），并选用耐高温的压力传感器（工作温度 - 40℃~200℃），避免高温对配气仪硬件的损坏，确保在高温环境下的稳定运行。​

五、实验验证与性能测试​

（一）实验装置搭建​

      为验证配气仪的性能，搭建实验系统：配气仪输入端连接 H₂（99.999%）、O₂（99.999%）、N₂（99.999%）钢瓶，输出端连接气相色谱仪（GC-2014，岛津）用于浓度检测，同时连接催化反应评价装置（固定床反应器，反应温度 25-800℃），模拟实际催化反应条件。​

（二）性能测试项目与结果​

浓度精度测试：设定混合气体比例为 H₂ 5%、O₂ 10%、N₂ 85%，连续采样 10 次，气相色谱检测结果显示，H₂浓度平均值为 5.02%，偏差 ±0.03%；O₂浓度平均值为 9.98%，偏差 ±0.02%；N₂浓度平均值为 85.00%，偏差 ±0.05%，均满足≤±1% 的精度要求。​

动态响应测试：将 H₂浓度从 5% 调整至 10%，记录浓度随时间的变化曲线，结果显示，浓度从 5% 上升至 10% 并稳定（波动≤±0.1%）的时间为 2.8s，满足≤5s 的动态响应要求。​

长期稳定性测试：设定混合气体比例为 H₂ 3%、CO 1%、N₂ 96%，连续运行 24h，每 1h 采样一次，检测结果显示，H₂浓度波动范围为 2.98%-3.02%，CO 浓度波动范围为 0.99%-1.01%，均满足≤±0.5% 的稳定性要求。​

高温适配测试：将催化反应温度设定为 600℃，配气仪输出端连接固定床反应器，连续运行 8h，检测混合气体浓度波动范围为 ±0.3%，硬件无损坏，满足高温环境下的运行需求。​

六、结论与展望​

（一）结论​

      本研究针对催化反应对动态气体混合的需求，设计了一款高精度、快速响应的配气仪，通过模块化系统架构、分段 PID 控制算法及结构优化，实现了混合气体浓度精度≤±1%、动态响应时间≤3s、长期运行稳定性≤±0.5% 的性能指标，且具备良好的防爆、高温适配及抗腐蚀能力，可满足不同类型催化反应（如加氢反应、氧化反应、脱硫反应）的气体供给需求。实验验证表明，该配气仪的性能优于传统静态配气设备，能够为催化反应研究提供稳定、精确的气体环境。​

（二）展望​

多气体类型扩展：未来可进一步扩展配气仪的气体兼容性，如增加对挥发性有机化合物（VOCs，如甲苯、乙醇）的配气功能，通过集成蒸汽发生器与温度控制模块，实现 VOCs 与惰性气体的精确混合，满足催化燃烧、VOCs 降解等反应的研究需求。​

智能化升级：结合物联网（IoT）技术，实现配气仪的远程监控与数据共享，通过云端平台存储实验数据、分析配气曲线，并基于大数据算法预测设备故障（如 MFC 老化预警），提高设备的智能化水平与运维效率。​

微型化设计：针对实验室小型化催化反应装置（如微通道反应器），开展微型配气仪设计，减小设备体积（如体积≤10L），降低功耗（功耗≤50W），同时保持高精度性能，适应微型催化反应系统的集成需求。​

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。