CN102901699A - 一种测试膜对气体分离性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试膜对气体分离性能的装置，包括试验气体管路、载气管路、六通阀、定量元件和分析设备；本发明还提供了一种测试膜对气体渗透性的方法，包括如下步骤：净化系统；抽真空；上腔充入试验气体；上腔压力到，停止充气；气体渗透；平衡压力；进样分析。本发明采用压差法测试原理与气体分析设备相结合的方法，能定性定量检测分离膜对单一或混合试验气体各组分的渗透量、选择性、以及渗透速率等参数，实现了对膜的分离性的检测。本发明可同时检测分离膜材料在指定条件下，对不同气体的渗透量、渗透速率等渗透性；能检测分离膜对混合气体的分离特性；对阀的自动控制，提高了对气体自动采集与进样的控制精度；测试方法简单，便于操作。

Description

一种测试膜对气体分离性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试膜对气体分离性能的装置及方法。

背景技术

    随着社会经济和科学技术的不断进步，膜对于每个人都不陌生。它广泛存在于日常生活中，在现代化经济发展和日常生活中扮演着重要角色。充分利用膜对不同气体的渗透性、选择性（膜的选择性即膜进行所要求分离的能力）差异，可实现膜对气体的分离。气体分离膜常被应用于气体的分离与净化及其相关产业。与其他分离方法相比，膜分离具有能耗低、效率高、过程简单、无污染等优点。膜对气体的分离性能取决于膜对各种气体的渗透量、渗透速率、选择性等特性。如何判定膜的分离性能，是分离膜应用的前提。

当前市场上检测膜对气体渗透性设备的测试方法是：通过传感器检测渗透通过薄膜的气体压强变化，来检测通过膜的气体量。这种方法只能检测渗透通过膜的气体量，无法确切检测渗透通过膜的气体成分，更无法判断膜对不同气体的渗透能力。这种检测缺陷极大地限制了膜分离技术的应用。

发明内容

本发明的目的就是为解决当前设备对气体分离膜的阻隔性检测单一，无法定性检测膜对不同气体的渗透量、渗透速率、选择性的问题，提供了一种膜对气体分离性能的测试装置及测试方法。本发明基于压差法测试原理与气体分析设备相结合的方法，能同时检测膜对不同气体的渗透量、渗透速率及选择性；实现定性定量检测膜对不同气体的渗透特性；综合分析膜的分离性能，保证了膜分离技术更安全、有效地利用。在推广膜分离技术的应用方面，此发明有不可估量的社会价值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试膜对气体分离性能的装置，包括试验气体管路、载气管路、六通阀、定量元件和分析设备；六通阀上设有依次相邻a管口、b管口、c管口、d管口、e管口和f管口；所述试验气体管路与六通阀的a管口连通，试验气体管路上设有测试腔；所述载气管路分别连通六通阀的a管口与测试腔之间的试验气体管路、e管口连通；所述六通阀的c管口与d管口依靠定量元件连通；所述六通阀的f管口与分析设备连通；六通阀能够实现3对相邻管口的连通；所述测试腔包括上腔、下腔，试样放置于上腔和下腔之间，所述上腔和下腔上分别设有孔II和孔I。

所述测试膜对气体分离性能的装置还包括罐，罐置于测试腔前的试验气体管路上，所述罐体积较大，罐内气体量有一定的变化时，造成的压强变化量很小，罐有一定的保压作用。

所述测试膜对气体分离性能的装置还包括用于对测试腔抽真空的真空发生装置。

所述测试腔的下腔上设有多孔材料，试样置于多孔材料上，多孔材料支撑试样，防止上、下腔之间的压差导致试样变形，影响测试数据。

上、下腔之间设有密封圈。

所述试样是气体分离膜材料，气体分离膜材料对不同气体的渗透能力不同，对各气体具有选择渗透作用。

所述六通阀有两种工作状态：渗透状态和进样状态。

所述渗透状态时，六通阀的a管口连通c管口、b管口连通d管口、e管口连通f管口；渗透过试样的试验气体进入定量元件。

所述进样状态时，六通阀的a管口连通b管口、c管口连通e管口、d管口连通f管口；载气将定量元件内采集的气体携带至分析设备。

上述两种状态依靠各管路上的阀门实现。

所述定量元件的容量为定值。

所述分析设备能定性定量检测各组分气体。

所述试验气体可以是单一气体，也可以是多种气体的混合。

一种测试膜对气体渗透性的方法，其过程为：

步骤1，净化系统

将试样安装固定到测试腔内，设定一定的净化时间。将六通阀调到渗透状态，载气进入定量元件，排出管路内的气体杂质，净化气路系统。

步骤2，抽真空

净化结束后，调整相关的阀门，对测试腔抽真空。

步骤3，上腔充入试验气体 

抽真空结束后，使试验气体由罐进入测试腔上腔；在管路内压强达到一定值时，停止充气。

步骤4，上腔压力到，停止充气 

停止充入试验气体后，关闭相关阀门使系统处于保压状态。

步骤5，气体渗透

保压一段时间后，使测试腔内的试验气体由上腔渗透过试样进入下腔，进入六通阀。最后，渗透过来的试验气体进入定量元件。 

步骤6，平衡压力

气体渗透结束后，使载气进入六通阀的a管口，平衡管路压力，六通阀仍处于渗透状态。 

步骤7，进样分析

平衡压力结束后，使六通阀进入进样状态。载气将定量元件内储存的渗透气体携带至分析设备。 

步骤8，试验结束

进样分析结束后，停止载气吹入系统。使六通阀保持渗透状态。 

步骤9，分析试样的渗透性

根据分析设备的检测结果，得出试样对各种气体的不同渗透性。 

所述步骤2中，

步骤201，对下腔抽真空；

六通阀处于渗透状态，打开真空发生装置，对下腔抽真空。

步骤202，对上、下腔抽真空；

对下腔抽真空结束后，对上腔、下腔同时抽真空。

所述对下腔抽真空时，下腔抽真空速度较慢，先对下腔抽真空，压差作用下，试样贴到下腔上，避免试验过程中试样变形或破损。

所述上腔充入试验气体时，罐体积较大，罐内气体量变化相对很小，罐内气压变化极小，有利于上腔处于保压状态。

本发明采用压差法测试原理与气体分析设备相结合的方法，能定性定量检测分离膜对单一或混合试验气体各组分的渗透量、选择性、以及渗透速率等参数，实现了对膜的分离性的检测。

本发明的有益效果是：1、可同时检测分离膜材料在指定条件下，对不同气体的渗透量、渗透速率等渗透性。2、能检测分离膜对混合气体的分离特性。3、对阀的自动控制，提高了对气体自动采集与进样的控制精度。4、测试方法简单，便于操作。

附图说明

图1为本发明测试装置的结构图。

图2为本发明装置中测试腔结构图。

图3为六通阀渗透状态结构图。

图4为六通阀进样状态结构图。

图5是本发明第二种实施方案的结构图。

图6是本发明第二种实施方案的测试腔结构图。

其中，1.管I，2.管II，3.阀I，4.阀II，5.测试腔，6.管III，7.阀III，8.管IV，9.罐，10.管V，11.管VI，12.阀IV，13.真空发生装置，14.阀V，15.管VII，16.阀VI，17.分析设备，18.管VIII，19.六通阀，20.阀VIII，21.管IX，22.下腔，23.密封圈，24.多孔材料，25.孔I，26.孔II，27.上腔气室，28.上腔，29.试样，30.a管口，31.定量元件，32.c管口，33.e管口，34.b管口，35.管X，36.d管口，37.f管口，38.管XI,39.阀IX，40.孔III。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

图1-图4中，一种膜对气体分离性能的测试装置。它的结构包括：罐9、测试腔5、六通阀19、分析设备17、真空发生装置13、定量元件31。其中，罐9、测试腔5、六通阀19、分析设备17通过相应的管路依次连接。罐9、测试腔5、真空发生装置13通过管路连接成闭合回路。定量元件31接到六通阀19的c管口32和d管口36上。试验气体从管IV8进入罐9，罐9与上腔28相通。载气通过管路和六通阀19进入定量元件31。试样29置于测试腔5内。

测试腔5分为上腔28和下腔22，上腔28设有孔II26、上腔气室27；下腔22设有孔I25。上、下腔之间设有密封圈23。试样29置于上、下腔之间。测试腔5的下腔22上设有多孔材料24，试样29置于多孔材料24上，多孔材料24支撑试样29，防止上、下腔之间的压差导致试样29变形，影响测试数据。试样29是分离膜材料，分离膜材料对不同气体的渗透能力不同，对各气体具有选择性渗透作用。

六通阀19的管口数量为六个，分别为a、b、c、d、e、f管口。管IX21连接e管口33，管VII 15连接a管口30，管X35连接b管口34；分析设备17通过管VIII 18连到f管口37。定量元件31的容量为定值，并接到六通阀的c管口32和d管口36。六通阀19处于渗透状态时， a、c、d 、b管口依次连通，e管口33和f管口37连通；进样状态时， e、c、d、f管口依次连通，a管口30和b管口34连通，此时，载气将定量元件31内采集的气体携带至分析设备17。分析设备17测出各组分气体成分。

罐9连接三条管路：管III6、管IV8、管V10。管IV8接到试验气体；管V10接到真空发生装置13；管III6接到测试腔5上腔28。测试腔5下腔22接到管VII15。真空发生装置13通过管VI11接到管VII15。其中，罐9体积较大，试验时，罐9内气体量变化较小，压强变化量很小。因此，罐9有助于上腔28保持恒定的压强。

管路上设有若干阀，管II2上设有阀I3，管VII 15上设有阀II 4，管IV8上设有阀III7，管V10上设有阀IV12，管VI 11上设有阀V 14，管X35上设有阀VI16，管IX21与管VIII 18之间设有六通阀19，管IX21上设有阀VIII20。

试验气体通过管IV8进入罐9，罐9通过管III6连到测试腔5，罐9、测试腔5、真空发生装置13通过管路连接成闭合回路。其中，罐9通过管III6连到测试腔5的上腔28，罐9与真空发生装置13通过管V10连接。真空发生装置13通过管VI11连接到管VII15。试验气体通过管IV8进入罐9内。载气由管I1进入系统，分成两路：一路由管II2进入管VII15；另一路由管IX21进入六通阀19。试样29位于测试腔上腔28和下腔22之间，上、下腔之间设有密封圈23。

一种膜对气体渗透性的测试方法，具体实施过程为：

步骤1，净化系统

试验开始前，试样29已安装固定到测试腔5内。试验开始后，设定一定的净化时间。关闭阀II4、阀III7、阀IV12、阀V14和阀VIII20，将六通阀19调到渗透状态，打开阀I3和阀VI16。载气依次经过管I1、管II2、管VII15，由六通阀19的a管口30进入定量元件31，由b管口34进入管X35，排出管路内的气体杂质。净化气路系统。

步骤2，抽真空

净化结束后，调整相关的阀，对测试腔5抽真空。关闭阀I3、阀III7、阀IV12、阀VI16和阀VIII20，打开阀II4、阀V14。六通阀19仍处于渗透状态。打开真空发生装置13，先对下腔22抽真空。下腔达到一定的真空度之后，打开阀IV12。对上腔28、下腔22同时抽真空。

步骤3，上腔28充入试验气体 

抽真空结束后，关闭阀I3、阀IV12、阀VI16和阀VIII20。打开阀II4、阀III7、阀V14。试验气体由罐9进入测试腔上腔28。管路内压强达到一定值时，停止充气。

步骤4，上腔28压力到，停止充气 

停止充入试验气体后，关闭阀I3、阀III7、阀IV12、阀VI16、阀VIII20，打开阀II4、阀V14，系统处于保压状态。

步骤5，气体渗透

保压一段时间后，只打开阀II4和阀VIII20，其余阀处于关闭状态（其中六通阀19仍处于渗透状态）。测试腔5内，试验气体由上腔28渗透过试样29进入下腔22，经管VII15进入六通阀19，最后，渗透过来的试验气体由六通阀19的a管口30进入定量元件31。

步骤6，平衡压力

气体渗透结束后，只打开阀I3和阀VIII20，其余阀处于关闭状态（六通阀19仍处于渗透状态），载气经过管路到达管VII15，平衡管路压力。

步骤7，进样分析

平衡压力结束后，将六通阀19旋至进样状态，只打开阀VIII20。载气进入管IX21，将定量元件31内储存的渗透气体携带至分析设备17。

步骤8，试验结束

进样分析结束后，停止载气吹入系统。关闭阀VIII20，将六通阀19旋至渗透状态。

步骤9，分析试样的渗透性

根据分析设备的检测结果，得出试样29对各组分气体的不同渗透性。

实施例2：

本实施例是测一定条件下试样对流动气体的渗透性。

如图3-图6所示，在实施例1的基础上，改变测试腔5的结构，测试腔5分为上腔28和下腔22，上腔28设有孔II26、孔III40、上腔气室27；下腔22设有孔I25。上、下腔之间设有密封圈23。试样29置于上、下腔之间。

其中，管III6接到上腔28的孔II26，管XI38接到孔III40，管VII15接到下腔22的孔I25，管XI38上设有阀IX39。 其余结构与实施例1相同。

具体实施过程为：

步骤1，净化系统

试验开始前，试样29已安装固定到测试腔5内。试验开始后，设定一定的净化时间。关闭阀II4、阀III7、阀IV12、阀V14、阀VIII20和阀IX39，将六通阀19调到渗透状态，打开阀I3和阀VI16。载气依次经过管I1、管II2、管VII15，由六通阀19的a管口30进入定量元件31，由b管口34进入管X35，排出管路内的气体杂质。净化气路系统。

步骤2，抽真空

净化结束后，调整相关的阀，对测试腔5抽真空。关闭阀I3、阀III7、阀IV12、阀VI16、阀VIII20和阀IX39，打开阀II4、阀V14。六通阀19仍处于渗透状态。打开真空发生装置13，先对下腔22抽真空。下腔22达到一定的真空度之后，打开阀IV12。对上腔28、下腔22同时抽真空。

步骤3，上腔28充入试验气体

抽真空结束后，关闭阀I3、阀IV12、阀VI16、阀VIII20、阀IX39。打开阀II4、阀III7、阀V14，罐9内气体经管III6进入孔II26，进入测试腔5上腔气室27。

步骤4，上腔28压力到，保持气流

上腔28充入试验气体，直到上腔压力达到设定值，关闭阀I3、阀IV12、阀VI16、阀VIII20，打开阀II4、阀III7、阀V14和阀IX39，气体从孔II26进入上腔气室27，由孔III40吹出上腔28，上腔气室27内仍保持设定压力，并处于气流状态。

步骤5，气体渗透

上腔气室27到达设定压力后，打开阀II4、阀III7、阀VIII20、阀IX39，其余阀处于关闭状态（其中六通阀19仍处于渗透状态），上腔28仍保持气流状态。同时，上腔气室27内有试验气体渗透过试样29，并进入下腔22，经孔I25、管VII15进入六通阀19，最后，渗透过来的试验气体由六通阀19的a管口30进入定量元件31。

步骤6，平衡压力

气体渗透结束后，只打开阀I3和阀VIII20，其余阀处于关闭状态（六通阀19仍处于渗透状态），载气经过管路到达管VII15，平衡管路压力。

步骤7，进样分析

平衡压力结束后，将六通阀19旋至进样状态，只打开阀VIII20。载气进入管IX21，将定量元件31内储存的渗透气体携带至分析设备17。

步骤8，试验结束

进样分析结束后，停止载气吹入系统。关闭阀VIII20，将六通阀19旋至渗透状态。

步骤9，分析试样的渗透性

根据分析设备的检测结果，得出试样29对流动气体的渗透性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，包括试验气体管路、载气管路、六通阀、定量元件和分析设备；六通阀上设有依次相邻的a管口、b管口、c管口、d管口、e管口和f管口；所述试验气体管路与六通阀的a管口连通，试验气体管路上设有测试腔；所述载气管路分别连通六通阀的a管口与测试腔之间的试验气体管路、e管口连通；所述六通阀的c管口与d管口依靠定量元件连通；所述六通阀的f管口与分析设备连通；六通阀能够实现3对相邻管口的连通；所述测试腔包括上腔、下腔，试样放置于上腔和下腔之间，所述上腔和下腔上分别设有孔II和孔I。

2.如权利要求1所述的测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，所述测试膜对气体分离性能的装置还包括起保压作用的罐，罐置于测试腔前的试验气体管路上。

3.如权利要求1所述的测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，所述测试膜对气体分离性能的装置还包括用于对测试腔抽真空的真空发生装置。

4.如权利要求1所述的测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，所述测试腔的下腔上设有多孔材料，试样置于多孔材料上，多孔材料支撑试样。

5.如权利要求1所述的测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，上、下腔之间设有密封圈。

6.如权利要求1所述的测试膜对气体分离性能的装置，其特征是，所述定量元件的容量为定值。

7.一种测试膜对气体渗透性的方法，其过程为：

步骤1，净化系统；

将试样安装固定到测试腔内，设定一定的净化时间；将六通阀调到渗透状态，载气进入定量元件，排出管路内的气体杂质，净化气路系统；

步骤2，抽真空；

净化结束后，调整相关的阀门，对测试腔抽真空；

步骤3，上腔充入试验气体； 

抽真空结束后，使试验气体由罐进入测试腔上腔；在管路内压强达到一定值时，停止充气；

步骤4，上腔压力到，停止充气；

停止充入试验气体后，关闭相关阀门使系统处于保压状态；

步骤5，气体渗透；

保压一段时间后，使测试腔内的试验气体由上腔渗透过试样进入下腔，进入六通阀;最后，渗透过来的试验气体进入定量元件；

步骤6，平衡压力；

气体渗透结束后，使载气进入六通阀的a管口，平衡管路压力，六通阀仍处于渗透状态； 

步骤7，进样分析；

平衡压力结束后，使六通阀进入进样状态；载气将定量元件内储存的渗透气体携带至分析设备。

8.如权利要求7所述的测试膜对气体渗透性的方法，其特征是，

所述步骤2中，还包括：

步骤201，对下腔抽真空；

六通阀处于渗透状态，打开真空发生装置，对下腔抽真空；

步骤202，对上、下腔抽真空；

对下腔抽真空结束后，对上腔、下腔同时抽真空。

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