CN106178849A - 一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统 - Google Patents

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CN106178849A CN201610793379.5A CN201610793379A CN106178849A CN 106178849 A CN106178849 A CN 106178849A CN 201610793379 A CN201610793379 A CN 201610793379A CN 106178849 A CN106178849 A CN 106178849A
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李洪全
马云霞
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    • B01D2053/223—Devices with hollow tubes
    • B01D2053/224—Devices with hollow tubes with hollow fibres

Abstract

本发明公开了一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，包括气体处理单元、气体分离单元、主控单元；主控单元包括测控芯片模块、智能控制模块、人机交互模块；测控芯片模块通过温度传感器获取进入中空纤维膜的空气的温度t，并通过氧分析仪获取变频真空泵排气口处的氧气浓度c、通过流量传感器获取储气罐出气口处的气体流量x、通过人机交互模块获取用户设置的氧气浓度范围以及气体流量范围，测控芯片模块根据不同的空气温度t，对氧气浓度c以及用户设置的氧气浓度范围、气体流量x以及用户设置的气体流量范围进行分析，且将分析结果发送至智能控制控制模块，智能控制模块根据上述分析结果指令控制电控三通阀、变频真空泵、流量调节阀动作。

Description

一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统
技术领域
本发明涉及空气氮氧分离技术领域，尤其涉及一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统。
背景技术
现有氮氧分离技术主要有变压吸附法、膜法分离、磁分离、离心分离等技术。市场上传统的膜法制氮机以及变压吸附式制氮机大多采用正压法，利用空气压缩机提供高压气体至分离装置前端，通过调压装置下调压力使得出口氧浓度参数与设定值一致，这就造成压力冗余，能源浪费。同时增加了调压及一系列装置，增加了制造成本。另外此类装置大多定档调节，不能够实现出气氧浓度实时无极调节。
而在现有技术中，由于将空气中的氧气分离之后，分离装置的进气端氮气的浓度会升高，氧气的浓度大大降低，这也使分离装置的工作效率大大降低，所以需要暂停工作进行排气，这也使分离装置不能连续的工作，影响分离效率。
基于上述现有技术中存在的弊端，如何开发出一种结构简洁、节能降耗、智能化自动控制的氮氧分离系统，成为本领域技术人员着重解决的问题之一。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统。
需要说明的是，本发明所述的氧气浓度，指的是氧气气体体积百分比浓度。
本发明提出的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，包括：气体处理单元、气体分离单元、主控单元；
气体处理单元，包括初滤装置、精滤装置、干燥装置；初滤装置的进气口与空气出口连通，初滤装置的出气口与精滤装置的进气口连通，精滤装置的出气口与干燥装置的进气口连通；
气体分离单元，包括中空纤维膜、储气罐、电控三通阀、变频真空泵；中空纤维膜的进气口与干燥装置的出气口管路连通，且上述管路上设有温度传感器，中空纤维膜的第一出气口与电控三通阀的第一进气口连通，中空纤维膜的第二出气口与电控三通阀的第二进气口连通，变频真空泵的进气口与电控三通阀的出气口连通，变频真空泵的排气口与储气罐的进气口连通；变频真空泵的排气口与储气罐的进气口的连接管道上设有氧分析仪；储气罐的出气口处连接有出气管道，出气管道上设有流量传感器和流量调节阀，且流量调节阀设于出气管道上储气罐的出气口和流量传感器之间；中空纤维膜的进气口与电控三通阀的出气口的连接管路上设有压力差传感器；
主控单元，包括测控芯片模块、智能控制模块、人机交互模块；测控芯片模块与流量传感器、温度传感器、压力差传感器、氧分析仪通信连接；智能控制模块与电控三通阀、变频真空泵、流量调节阀通信连接；且所述的智能控制模块与测控芯片模块通信连接，所述的人机交互模块分别与测控芯片模块和智能控制模块通信连接；
测控芯片模块通过温度传感器获取进入中空纤维膜的空气的温度t，并通过氧分析仪获取变频真空泵排气口处的氧气浓度c、通过流量传感器获取储气罐出气口处的气体流量x、通过人机交互模块获取用户设置的氧气浓度范围以及气体流量范围，测控芯片模块根据不同的空气温度t，对氧气浓度c以及用户设置的氧气浓度范围、气体流量x以及用户设置的气体流量范围进行分析，且将分析结果发送至智能控制控制模块，智能控制模块根据上述分析结果指令控制电控三通阀、变频真空泵、流量调节阀动作。
优选地，所述的变频真空泵的排气口与储气罐的进气口的连通管路上还设有单向阀，单向阀的进气口与变频真空泵的排气口连通，单向阀的出气口与氧分析仪的进气口连通。
优选地，用户通过人机交互模块设置氧气浓度范围；当用户将氧气浓度范围设置为25％-40％时，智能控制模块指令控制电控三通阀动作，使电控三通阀保持第一进气口开启、第二进气口关闭、出气口开启；当用户将氧气浓度范围设置为1％-20％时，智能控制模块指令控制电控三通阀动作，使电控三通阀保持第一进气口关闭、第二进气口开启、出气口开启。
优选地，测控芯片模块通过氧分析仪获取变频真空泵排气口处的氧气浓度c，且将c与用户设置的氧气浓度范围进行比较，当变频真空泵排气口处的氧气浓度c小于用户设置的氧气浓度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速增大，以提高中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当变频真空泵排气口处的氧气浓度c大于用户设置的氧气浓度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速减小，以降低中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
优选地，用户通过人机交互模块设置气体流量范围；当温度传感器检测的温度恒定，且用户通过人机交互模块设置好氧气浓度范围时，测控芯片模块通过流量传感器获取储气罐出气口处的气体流量x，且将上述气体流量x与用户设置的气体流量范围进行比较，当x大于用户设置的气体流量范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速增大，以提高中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当x小于用户设置的气体流量范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速减小，以降低中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
优选地，测控芯片模块内存储有预设温度范围；测控芯片模块通过温度传感器获取进入中空纤维膜的空气的温度t，且将上述t与预设温度范围进行比较，当t大于预设温度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速减小，以降低中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当t小于预设温度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵动作，使变频真空泵的转速增大，以提高中空纤维膜的进气口与变频真空泵的进气口间的气体压力差，使变频真空泵排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
优选地，所述的干燥装置采用高分子材料干燥器。
优选地，所述的精滤装置包括模芯吸附式干燥机。
本发明中设有温度传感器采集进入中空纤维膜的空气的温度、氧分析仪获取变频真空泵排气口处的氧气浓度、流量传感器获取储气罐出气口处的气体流量；测控芯片模块通过上述氧分析仪、流量传感器获取氧气的浓度、气体流量，并将采集的氧气浓度与用户设置的氧气浓度范围进行比较，且将比较结果发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述比较结果控制电控三通阀、变频真空泵、流量调节阀动作，通过调整电控三通阀的开启和关闭来调节中空纤维膜第一出气口以及第二出气口处的气体流向、通过调整变频真空泵的转速来调节中空纤维膜进气口与出气口的压力差、通过调节流量调节阀的开度来调节储气罐出气口处的气体流量，从而实现对空气中氮氧分离相对比例的无极调节；进一步地，本发明中设置的温度传感器可对进入中空纤维膜的空气的温度进行检测，并将空气的实际温度与预设温度范围进行比较，且将比较结果发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述比较结果控制变频真空泵动作，以调节变频真空泵的转速，使变频真空泵排气口处的氧气浓度在用户设置的氧气浓度范围之内；如此，从进入中空纤维膜的空气的温度、变频真空泵排气口处的氧气浓度、储气罐出气口处的气体流量三个参数的实际值出发，根据上述三个参数的变化来控制变频真空泵的转速，以改变中空纤维膜进气口和出气口的压力差，从而根据用户设置的浓度范围对空气中的氮气和氧气进行分离，且可根据用户实际需要对空气进行分离，使分离过程更加智能化和合理化；且本发明中使用的变频真空泵可根据实际需要提供负压，避免现有技术中使用空气压缩机造成压力冗余的弊端，极大地节约了能源消耗，避免能源浪费；并且，本发明中可对变频真空泵的电机转速进行控制，大大降低了震动及造成，避免了现有技术中使用空气压缩机造成的噪声过大的问题发生，使对空气进行氮氧分离的过程更加简便化，提高了对空气进行氮氧分离的效率和精度。
附图说明
图1为一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统。
参照图1，本发明提出的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，包括：气体处理单元、气体分离单元、主控单元；
气体处理单元，包括初滤装置1、精滤装置2、干燥装置3；初滤装置1的进气口与空气出口连通，初滤装置1的出气口与精滤装置2的进气口连通，精滤装置2的出气口与干燥装置3的进气口连通；
气体分离单元，包括中空纤维膜4、储气罐6、电控三通阀5、变频真空泵9；中空纤维膜4的进气口与干燥装置3的出气口管路连通，且上述管路上设有温度传感器23，中空纤维膜4的第一出气口与电控三通阀5的第一进气口连通，中空纤维膜4的第二出气口与电控三通阀5的第二进气口连通，变频真空泵9的进气口与电控三通阀5的出气口连通，变频真空泵9的排气口与储气罐6的进气口连通；变频真空泵9的排气口与储气罐6的进气口的连接管道上设有氧分析仪11；氧分析仪11用于采集变频真空泵9排气口处的氧气浓度，所述的氧气浓度为氧气气体体积百分比浓度；变频真空泵9的排气口与储气罐6的进气口的连通管路上还设有单向阀10，单向阀10的进气口与变频真空泵9的排气口连通，单向阀10的出气口与氧分析仪11的进气口连通；单向阀10用于保证进入到储气罐6的气体不会沿着管道回流至变频真空泵9的排气口内；储气罐6的出气口处连接有出气管道，出气管道上设有流量传感器8和流量调节阀7，且流量调节阀7设于出气管道上储气罐6的出气口和流量传感器8之间；流量传感器8用于检测储气罐6出气口处的气体流量，流量调节阀7用于根据智能控制模块的指令控制出气管道内气体的流量大小；中空纤维膜4的进气口与电控三通阀5的出气口的连接管路上设有压力差传感器13；压力差传感器13用于采集进入中空纤维膜4的气体以及从中空纤维膜4流出的气体的压力差；电控三通阀5用于根据智能控制模块的指令对中空纤维膜4第一出气口和第二出气口的气体流向进行开启和阻断；
主控单元，包括测控芯片模块、智能控制模块、人机交互模块；测控芯片模块与流量传感器8、温度传感器12、压力差传感器13、氧分析仪11通信连接；智能控制模块与电控三通阀5、变频真空泵9、流量调节阀7通信连接；且所述的智能控制模块与测控芯片模块通信连接，所述的人机交互模块分别与测控芯片模块和智能控制模块通信连接；
测控芯片模块通过温度传感器12获取进入中空纤维膜4的空气的温度t，并通过氧分析仪11获取变频真空泵9排气口处的氧气浓度c、通过流量传感器8获取储气罐6出气口处的气体流量x、通过人机交互模块获取用户设置的氧气浓度范围以及气体流量范围，测控芯片模块根据不同的空气温度t，对氧气浓度c以及用户设置的氧气浓度范围、气体流量x以及用户设置的气体流量范围进行分析，且将分析结果发送至智能控制控制模块，智能控制模块根据上述分析结果指令控制电控三通阀5、变频真空泵9、流量调节阀7动作；具体操作为：
用户通过人机交互模块设置氧气浓度范围；当用户将氧气浓度范围设置为25％-40％时，智能控制模块指令控制电控三通阀5动作，使电控三通阀5保持第一进气口开启、第二进气口关闭、出气口开启；当用户将氧气浓度范围设置为1％-20％时，智能控制模块指令控制电控三通阀5动作，使电控三通阀5保持第一进气口关闭、第二进气口开启、出气口开启。
测控芯片模块通过氧分析仪11获取变频真空泵9排气口处的氧气浓度c，且将c与用户设置的氧气浓度范围进行比较，当变频真空泵9排气口处的氧气浓度c小于用户设置的氧气浓度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速增大，以提高中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当变频真空泵9排气口处的氧气浓度c大于用户设置的氧气浓度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速减小，以降低中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
用户通过人机交互模块设置气体流量范围；当温度传感器12检测的温度恒定，且用户通过人机交互模块设置好氧气浓度范围时，测控芯片模块通过流量传感器8获取储气罐6出气口处的气体流量x，且将上述气体流量x与用户设置的气体流量范围进行比较，当x大于用户设置的气体流量范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速增大，以提高中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当x小于用户设置的气体流量范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速减小，以降低中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
测控芯片模块内存储有预设温度范围；测控芯片模块通过温度传感器12获取进入中空纤维膜4的空气的温度t，且将上述t与预设温度范围进行比较，当t大于预设温度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速减小，以降低中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当t小于预设温度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵9动作，使变频真空泵9的转速增大，以提高中空纤维膜4的进气口与变频真空泵9的进气口间的气体压力差，使变频真空泵9排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
本实施方式中，所述的干燥装置3采用高分子材料干燥器；所述的精滤装置2包括模芯吸附式干燥机；可对空气中的杂质和水分进行全面的吸附，保证进入到中空纤维膜4的空气的质量和干燥度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，包括：气体处理单元、气体分离单元、主控单元；
气体处理单元，包括初滤装置(1)、精滤装置(2)、干燥装置(3)；初滤装置(1)的进气口与空气出口连通，初滤装置(1)的出气口与精滤装置(2)的进气口连通，精滤装置(2)的出气口与干燥装置(3)的进气口连通；
气体分离单元，包括中空纤维膜(4)、储气罐(6)、电控三通阀(5)、变频真空泵(9)；中空纤维膜(4)的进气口与干燥装置(3)的出气口管路连通，且上述管路上设有温度传感器(12)，中空纤维膜(4)的第一出气口与电控三通阀(5)的第一进气口连通，中空纤维膜(4)的第二出气口与电控三通阀(5)的第二进气口连通，变频真空泵(9)的进气口与电控三通阀(5)的出气口连通，变频真空泵(9)的排气口与储气罐(6)的进气口连通；变频真空泵(9)的排气口与储气罐(6)的进气口的连接管道上设有氧分析仪(11)；储气罐(6)的出气口处连接有出气管道，出气管道上设有流量传感器(8)和流量调节阀(7)，且流量调节阀(7)设于出气管道上储气罐(6)的出气口和流量传感器(8)之间；中空纤维膜(4)的进气口与电控三通阀(5)的出气口的连接管路上设有压力差传感器(13)；
主控单元，包括测控芯片模块、智能控制模块、人机交互模块；测控芯片模块与流量传感器(8)、温度传感器(12)、压力差传感器(13)、氧分析仪(11)通信连接；智能控制模块与电控三通阀(5)、变频真空泵(9)、流量调节阀(7)通信连接；且所述的智能控制模块与测控芯片模块通信连接，所述的人机交互模块分别与测控芯片模块和智能控制模块通信连接；
测控芯片模块通过温度传感器(12)获取进入中空纤维膜(4)的空气的温度t，并通过氧分析仪(11)获取变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c、通过流量传感器(8)获取储气罐(6)出气口处的气体流量x、通过人机交互模块获取用户设置的氧气浓度范围以及气体流量范围，测控芯片模块根据不同的空气温度t，对氧气浓度c以及用户设置的氧气浓度范围、气体流量x以及用户设置的气体流量范围进行分析，且将分析结果发送至智能控制控制模块，智能控制模块根据上述分析结果指令控制电控三通阀(5)、变频真空泵(9)、流量调节阀(7)动作。
2.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，所述的变频真空泵(9)的排气口与储气罐(6)的进气口的连通管路上还设有单向阀(10)，单向阀(10)的进气口与变频真空泵(9)的排气口连通，单向阀(10)的出气口与氧分析仪(11)的进气口连通。
3.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，用户通过人机交互模块设置氧气浓度范围；当用户将氧气浓度范围设置为25％-40％时，智能控制模块指令控制电控三通阀(5)动作，使电控三通阀(5)保持第一进气口开启、第二进气口关闭、出气口开启；当用户将氧气浓度范围设置为1％-20％时，智能控制模块指令控制电控三通阀(5)动作，使电控三通阀(5)保持第一进气口关闭、第二进气口开启、出气口开启。
4.根据权利要求3所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，测控芯片模块通过氧分析仪(11)获取变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c，且将c与用户设置的氧气浓度范围进行比较，当变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c小于用户设置的氧气浓度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速增大，以提高中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c大于用户设置的氧气浓度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速减小，以降低中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
5.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，用户通过人机交互模块设置气体流量范围；当温度传感器(12)检测的温度恒定，且用户通过人机交互模块设置好氧气浓度范围时，测控芯片模块通过流量传感器(8)获取储气罐(6)出气口处的气体流量x，且将上述气体流量x与用户设置的气体流量范围进行比较，当x大于用户设置的气体流量范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速增大，以提高中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当x小于用户设置的气体流量范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速减小，以降低中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
6.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，测控芯片模块内存储有预设温度范围；测控芯片模块通过温度传感器(12)获取进入中空纤维膜(4)的空气的温度t，且将上述t与预设温度范围进行比较，当t大于预设温度范围的最大值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速减小，以降低中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内；当t小于预设温度范围的最小值时，测控芯片模块将此信息发送至智能控制模块，智能控制模块根据上述信息指令控制变频真空泵(9)动作，使变频真空泵(9)的转速增大，以提高中空纤维膜(4)的进气口与变频真空泵(9)的进气口间的气体压力差，使变频真空泵(9)排气口处的氧气浓度c在用户设置的氧气浓度范围内。
7.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，所述的干燥装置(3)采用高分子材料干燥器。
8.根据权利要求1所述的基于变频负压法实现空气氮氧分离的系统，其特征在于，所述的精滤装置(2)包括模芯吸附式干燥机。
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