CN110308073B - 惰性气体净化系统的净化柱监测方法及其智能再生提醒系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及惰性气体净化系统的净化柱监测方法及其智能再生提醒系统，该监测方法包括：记录净化柱的使用时间T；测算惰性气体进净化柱前含氧量Qinlet和惰性气体出柱后含氧量Qoutlet；计算净化柱在使用时间T内的总实际吸氧量QT，QT＝Qinle‑Qoutlet；计算得出净化柱的吸附率r；当r达到85～95％时，提醒进行净化柱的再生。本发明的净化柱监测方法及其智能再生提醒系统，对惰性气体净化系统内的再生柱的再生时间做出科学的预警评估，从而使实验设备的管理和使用更加合理，避免不必要的误操作和经验式使用带来的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及实验器材和工业应用领域，特别涉及惰性气体净化系统的净化柱监测方法及其智能再生提醒系统。
背景技术
手套箱是将高纯惰性气体充入箱体内，并循环过滤掉其中的活性物质的实验室设备或工业设备，也称真空手套箱、惰性气体保护箱等。主要功能在于对O2，H2O的清除。手套箱的主要净化结构为气体净化系统，气体净化系统的净化柱吸附水氧达到饱和时，需要进行再生还原。
目前设计的气体净化系统中的再生还原，根据使用情况不同每个用户的气体净化系统的再生频率不同，周期差异比较大。是否需要再生，客户只能按经验，定性的定期进行再生。实际上由于使用的状况不同，误操作的频率等很多无法预知的条件，对再生的周期会产生非常大的影响。客户无法准确的预知什么时间需要再生，无法在合适的时间提前准备再生气等条件。在这种情况下，本发明可以提供可靠的科学的预警评估。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题的至少一个，本发明提供惰性气体净化系统的净化柱监测方法及其职能再生提醒系统。
根据本发明的一个方面，提供一种惰性气体净化系统的净化柱监测方法，包括以下步骤：
记录净化柱的使用时间T；
测算惰性气体进净化柱前含氧量Qinlet和惰性气体出柱后含氧量Qoutlet；
计算净化柱在使用时间T内的总实际吸氧量QT，QT＝Qinle-Qoutlet；
计算得出净化柱的吸附率r，计算公式为：
r＝QT/(Rex×M×(1-1％×N)
其中，M是净化柱内可再生材料的填充量，N是净化柱中可再生材料的再生次数，Rex是单位可再生材料的实际吸氧量；
当r达到85～95％时，提醒进行净化柱的再生。
其中，测算Qinlet和Qoutlet的步骤包括：
检测惰性气体的进柱前流速Si和进柱前氧浓度Ci，计算进净化柱前含氧量Qinlet，计算公式为：Qinlet＝Si×Ai×Ci，Ai是惰性气体净化系统的进气管截面积；
检测惰性气体的出柱后流速So和出柱后氧浓度Co，计算出净化柱后含氧量Qoutlet，计算公式为：Qoutlet＝So×Ao×Co。
其中，Rex＝4L/Kg。
其中，提醒步骤包括：当r达到90％时，提醒进行净化柱的再生。
根据本发明的另一方面，提供一种智能再生提醒系统，包括控制单元、报警模块、计时模块、用于检测进柱前氧浓度和进柱前流速的前置探头和用于检测出柱后氧浓度和出柱后气体流速的后置探头，控制单元与前置探头、后置探头和报警模块、计时模块分别连接。
其中，前置探头和后置探头均包括气体流量计和氧探头。
其中，智能再生提醒系统还包括吸附率显示模块、测漏模块，再生周期显示模块和可再生材料性能评价显示模块，吸附率显示模块、测漏模块与控制单元连接，再生周期显示模块和可再生材料性能评价显示模块分别与控制单元连接。
其中，智能再生提醒系统还包括温度探头，温度探头与控制单元连接。
其中，惰性气体净化系统的净化柱内的可再生材料为铜触媒。
本发明具有以下有益效果：
本发明在理论和实验的基础上，设计了此预警系统，对惰性气体净化系统内的再生柱的再生时间做出科学的预警评估，从而使实验设备的管理和使用更加合理，避免不必要的误操作和经验式使用带来的浪费。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了通用型惰性气体净化系统的示意图；
图2示出了根据本发明实施方式的智能再生提醒系统的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，目前市场上存在的惰性气体净化系统，主要包括以下结构：
A：净化柱：内填有除水、除氧的介质材料(通常为分子筛和铜触媒)，用来吸附气体中的水和氧等杂质，根据使用要求一台净化系统可以配置一个净化柱，或两个净化柱或更多。
B：循环风机：为气体的循环提供动力。
C：冷却系统：为了维持净化的吸附效率和箱体内的气氛温度在一个平稳的范围内，将循环风机出来的气体予以冷却。
D：控制单元：用来控制整个系统的工作，和净化柱A的再生活化。
E：真空系统：用于控制所联结的手套箱内部压力和净化柱A的再生活化。
F：联结管路：用来将所有部件进行联结，从而成为一个密封的系统。
在该净化系统中，净化柱内用于吸附的可再生材料使用到一定程度达到饱和，需要进行再生活化使材料恢复到可吸附状态，但是操作人员无法准确的知道需要再生的时机；吸附介质使用到一定程度达到饱和，需要进行再生活化使材料恢复到可吸附状态。
为解决以上问题，本发明提供一种惰性气体净化系统的净化柱监测方法，本发明的设计思路为，根据测量净化系统的进出气口的气体流量和进出气口的氧浓度，可以计算出净化柱的实际已吸附量，然后实际已吸附的氧气量与理论计算的氧气吸附量进行对比，计算出吸附率，根据吸附率的大小提出再生预警。
该净化柱监测方法包括以下步骤：
记录净化柱的使用时间T；测算惰性气体进净化柱前含氧量Qinlet和惰性气体出柱后含氧量Qoutlet；计算净化柱在使用时间T内的总实际吸氧量QT，QT＝Qinle-Qoutlet；计算得出净化柱的吸附率r，计算公式为：
r＝QT/(Rex×M×(1-1％×N)
其中，M是净化柱内可再生材料的填充量，N是净化柱中可再生材料的再生次数，Rex是单位可再生材料的实际吸氧量；当r达到85～95％时，提醒进行净化柱的再生。
净化柱中，用来吸附氧气的填料是铜触媒，每公斤铜触媒的最大可吸附标准状态下25L氧气，即，Qth＝25L/kg(标准状态，1个大气压，25℃)，具体反应机理为：
2Cu+O2＝2CuO(吸附过程)
CuO+H2＝Cu+H2O(再生过程)
而根据实际检测，理论吸氧量是在完全理想状态下，不考虑吸附后剩余氧含浓度下的理论计算值，而在惰性气氛净化系统应用中，由于对于吸附后残余氧浓度要求比较低，为了安全起见，根据实验数据，现将实际吸氧量定义为：
Rex＝4L/Kg(标准状态，1个大气压，25℃)
该数据对惰性气氛净化系统的应用更具有实际意义。
在测算进柱前含氧量Qinlet和Qoutlet时，气体流速Si和So通过在线安装的流量计进行检验获得；管径截面积在出厂时已经确定，可以认定为常量，通常情况下Ai＝Ao；时间可以通过系统的计时模块在线记录；氧浓度Ci和Co通过在净化柱前后安装的氧探头可以在线检测获得。
从理论上讲，进出气的温度变化对计算也会造成误差，但在实际操作中，由于进气和出气的距离比较短，相互之间的温度变化不大，在此计算中认为温度变化的影响足够小，暂不考虑。
计算吸附率r时，由于可再生材料经过多次再生后，其吸附性能会呈下降趋势，直至材料完全失去活性，因此每做一次再生，吸附性能就会产生一定降低，根据实验，再生一次最大吸氧量可以下降约1％。
通过一定时间T的累积，当r等于90％左右时，系统可以发出提醒，请“再生净化柱”；在实际操作中，吸附率r可以通过在线显示系统显示出来，用户可以根据自己的经验决定是否再生。
相应地，本发明的监测方法具体可通过智能再生提醒系统实现，如图2所示，该系统具体包括控制单元1、报警模块、计时模块、用于检测进柱前氧浓度和进柱前流速的前置探头2和用于检测出柱后氧浓度和出柱后气体流速的后置探头3，控制单元1与前置探头2、后置探头3和报警模块、计时模块分别连接。
其中前置探头2包括用于检测进柱前气体流速的气体流量计和检测进柱前惰性气体的氧浓度的氧探头，后置探头3包括用于检测出柱后气体流速的气体流量计和检测出柱后惰性气体的氧浓度的氧探头。本提醒系统还可以包括温度探头，将温度探头设置在净化柱5内，以随时在线检测净化柱内的温度，尤其是净化柱再生过程中的温度变化，为将来的再生过程控制提供依据。
智能再生提醒系统还包括吸附率显示模块、再生周期显示模块和可再生材料性能评价显示模块，吸附率显示模块与控制单元1连接，再生周期显示模块和可再生材料性能评价显示模块分别与控制单元1连接。
智能再生提醒系统具有计算再生周期功能，再生周期由显示系统显示。该再生周期的数据是基于所联结箱体的泄漏率而算出来的。再生周期Pcal＝(Rex×M)/(LR×V×21％)
其中，LR为所联结箱体的总体泄漏率，由测漏模块检测得到；V指所联结箱体的体积；M是净化柱中铜触媒的填充量(kg)
例如：箱体的泄漏率LR＝0.005％vol/h；箱体的体积V＝1m3；净化柱中的铜触媒填充量M＝5kg；则Pcal＝(4L/kg×5kg)/(0.005％×1000×21％)≈1900hrs(约80天)。由在实际操作中和现场测定的再生周期进行对比，长期对比二者之的不同，可以评价整个系统的优劣。
智能再生提醒系统具有计算再生材料性能评价指数(MEI)的功能，通过显示系统将指数进行显示。再生材料性能评价指数即填充材料的性能指数。比如，5公斤的铜触媒填充量，经过第N次再生后，吸附了16L氧气后，氧指标超过1ppm。理论上，第一次再生后，可以吸附20L(＝Rex×5kg)。通过两者之比，可以得到材料的性能评价指数：MEI(N)＝16L/20L＝80％即：在经过第N次再生后，材料的有效性能为原始材料性能的80％。
综上，本发明的智能再生提醒系统的能够提供下列信息，箱体泄漏率(如果有在线测漏模块的话)；铜触媒填充量(kg)；进柱前氧浓度(ppm)；进柱前气体压力(mbar)；进柱前气体流速(m/s)；出柱后氧浓度(ppm)；出柱后气体压力(mbar)；出柱后气体流速(m/s)；箱体泄漏率推导出的再生周期(Pcal)(如果有在线测漏模块的话)；上次再生后的运行时间T(h)；在时间T下对应的实际吸附量QT(L)；吸附率r；再生次数N；材料性能评价指数MEI。
用户可以根据在线提供的数据和提醒决定是否执行再生程序和收集相关实验数据。
本发明的智能再生提醒系统，其实现方式包括并不限于设计成整机中的一个功能部件、设计成一个外加装置，然后再加到现成设备上以及设计成一个功能性模块，具体参数需要在出厂前根据实际需求设置，各种可能相近的实现方式都属于本发明的智能再生提醒系统的变形，均在本发明的保护范围内。此外，本提醒系统的控制单元还可以与净化系统的主控制集成在一起。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.惰性气体净化系统的净化柱监测方法，其特征在于，所述净化柱监测方法包括以下步骤：
记录净化柱的使用时间T；
测算惰性气体进净化柱前含氧量Qinlet和惰性气体出柱后含氧量Qoutlet；
计算净化柱在使用时间T内的总实际吸氧量QT，QT＝Qinle-Qoutlet；
计算得出净化柱的吸附率r，计算公式为：
r＝QT/(Rex×M×(1-1％×N)
其中，M是净化柱内可再生材料的填充量，N是净化柱中可再生材料的再生次数，Rex是单位可再生材料的实际吸氧量，Rex＝4L/Kg；
当r达到85～95％时，提醒进行净化柱的再生。
2.如权利要求1所述的惰性气体净化系统的净化柱监测方法，其特征在于，测算Qinlet和Qoutlet的步骤包括：
检测惰性气体的进柱前流速Si和进柱前氧浓度Ci，计算进净化柱前含氧量Qinlet，计算公式为：Qinlet＝Si×Ai×Ci，Ai是惰性气体净化系统的进气管截面积；
检测惰性气体的出柱后流速So和出柱后氧浓度Co，计算出净化柱后含氧量Qoutlet，计算公式为：Qoutlet＝So×Ao×Co。
3.如权利要求1所述的惰性气体净化系统的净化柱监测方法，其特征在于，提醒步骤包括：
当r达到90％时，提醒进行净化柱的再生。
4.采用权利要求1-3任一项所述的惰性气体净化系统的净化柱监测方法的智能再生提醒系统，其特征在于，所述的智能再生提醒系统包括控制单元(1)、报警模块、计时模块、用于检测进柱前氧浓度和进柱前流速的前置探头(2)和用于检测出柱后氧浓度和出柱后气体流速的后置探头(3)，所述控制单元(1)与所述前置探头(2)、所述后置探头(3)和所述报警模块、所述计时模块分别连接。
5.如权利要求4所述的智能再生提醒系统，其特征在于，
所述前置探头(2)和所述后置探头(3)均包括气体流量计和氧探头。
6.如权利要求4所述的智能再生提醒系统，其特征在于，
所述智能再生提醒系统还包括吸附率显示模块、测漏模块，再生周期显示模块和可再生材料性能评价显示模块，所述吸附率显示模块、所述测漏模块与所述控制单元(1)连接，所述再生周期显示模块和所述可再生材料性能评价显示模块分别与所述控制单元(1)连接；其中，所述测漏模块用于检测箱体的总体泄露率。
7.如权利要求4所述的智能再生提醒系统，其特征在于，
所述智能再生提醒系统还包括温度探头(4)，所述温度探头与所述控制单元(1)连接。
8.如权利要求4所述的智能再生提醒系统，其特征在于，
所述惰性气体净化系统的净化柱内的可再生材料为铜触媒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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