CN110745791A - 一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制氮设备技术领域，具体地说，涉及一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机。包括壳体和集成在壳体内部的气源系统、冷却系统、空气缓冲系统、气源处理系统、制氮系统、氮气储存系统、取样系统、输出系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统；所述气源系统包括空气压缩机和与空气压缩机电性连接的变频器，所述的变频器连接并受控于PLC控制系统。本发明所述的制氮机结构简单，智能化程度高，实现了输出氮气流量和纯度的精确控制，降低了设备的能耗，节约了资源，降低了设备的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及制氮设备技术领域，具体地说，涉及一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机。
背景技术
近年来，氮气已广泛应用于金属材料和机械零件的退火保护气、氮化处理、洗炉及吹扫用气；石油化工、合成纤维、浮法玻璃等生产过程的充氮保护；电子产品的封装、烧结、退火、还原、储存；以及水果蔬菜保鲜，粮食贮藏、中药防腐、茶叶保色等场合。随着氮气的广泛应用，制氮机的使用也越来越多。
现有的制氮机存在以下问题：1、氮气在实际使用过程中，用量是变化的，即在某段时间内用气量较大，而其它时间内用气量较少。现有的制氮机无法按需实时调整制取氮气的量，因此，为了保证正常使用，选取制氮机时一般按照工厂峰值的使用量来确定制氮机的能力，防止在高峰用气时间段内气量不够。这样选取的制氮机型号偏大，在一般用气时间段内产气量远远大于用气量。现阶段变压吸附制氮机的氮气储罐上一般装有压力传感器，当用气量少时，氮气储罐内压力上升，达到设定压力时，会停止变压吸附系统。此时，空气压缩机处于空载状态，而空载状态的功耗约为正常运行的1/3，空气压缩机的空载运行造成了电能的浪费。2、现有的制氮机一般采用截止阀设定好排气的流量，不能随意的调节氮气的输出量，从而造成能源的浪费。3、在一些工况下，所需氮气的纯度有多种，现有的制氮机无法按需调整制取氮气的纯度，因此，为了保证正常使用，选取制氮机时一般选用制氮纯度高的制氮机，功耗高，使用成本高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，解决以上技术问题。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，包括壳体和集成在壳体内部的气源系统、冷却系统、空气缓冲系统、气源处理系统、制氮系统、氮气储存系统、取样系统、输出系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统；所述气源系统包括空气压缩机和与空气压缩机电性连接的变频器，所述的变频器连接并受控于PLC控制系统。
优选的：所述冷却系统包括散热器和风扇，所述的风扇连接并受控于PLC控制系统。
优选的：所述空气缓冲系统包括与空气压缩机管路连接的空气缓冲罐和装配在空气缓冲罐上的第一压力表、压力变送器、电子排水阀、第一安全阀，所述的压力变送器与PLC控制系统电性连接，所述的第一安全阀连接并受控于PLC控制系统。
优选的：所述气源处理系统包括三组四级过滤器，各组过滤器的底部分别装配有自动排水器。
优选的：所述氮气储存系统包括与制氮系统管路连接的氮气罐和装配在氮气罐上的第二压力表、第二安全阀。
优选的：所述取样系统包括通过管路与氮气罐相连通的氮氧分析仪和安装在氮气罐与氮氧分析仪之间的管路上的减压阀和流量调节阀，所述的氮氧分析仪与PLC控制系统电性连接。
优选的：所述输出系统包括与氮气罐相连通的氮气输出管和安装在氮气输出管上的电动流量调节阀、数字流量计、合格氮气输出电磁阀、不合格氮气输出电磁阀，所述的数字流量计与PLC控制系统电性连接，所述的电动流量调节阀、合格氮气输出电磁阀和不合格氮气输出电磁阀分别连接并受控于PLC控制系统。
优选的：所述制氮系统包括第一吸附塔和第二吸附塔，所述的第一吸附塔和第二吸附塔并联设置，其中，两个吸附塔的进气管分别通过五位三通电磁阀与气源处理系统的出气管连接，两个吸附塔的出气管之间连通有反吹管，所述的反吹管上安装有反吹电磁阀；所述第一吸附塔的中间部位装配有第一均压电磁阀，所述第一均压电磁阀的出气端通过管路与第二吸附塔的进气管相连通；所述第二吸附塔的中间部位装配有第二均压电磁阀，所述第二均压电磁阀的出气端通过管路与第一吸附塔的进气管相连通；所述五位三通电磁阀、反吹电磁阀、第一均压电磁阀和第二均压电磁阀分别连接并受控于PLC控制系统。
优选的：所述第一吸附塔上安装有第三压力表，所述第二吸附塔上安装有第四压力表。
优选的：所述制氮系统包括与气源处理系统管路连接的制氮模组和设置在气源处理系统与制氮模组之间管路上的空气加热器，所述的空气加热器连接并受控于PLC控制系统。
有益效果：与现有技术相比，本发明所述的制氮机结构简单，智能化程度高，实现了输出氮气流量和纯度的精确控制，降低了设备的能耗，节约了资源，降低了设备的使用成本。
附图说明
图1为实施例一的主视内部结构示意图；
图2为实施例一的左视内部结构示意图；
图3为实施例一的右视内部结构示意图；
图4为实施例一的工艺流程图，
其中：→表示气体流动方向；
图5为实施例二的工艺流程图，
其中：→表示气体流动方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例
实施例一
参照图1-图4，本实施例所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，包括壳体1和集成在壳体1内部的气源系统、冷却系统、空气缓冲系统、气源处理系统、制氮系统、氮气储存系统、取样系统、输出系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统。其中：
所述气源系统包括空气压缩机2和与空气压缩机2电性连接的变频器3，所述的变频器3连接并受控于PLC控制系统。PLC控制系统通过变频器3控制空气压缩机2的产气量，使空气压缩机2按需提供压缩空气，达到节约能耗的目的。
所述冷却系统包括散热器4和风扇5，所述的风扇5连接并受控于PLC控制系统。经空气压缩机2压缩的空气通过散热器4进行冷却，降低气源的温度，同时，使气源中的水因降温析出。
所述空气缓冲系统包括与空气压缩机2管路连接的空气缓冲罐6和装配在空气缓冲罐6上的第一压力表7、压力变送器8、电子排水阀9、第一安全阀10，所述的压力变送器8与PLC控制系统电性连接，所述的第一安全阀10连接并受控于PLC控制系统。经散热器4冷却的压缩空气进入空气缓冲罐6内稳压缓存，空气缓冲系统的主要作用是保证整个设备的用气平稳，在制氮系统切换工作时防止瞬间气体流速过快，影响空气净化效果，减小因气流瞬间增大对过滤芯的冲击，提高进入吸附塔的压缩空气的品质，有利于延长吸附塔内分子筛的使用寿命。
所述气源处理系统包括三组四级过滤器11，各组过滤器11的底部分别装配有自动排水器，能够自动将过滤器11中富集的水、油等排出。该系统主要作用是除去气源中的液态水、油、灰尘等，达到吸附分离的最佳要求。
所述制氮系统包括第一吸附塔22和第二吸附塔23，所述的第一吸附塔22和第二吸附塔23并联设置，其中，两个吸附塔的进气管分别通过五位三通电磁阀24与气源处理系统的出气管连接，两个吸附塔的出气管之间连通有反吹管，所述的反吹管上安装有反吹电磁阀25。所述第一吸附塔22的中间部位装配有第一均压电磁阀26，所述第一均压电磁阀26的出气端通过管路与第二吸附塔23的进气管相连通。所述第二吸附塔23的中间部位装配有第二均压电磁阀27，所述第二均压电磁阀27的出气端通过管路与第一吸附塔22的进气管相连通。所述五位三通电磁阀24、反吹电磁阀25、第一均压电磁阀26和第二均压电磁阀27分别连接并受控于PLC控制系统。所述第一吸附塔22上安装有第三压力表28，所述第二吸附塔23上安装有第四压力表29。五位三通电磁阀24的主要作用是切换第一吸附塔22和第二吸附塔23的工作。PLC控制系统按照设定程序控制各电磁阀的开关，使两个吸附塔轮流进行吸附-解吸，达到连续制取一定纯度氮气的目的。
所述氮气储存系统包括与第一吸附塔22和第二吸附塔23的出气端管路连接的氮气罐12和装配在氮气罐12上的第二压力表13、第二安全阀14。氮气储存系统的主要作用是使氮气压力、流量平稳，减小氮气纯度的波动。
所述取样系统包括通过管路与氮气罐12相连通的氮氧分析仪15和安装在氮气罐12与氮氧分析仪15之间的管路上的减压阀16和流量调节阀17，所述的氮氧分析仪15与PLC控制系统电性连接。
所述输出系统包括与氮气罐12相连通的氮气输出管和安装在氮气输出管上的电动流量调节阀18、数字流量计19、合格氮气输出电磁阀20、不合格氮气输出电磁阀21，所述的数字流量计19与PLC控制系统电性连接，所述的电动流量调节阀18、合格氮气输出电磁阀20和不合格氮气输出电磁阀21分别连接并受控于PLC控制系统。氮氧分析仪15实时检测氮气罐12内氮气的纯度，并将信号传输至PLC控制系统，纯度达标时，PLC控制系统控制合格氮气输出电磁阀20开启，输出合格氮气；纯度不达标时，PLC控制系统控制不合格氮气输出电磁阀21开启，将不合格氮气排空。数字流量计19可将气体流量参数转换为电信号传输至PLC控制系统，PLC控制系统通过控制电动流量调节阀18的开度来精确控制氮气输出流量的大小。
使用时，用户根据实际需要在人机交互界面选择氮气的纯度与流量。当用户设定好纯度与流量后，PLC控制系统控制输出系统中的电动流量调节阀18将输出流量调节至设定值。PLC控制系统根据内部程序计算所需的空气气量，计算完成后，PLC控制系统控制变频器3频率变化，使空气压缩机2的产气量按需求量提供。设备运行后，PLC控制系统控制制氮系统的各个电磁阀按设定程序循环动作，制取所需纯度的氮气。取样系统中的氮氧分析仪15将制取气体的纯度转换为电信号传输至PLC控制系统，当纯度达不到设定值时，输出系统中的不合格氮气输出电磁阀21开启，将不达标的气体排出。当纯度达到设定值后，关闭不合格氮气输出电磁阀21，打开合格氮气输出电磁阀20输出合格的气体。在气体输出的过程中，数字流量计19将氮气流量转化为电信号传输至PLC控制系统，如流量达不到要求，PLC控制系统会控制电动流量调节阀18动作，将氮气流量调节至设定值。本发明实现了输出氮气流量和纯度的精确控制。
实施例二
参照图5，本实施例所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，与实施例一相比，不同之处在于：所述制氮系统包括与气源处理系统管路连接的制氮模组30和设置在气源处理系统与制氮模组30之间管路上的空气加热器31，所述的空气加热器31连接并受控于PLC控制系统。
使用时，用户根据实际需要在人机交互界面选择氮气的纯度与流量。当用户设定好纯度与流量后，PLC控制系统控制输出系统中的电动流量调节阀18将输出流量调节至设定值。PLC控制系统根据内部程序计算所需的空气气量，计算完成后，PLC控制系统控制变频器3频率变化，使空气压缩机2的产气量按需求量提供。经空气压缩机2压缩的空气经过散热器4冷却除水后，进入空气缓冲罐6进行缓冲，稳压后的气体进入过滤器11进行除水、除尘、除油，净化后的空气进入空气加热器31，将温度加热到膜分离反应的最佳最稳定温度，保证膜分离处于最佳工作状态。经制氮模组30制取的氮气进入氮气罐12储存，氮氧分析仪15采集氮气罐12内氮气的纯度并反馈给PLC控制系统。当纯度达不到设定值时，输出系统中的不合格氮气输出电磁阀21开启，将不达标的气体排出。当纯度达到设定值后，关闭不合格氮气输出电磁阀21，打开合格氮气输出电磁阀20输出合格的气体。在气体输出的过程中，数字流量计19将氮气流量转化为电信号传输至PLC控制系统，如流量达不到要求，PLC控制系统会控制电动流量调节阀18动作，将氮气流量调节至设定值。本发明实现了输出氮气流量和纯度的精确控制。
本发明所述的制氮机结构简单，智能化程度高，实现了输出氮气流量和纯度的精确控制，降低了设备的能耗，节约了资源，降低了设备的使用成本。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制另一方面通过本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：包括壳体(1)和集成在壳体(1)内部的气源系统、冷却系统、空气缓冲系统、气源处理系统、制氮系统、氮气储存系统、取样系统、输出系统，还包括控制整个制氮机运行的PLC控制系统；所述气源系统包括空气压缩机(2)和与空气压缩机(2)电性连接的变频器(3)，所述的变频器(3)连接并受控于PLC控制系统。
2.根据权利要求1所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述冷却系统包括散热器(4)和风扇(5)，所述的风扇(5)连接并受控于PLC控制系统。
3.根据权利要求1所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述空气缓冲系统包括与空气压缩机(2)管路连接的空气缓冲罐(6)和装配在空气缓冲罐(6)上的第一压力表(7)、压力变送器(8)、电子排水阀(9)、第一安全阀(10)，所述的压力变送器(8)与PLC控制系统电性连接，所述的第一安全阀(10)连接并受控于PLC控制系统。
4.根据权利要求1所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述气源处理系统包括三组四级过滤器(11)，各组过滤器(11)的底部分别装配有自动排水器。
5.根据权利要求1所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述氮气储存系统包括与制氮系统管路连接的氮气罐(12)和装配在氮气罐(12)上的第二压力表(13)、第二安全阀(14)。
6.根据权利要求5所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述取样系统包括通过管路与氮气罐(12)相连通的氮氧分析仪(15)和安装在氮气罐(12)与氮氧分析仪(15)之间的管路上的减压阀(16)和流量调节阀(17)，所述的氮氧分析仪(15)与PLC控制系统电性连接。
7.根据权利要求5所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述输出系统包括与氮气罐(12)相连通的氮气输出管和安装在氮气输出管上的电动流量调节阀(18)、数字流量计(19)、合格氮气输出电磁阀(20)、不合格氮气输出电磁阀(21)，所述的数字流量计(19)与PLC控制系统电性连接，所述的电动流量调节阀(18)、合格氮气输出电磁阀(20)和不合格氮气输出电磁阀(21)分别连接并受控于PLC控制系统。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述制氮系统包括第一吸附塔(22)和第二吸附塔(23)，所述的第一吸附塔(22)和第二吸附塔(23)并联设置，其中，两个吸附塔的进气管分别通过五位三通电磁阀(24)与气源处理系统的出气管连接，两个吸附塔的出气管之间连通有反吹管，所述的反吹管上安装有反吹电磁阀(25)；所述第一吸附塔(22)的中间部位装配有第一均压电磁阀(26)，所述第一均压电磁阀(26)的出气端通过管路与第二吸附塔(23)的进气管相连通；所述第二吸附塔(23)的中间部位装配有第二均压电磁阀(27)，所述第二均压电磁阀(27)的出气端通过管路与第一吸附塔(22)的进气管相连通；所述五位三通电磁阀(24)、反吹电磁阀(25)、第一均压电磁阀(26)和第二均压电磁阀(27)分别连接并受控于PLC控制系统。
9.根据权利要求8所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述第一吸附塔(22)上安装有第三压力表(28)，所述第二吸附塔(23)上安装有第四压力表(29)。
10.根据权利要求1-7任意一项所述的能精确控制氮气输出纯度和流量的制氮机，其特征在于：所述制氮系统包括与气源处理系统管路连接的制氮模组(30)和设置在气源处理系统与制氮模组(30)之间管路上的空气加热器(31)，所述的空气加热器(31)连接并受控于PLC控制系统。
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