CN116550108A - 一种氮气发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮气发生装置，包括进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器，第一富氮气体出口与氮气纯化模块连通，氮气纯化模块的出口端设有第一氮气纯度检测装置，氮气纯化模块与第一缓冲容器之间连接有比例阀，第二富氮气体出口与比例阀相连，第二富氮气体出口设有第二氮气纯度检测装置，比例阀连接有控制器，控制器用于基于第一氮气纯度检测装置和第二氮气纯度检测装置的氮气纯度调节比例阀的开度，以调节第一缓冲容器中的氮气纯度，满足实验室的不同需求。本发明具有氮气纯度宽范围可调以及氮气纯度自动控制功能，在实验室使用安全方便、可靠性高、维护成本低。
Description
技术领域
本发明属于实验设备技术领域，具体涉及一种氮气发生装置。
背景技术
氮气，通常状况下是一种无色无味的气体，而且一般氮气比空气密度小。氮气占大气总量的78.08％(体积分数)，是空气的主要成份之一。在标准大气压下，氮气冷却至-195.8℃时，变成无色的液体，冷却至-209.8℃时，液态氮变成雪状的固体。实验室仪器分析中常要用到氮气等气源，如液相色谱-质谱联用(LC/MS)广泛应用于生物化学、医学研究与应用、环境分析、食品分析以及临床应用等领域；传统实验室对LC/MS的供气方式通常是采用低成本的钢瓶或者高压储气罐来实现，但因其自身气容量的有限，实验室工作者不得不频繁地订购、搬运、安装和更换钢瓶(高压气罐),这不仅耗费大量的人力、物力和时间，甚至使一些重要的实验工作被迫中断；高压气罐阶段性自动放气减压保护是一种不可避免的技术缺陷，也直接导致了用户气体资源的无谓浪费，且钢瓶经常在无明显征兆的情况下氮气用尽，从而导致用户重要分析实验被迫停止。因此，一些实验室采用氮气发生装置来直接获取氮气。
现有技术CN215924403U公开了一种实验室用的高纯氮气发生装置，包括通过管道依次连通的空气预处理机构、冷冻干燥机构、吸附除杂罐、压缩空气储罐、吸附分离机构以及氮气储罐；空气预处理机构包括底座、设置在底座上且具有进气口和排气口的罐体、设置在罐体内的空压机以及设置在罐体内部且位于空压机出口端的过滤组件，空压机与罐体的进气口相连通，冷冻干燥机构通过管道与罐体相连通；其结构可靠，使用性能好，制氮操作便捷，且氮气制取纯度高。上述专利的高纯氮气发生装置虽然可以获得高纯氮气，但是某些实验需要不同纯度的氮气，其无法调整氮气纯度，难以满足实验室的实验需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮气发生装置，用于解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种氮气发生装置，包括进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器，所述进气模块、空气处理模块和氮氧分离模块依次连通，所述氮氧分离模块设有第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口，所述第一富氮气体出口与氮气纯化模块连通，所述氮气纯化模块的出口端设有第一氮气纯度检测装置，氮气纯化模块与第一缓冲容器之间连接有比例阀，所述第二富氮气体出口与比例阀相连，第二富氮气体出口设有第二氮气纯度检测装置，比例阀连接有控制器，所述第一氮气纯度检测装置和第二氮气纯度检测装置均与控制器相连，控制器用于基于第一氮气纯度检测装置和第二氮气纯度检测装置的氮气纯度调节比例阀的开度，以调节第一缓冲容器中的氮气纯度。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第一缓冲容器配设有第三氮气纯度检测装置，所述第三氮气纯度检测装置与控制器相连，第三氮气纯度检测装置用于向控制器反馈第一缓冲容器中的氮气纯度，以使控制器对比例阀的开度进行精细调节。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述空气处理模块包括空气过滤单元和空气干燥单元，所述进气模块、空气过滤单元和空气干燥单元、氮氧分离模块依次连通。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述空气过滤单元包括无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网，且无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网沿着空气的移动方向依次设置。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述氮氧分离模块包括氮氧分离膜组件，所述氮氧分离膜组件与空气处理模块连通，氮氧分离膜组件设置第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述氮气纯化模块包括第一吸附塔和第一单向阀，所述第一单向阀和第一吸附塔依次设置在第一富氮气体出口和比例阀之间。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第一吸附塔为PSA吸附塔。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述富氧气体出口连接有零级空气制备模块。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述零级空气制备模块包括第二单向阀、第二吸附塔和第二缓冲容器，所述富氧气体出口、第二单向阀、第二吸附塔和第二缓冲容器依次连通，第二缓冲容器配设有氧气纯度检测装置，第二缓冲容器的出口端设有减压阀。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述第二吸附塔内装填有吸氮分子筛，该吸氮分子筛包括5A分子筛和13X分子筛中的至少一种。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述空气处理模块与氮氧分离模块之间连接有第三缓冲容器，且空气处理模块与第三缓冲容器之间设有第三单向阀，所述第三缓冲容器配设有压力检测装置，所述压力检测装置与控制器相连。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，所述进气模块包括空气压缩机，所述空气压缩机与控制器相连，控制器用于基于第三缓冲容器的压力值动态调整空气压缩机的空气流量。
作为上述技术方案的一种可选实施方式，还包括箱体，所述箱体上设有箱门和显示屏，所述显示屏与控制器相连，箱体内部设置进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种氮气发生装置，进气模块、空气处理模块和氮氧分离模块依次连通，氮氧分离模块设有第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口，第一富氮气体出口与氮气纯化模块连通，氮气纯化模块与第一缓冲容器之间连接有比例阀，第二富氮气体出口与比例阀相连，比例阀连接有控制器。氮气纯化模块排出高纯氮气，氮氧分离模块排出富氮气体，根据实验室的用途，控制器基于高纯氮气和富氮气体的纯度，调节比例阀的开度，从而调节高纯氮气和富氮气体的比例，进而实现第一缓冲容器中的氮气纯度控制，满足实验室的不同需求。本发明具有氮气纯度宽范围可调以及氮气纯度自动控制功能，在实验室使用安全方便、可靠性高、维护成本低。
附图说明
图1是本发明一种实施方式中氮气发生装置的结构示意图；
图2是本发明一种实施方式中箱体的结构示意图。
图中：1-第一缓冲容器；2-第一氮气纯度检测装置；3-比例阀；4-第二氮气纯度检测装置；5-第三氮气纯度检测装置；6-空气过滤单元；7-空气干燥单元；8-氮氧分离膜组件；9-第一吸附塔；10-第一单向阀；11-第二单向阀；12-第二吸附塔；13-第二缓冲容器；14-氧气纯度检测装置；15-减压阀；16-第三缓冲容器；17-第三单向阀；18-压力检测装置；19-空气压缩机；20-箱体；21-箱门；22-显示屏；23-第四单向阀。
具体实施方式
实施例
如图1和图2所示，本实施例提供了一种氮气发生装置，包括进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器1，所述进气模块、空气处理模块和氮氧分离模块依次连通，进气模块用于提供空气，进气模块的入口端接入空气，进气模块的出口端连接空气处理模块。空气处理模块用于对空气进行过滤、干燥等处理，空气处理模块的出口端连接氮氧分离模块。氮氧分离模块用于对空气进行氮氧分离，从而得到富氮气体和富氧气体。其中，进气模块通常采用空气压缩机19，空气压缩机19可以为无油活塞式空气压缩机。
所述氮氧分离模块设有第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口，第一富氮气体出口和第二富氮气体出口用于排出富氮气体，富氧气体出口用于排出富氧气体。所述第一富氮气体出口与氮气纯化模块连通，第一富氮气体出口排出的富氮气体进入氮气纯化模块中，从而得到高纯氮气。
如图1所示，所述氮气纯化模块的出口端设有第一氮气纯度检测装置2，第一氮气纯度检测装置2用于检测氮气纯化模块排出的高纯氮气纯度。氮气纯化模块与第一缓冲容器1之间连接有比例阀3，所述第二富氮气体出口与比例阀3相连，第二富氮气体出口与比例阀3之间设有第四单向阀23，高纯氮气和富氮气体通过比例阀3后进入第一缓冲容器1中。第二富氮气体出口设有第二氮气纯度检测装置4，第二氮气纯度检测装置4用于检测第二富氮气体出口排出的富氮气体纯度。比例阀3连接有控制器，所述第一氮气纯度检测装置2和第二氮气纯度检测装置4均与控制器相连，控制器用于基于第一氮气纯度检测装置2和第二氮气纯度检测装置4的氮气纯度调节比例阀3的开度，以调节第一缓冲容器1中的氮气纯度。
氮气纯化模块排出高纯氮气，氮氧分离模块排出富氮气体，根据实验室的用途，控制器基于高纯氮气和富氮气体的纯度，调节比例阀3的开度，从而调节高纯氮气和富氮气体的比例，进而实现第一缓冲容器1中的氮气纯度控制，满足实验室的不同需求。本发明具有氮气纯度宽范围可调以及氮气纯度自动控制功能，在实验室使用安全方便、可靠性高、维护成本低。
如图1所示，在本实施例中，所述第一缓冲容器1配设有第三氮气纯度检测装置5，所述第三氮气纯度检测装置5与控制器相连，第三氮气纯度检测装置5用于向控制器反馈第一缓冲容器1中的氮气纯度，以使控制器对比例阀3的开度进行精细调节。第一氮气纯度检测装置2可以检测氮气纯化模块排出的高纯氮气纯度，第二氮气纯度检测装置4可以检测第二富氮气体出口排出的富氮气体纯度，第三氮气纯度检测装置5可以检测第一缓冲容器1中的氮气纯度，第一氮气纯度检测装置2、第二氮气纯度检测装置4和第三氮气纯度检测装置5将检测的氮气纯度发送至控制器，控制器先根据第一氮气纯度检测装置2和第二氮气纯度检测装置4的信息对比例阀3的开度进行初步调节，然后根据第三氮气纯度检测装置5反馈的氮气纯度，对比例阀3的开度进行精细调节，实现输出氮气的纯度控制。本发明可实时在线监测和控制氮气纯度，并实现智能控制，可有效保证氮气的纯度满足实验需求。
所述空气处理模块与氮氧分离模块之间连接有第三缓冲容器16，且空气处理模块与第三缓冲容器16之间设有第三单向阀17，所述第三缓冲容器16配设有压力检测装置18，所述压力检测装置18与控制器相连。第三缓冲容器16对空气进行缓冲，方便向氮氧分离模块提供稳定的空气。压力检测装置18可以监测第三缓冲容器16的压力，避免第三缓冲容器16的压力过大。
所述进气模块包括空气压缩机19，所述空气压缩机19与控制器相连，控制器用于基于第三缓冲容器16的压力值动态调整空气压缩机19的空气流量。当第三缓冲容器16的压力过小时，控制器增加空气压缩机19的输出功率，从而增加空气压缩机19的空气流量，使第三缓冲容器16的压力增大；当第三缓冲容器16的压力过大时，控制器降低空气压缩机19的输出功率，从而减少空气压缩机19的空气流量，使第三缓冲容器16的压力降低，有利于空气的稳定输出。
如图1所示，在本实施例中，所述空气处理模块包括空气过滤单元6和空气干燥单元7，所述进气模块、空气过滤单元6和空气干燥单元7、氮氧分离模块依次连通。空气过滤单元6用于去除空气中的杂质，空气干燥单元7用于去除空气中的水蒸气，增加制取氮气的纯度。具体地，所述空气过滤单元6包括无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网，且无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网沿着空气的移动方向依次设置。无纺布过滤网可以过滤一些较大的杂质颗粒，活性炭过滤网可以吸附一些杂质气体，HEPA过滤网可以过滤空气中的微粒，便于获取氮气。
作为本实施例的一种可选实施方式，所述氮氧分离模块包括氮氧分离膜组件8，所述氮氧分离膜组件8与空气处理模块连通，氮氧分离膜组件8设置第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口。氮氧分离膜组件8对空气中的氮气和氧气进行分离，得到富氮气体和富氧气体，富氮气体从第一富氮气体出口和第二富氮气体出口排出，富氧气体从富氧气体出口排出。
其中，所述氮气纯化模块包括第一吸附塔9和第一单向阀10，所述第一单向阀10和第一吸附塔9依次设置在第一富氮气体出口和比例阀3之间。优选地，所述第一吸附塔9为PSA吸附塔。变压吸附法(简称PSA)是一种新的气体分离技术，以吸附剂分子筛为例，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。它是以空气为原材料，利用一种高效能、高选择的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附的性能把空气中的氮和氧分离出来。碳分子筛对氮和氧的分离作用主要是基于这两种气体在碳分子筛表面的扩散速率不同，较小直径的气体(氧气)扩散较快，较多进入分子筛固相。这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。变压吸附法最初使用两塔并联机组，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氧气流；更有四塔并联机组和六塔并联机组，拥有更优秀的产氧效率，更加节省能耗。
如图1所示，在本实施例中，所述富氧气体出口连接有零级空气制备模块，方便为实验室提供零级空气。所述零级空气制备模块包括第二单向阀11、第二吸附塔12和第二缓冲容器13，所述富氧气体出口、第二单向阀11、第二吸附塔12和第二缓冲容器13依次连通，第二缓冲容器13配设有氧气纯度检测装置14，第二缓冲容器13的出口端设有减压阀15。优选地，所述第二吸附塔12内装填有吸氮分子筛，该吸氮分子筛包括5A分子筛和13X分子筛中的至少一种。
如图2所示，在本实施例中，该氮气发生装置还包括箱体20，所述箱体20上设有箱门21和显示屏22，进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块、第一缓冲容器1和第三缓冲容器16均设置在箱体20内部，打开箱门21，即可对箱体20内部的各个零部件进行更换和维护。所述显示屏22与控制器相连，第一氮气纯度检测装置2、第二氮气纯度检测装置4和第三氮气纯度检测装置5的信息可以在显示屏22上展示出来，方便实验人员观察。
本发明的氮气发生装置在使用时，先启动空气压缩机19，空气压缩机19排出的空气进入空气过滤单元进行过滤处理，去除空气中的杂质；然后进入空气干燥单元进行干燥处理，去除空气中的水蒸气；然后进入第三缓冲容器16，压力检测装置18检测第三缓冲容器16的气体压力，根据压力检测装置18所检测的压力信息，控制器调整空气压缩机19的工作状态，使第三缓冲容器16的气体压力维持稳定；然后第三缓冲容器16的空气通过氮氧分离膜组件8的分离作用得到富氮气体和富氧气体，富氮气体从第一富氮气体出口和第二富氮气体出口排出，富氧气体从富氧气体出口排出，排出的富氧气体通过零级空气制备模块得到零级空气。从第一富氮气体出口排出的富氮气体进入第一吸附塔9中，从而得到高纯氮气，第一富氮气体出口排出的富氮气体通过第四单向阀23进入比例阀3，同时高纯氮气进入比例阀3，高纯氮气和富氮气体按照一定比例混合后进入进入第一缓冲容器1中，根据实验室的用途，控制器基于高纯氮气和富氮气体的纯度，调节比例阀3的开度，从而调节高纯氮气和富氮气体的比例，进而实现第一缓冲容器1中的氮气纯度控制，满足实验室的不同需求。
在本发明描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对本领域技术人员而言，可以理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，实施例描述的具体特征、结构等包含于至少一种实施方式中，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将不同实施方式的特征进行组合。本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式，根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氮气发生装置，其特征在于，包括进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器(1)，所述进气模块、空气处理模块和氮氧分离模块依次连通，所述氮氧分离模块设有第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口，所述第一富氮气体出口与氮气纯化模块连通，所述氮气纯化模块的出口端设有第一氮气纯度检测装置(2)，氮气纯化模块与第一缓冲容器(1)之间连接有比例阀(3)，所述第二富氮气体出口与比例阀(3)相连，第二富氮气体出口设有第二氮气纯度检测装置(4)，比例阀(3)连接有控制器，所述第一氮气纯度检测装置(2)和第二氮气纯度检测装置(4)均与控制器相连，控制器用于基于第一氮气纯度检测装置(2)和第二氮气纯度检测装置(4)的氮气纯度调节比例阀(3)的开度，以调节第一缓冲容器(1)中的氮气纯度。
2.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述第一缓冲容器(1)配设有第三氮气纯度检测装置(5)，所述第三氮气纯度检测装置(5)与控制器相连，第三氮气纯度检测装置(5)用于向控制器反馈第一缓冲容器(1)中的氮气纯度，以使控制器对比例阀(3)的开度进行精细调节。
3.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述空气处理模块包括空气过滤单元(6)和空气干燥单元(7)，所述进气模块、空气过滤单元(6)和空气干燥单元(7)、氮氧分离模块依次连通。
4.根据权利要求3所述的氮气发生装置，其特征在于，所述空气过滤单元(6)包括无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网，且无纺布过滤网、活性炭过滤网和HEPA过滤网沿着空气的移动方向依次设置。
5.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述氮氧分离模块包括氮氧分离膜组件(8)，所述氮氧分离膜组件(8)与空气处理模块连通，氮氧分离膜组件(8)设置第一富氮气体出口、第二富氮气体出口和富氧气体出口。
6.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述氮气纯化模块包括第一吸附塔(9)和第一单向阀(10)，所述第一单向阀(10)和第一吸附塔(9)依次设置在第一富氮气体出口和比例阀(3)之间；所述第一吸附塔(9)为PSA吸附塔。
7.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述富氧气体出口连接有零级空气制备模块；所述零级空气制备模块包括第二单向阀(11)、第二吸附塔(12)和第二缓冲容器(13)，所述富氧气体出口、第二单向阀(11)、第二吸附塔(12)和第二缓冲容器(13)依次连通，第二缓冲容器(13)配设有氧气纯度检测装置(14)，第二缓冲容器(13)的出口端设有减压阀(15)；所述第二吸附塔(12)内装填有吸氮分子筛，该吸氮分子筛包括5A分子筛和13X分子筛中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，所述空气处理模块与氮氧分离模块之间连接有第三缓冲容器(16)，且空气处理模块与第三缓冲容器(16)之间设有第三单向阀(17)，所述第三缓冲容器(16)配设有压力检测装置(18)，所述压力检测装置(18)与控制器相连。
9.根据权利要求8所述的氮气发生装置，其特征在于，所述进气模块包括空气压缩机(19)，所述空气压缩机(19)与控制器相连，控制器用于基于第三缓冲容器(16)的压力值动态调整空气压缩机(19)的空气流量。
10.根据权利要求1所述的氮气发生装置，其特征在于，还包括箱体(20)，所述箱体(20)上设有箱门(21)和显示屏(22)，所述显示屏(22)与控制器相连，箱体(20)内部设置进气模块、空气处理模块、氮氧分离模块、氮气纯化模块和第一缓冲容器(1)。
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